Solid State Transformer (SST) Kompletní znalostní systém

1. Základní definice a přezdívky

Solid State Transformer (SST), akademicky pojmenovanýVýkonový elektronický transformátor (PET), v oboru také známý jako inteligentní polovodičová-rozvodna nebo energetický směrovač.

V podstatě se nejedná o železný-transformátor, ale o modulární výkonové elektronické zařízení, které integruje usměrnění, inverzi, vysokofrekvenční izolaci a regulaci kvality energie. Spoléhá se na SiC/GaN širokopásmové-polovodiče k realizaci napěťové transformace a izolace prostřednictvím vysoko-frekvenčního přepínání, čímž se opouští tradiční 50 Hz výkonová-frekvence železného- jádra.

Výraz „pevný-stav“ označuje žádné rotující části nebo železná jádra -ponořená v oleji; celé zařízení se skládá výhradně z polovodičových -součástek v pevné fázi, čímž se odlišuje od frekvenčních transformátorů -naplněných kapalným olejem-.

2. Princip práce

Odvozeno ze vzorce elektromagnetické indukce:

Plocha průřezu-železného jádraSje nepřímo úměrná provozní frekvencif.

Tradiční výkonové -frekvenční transformátory pracují na pevných 50 Hz a vyžadují objemná železná jádra.

SST zvýší provozní frekvenci na20 kHz ~ 200 kHz, zmenšením objemu magnetických součástek na 1/10 ~ 1/5 původní velikosti pro miniaturizaci.

Mainstreamový tří{0}}fázový řetězec přeměny energie:

Frekvence střídavého proudu vysoko-střídavý proud → řízené usměrnění → vysokonapěťová stejnosměrná sběrnice

Vysoko-stejnosměrné napětí přeměněné na vysokofrekvenční{1}}střídavý proud → izolovaná transformace napětí pomocí kompaktního vysokofrekvenčního-transformátoru

Vysokofrekvenční střídavý proud na sekundární straně usměrněný/invertovaný → nízkofrekvenční střídavý proud nebo vysokonapěťový stejnosměrný výstup-

Technické údaje

3. Tři hlavní komerční topologie

(1) Tří-stupňová topologie (průmyslový mainstream, plně-funkční typ)

Struktura:Stupeň usměrňovače střídavého/stejnosměrného proudu + vysokofrekvenční{1}}izolační stupeň stejnosměrného/stejnosměrného proudu + invertorový stupeň DC/AC

Vstupní stupeň: Kaskádový H-můstek (CHB) / MMC více{1}}úrovňové usměrnění se přizpůsobuje sítím středního napětí 10 kV a 35 kV-, implementuje korekci účiníku a potlačení harmonických složek;

Izolační stupeň: DAB (Dual Active Bridge) / CLLC rezonanční převodník (postupně nahrazující DAB pro plné{0}}měkké spínání{1}}zátěže a nižší ztráty) + vysokofrekvenční nanokrystalický transformátor magnetického jádra;

Koncový stupeň: schopný výstupu AC nebo výstupu 800 V DC sběrnice.

Výhody: Stejnosměrné sběrnice existují na vysokonapěťové i nízkonapěťové straně a umožňují obousměrný tok energie, současné potlačení harmonických složek, přístup k ukládání energie a přizpůsobení hybridním napájecím sítím AC-DC.

Aplikace: rozvodny 10 kV, napájení pro výpočetní centra AI, integrované fotovoltaické -akumulační-dobíjecí stanice.

(2) Dvoustupňová topologie (Lightweight Low-cost Scheme)

Dva typy: DC sběrnice na straně vysokého-napětí nebo DC sběrnice na straně-nízkého napětí. Struktura: Usměrnění AC/DC + jednostupňová izolovaná DC/DC konverze.

Post{0}}střídač je vynechán pro přímý výstup DC, vyznačuje se jednodušší konstrukcí a nižšími ztrátami.

Nevýhoda: poruchy sítě se snadno spojují s nízkonapěťovou-stranou, slabá kapacita regulace kvality energie.

Aplikace: EV ultra-rychlé nabíjecí baterie, distribuované průmyslové úložiště energie, nízkonapěťové mikrosítě.

(3) Jednostupňová-topologie Matrix AC-AC (špičková-laboratorní technologie, nekomerčně dostupná)

Žádné mezilehlé stejnosměrné kondenzátory. Maticový konvertor přímo převádí -frekvenční střídavý proud na střídavý proud o vysoké-frekvenci a poté, co projde vysokofrekvenčním transformátorem, obnoví střídavý -frekvence.
Minimální komponenty a teoreticky nejvyšší hustota výkonu. Avšak bez stejnosměrných vyrovnávacích spojů mají fluktuace sítě tendenci narušit výkonová zařízení a řídicí algoritmy jsou extrémně složité. Ověřeno pouze v leteckém výzkumu.

4. Složení základního hardwaru

Výkonové polovodiče: Mainstreamová zařízení jsou 1200 V / 1700 V SiC MOSFET; Čipy SiC 3,3 kV slouží scénářům vysokého napětí 35 kV-. IGBT na bázi křemíku jsou vyřazovány ze středního-napěťového SST kvůli vysokým ztrátám při přepínání.

Vysokofrekvenční magnetické komponenty: Nanokrystalická, amorfní slitina, Mn-Zn feritová jádra (nahrazující plechy z křemíkové oceli) s ultra-nízkou vysokou-ztrátou frekvence.

Řídicí systém: Dvoujádrová -architektura DSP+FPGA pro sdílení napětí/proudu, regulaci napětí na milisekundové-úrovni a blokování chyb.

Chladicí systém: Ponorné kapalinové chlazení / deskové vodní chlazení pro-výkonné modely; vzduchové chlazení pro malé a střední jednotky.

Modulární jednotka: Průmyslový-standard ISOP (Input Series Output Parallel) modulární architektura. Nízkonapěťové jednotky SiC jsou zapojeny do série, aby vydržely vysoké napětí 10 kV; vadné moduly lze obejít bez vypnutí systému.

5. Srovnání: Polovodičový transformátor a tradiční výkonový-frekvenční transformátor

6. -Hloubkové aplikační scénáře

(1) Nový systém napájení a strana napájecí sítě

Flexibilní-rozvodna

Nahrazuje zastaralé transformátory krabicového-typu ve městech. Jediný SST integruje regulaci napětí, třífázovou úpravu nesymetrie, filtrování harmonických složek a izolaci poruch, čímž řeší problémy, jako je časté nízké napětí a nadměrný neutrální proud ve starých obytných čtvrtích. Poruchy izoluje do 0,8 sekundy, zatímco tradičním transformátorům to trvá déle než 12 sekund.

Platformy pro posilování větrné energie na moři

Offshore plošiny mají omezený prostor a vysoké stavební náklady. SST snižuje objem o 70 % a odstraňuje velké kabiny-frekvenčního transformátoru, čímž se snižují náklady na inženýrskou výstavbu a zvedání na moři. DC výstup z pobřežních větrných turbín lze přímo připojit k SST pro zvýšení-přenosu.

Off-mikrosítě

Pro odlehlé ostrovy, hraniční základny a polní fotovoltaické základny tvoří FV + skladování energie + SST kontejnerové -síťové energetické systémy, které automaticky stabilizují občasné kolísání fotovoltaického výkonu.

(2) Výpočetní centra a datová centra (nejrychlejší komercializovaná trať)

SST se stává standardním 800V vysokonapěťovým stejnosměrným napájením pro clustery NVIDIA a Huawei AIDC. 10 kV komunální napájení se připojuje přímo k SST a převádí se na 800 V stejnosměrné pro skříně GPU.

Odstraňuje 5-konverzní propojení (10 kV skříňový transformátor → 400 V AC UPS → vícestupňové usměrnění), čímž se zvyšuje celková účinnost napájecího zdroje z 91 % na 97,5 %.

Proud kabelů prudce klesá, spotřeba mědi se snížila o 55 %, což umožňuje o 30 % více počítačových skříní nasazených v datových halách.

Vestavěná-rozhraní pro ukládání energie připojují baterie ke sběrnicím stejnosměrného proudu pro bezproblémové přepínání napájení a nulové prostoje počítače během výpadků.

Pilotní projekty probíhají v Guian East-data West-computing Cluster, Tencent Qingyuan Computing Base a Alibaba Zhangbei Computing Park.

(3) Dopravní průmysl

Palubní trakční transformátory-pro vysokorychlostní vlaky a EMU

Nahrazení-palubních{1}}trakčních frekvenčních transformátorů za vysokofrekvenční SST snižuje hmotnost vozidla o 40 %, snižuje opotřebení-kolejnic a spotřebu energie vlaku. Elektrická energie regenerovaná během brzdění může být přiváděna zpět do sítě nebo dodávána do sousedních vlaků, což snižuje celkovou spotřebu energie o 10 %~15 %.

Flexibilní napájecí zdroj pro systémy metra

Linky metra v Guangzhou a Shenzhen provádějí pilotní piloty trakčního napájení SST, aby se odstranilo harmonické znečištění způsobené provozem metra a recyklovala se brzdná energie, čímž se podlahová plocha rozvoden metra zmenšila na polovinu.

Pobřežní energie pro lodě

Lodě po celém světě přijímají různé normy napětí a frekvence (6 kV/10 kV, 50 Hz/60 Hz). SST se přizpůsobuje libovolnému napětí a frekvenci, aby bylo zajištěno bezproblémové připojení k síti pro lodě různých zemí a zabránilo se-přepětí připojeným k síti poškozujícím energetické systémy lodí.

(4) Přesný průmyslový napájecí zdroj

Výroba plátků a litografické dílny pro polovodičový průmysl

Litografická a leptací zařízení jsou extrémně citlivá na rušení napětím; kolísání napětí o 0,5 % způsobí sešrotování plátku. SST aktivně izoluje údery blesku a rušení elektrickým obloukem od sítě a dodává čistý výkon s celkovým harmonickým zkreslením (THD) < 2 %.

Metalurgické obloukové pece a velkokapacitní-akumulace průmyslové energie

Ocelárny skladují elektřinu mimo{0}}špičku a vybíjejí se během špičky. V kombinaci s obousměrnou konverzí SST pro vysokonapěťové akumulaci energie se sníží průmyslové výdaje na elektřinu.

7. Úzká místa industrializace

Nákladová bariéra
Vysokonapěťové SiC moduly zůstávají drahé. Celkové náklady na 10 kV SST jsou 3–6krát vyšší než u frekvenčního transformátoru se stejnou -kapacitou-, což postrádá ekonomické výhody pro běžné domácí distribuční sítě.

Výzva k vysokofrekvenční izolaci
Vysoko-elektrická pole snadno spouštějí částečný výboj, urychlují stárnutí izolačních materiálů pod vysokým napětím a omezují celkovou životnost, což je největší technický problém vysokonapěťového SST.

Slabá kapacita zařízení proti zkratu-
Výkonové -frekvenční transformátory vydrží několik sekund zkratu-, zatímco polovodiče SiC vyhoří během mikrosekund-při zkratu. V řídicích systémech je nutné instalovat více-redundantní ochranu a bypass moduly, což zvyšuje složitost systému.

Slabá světelná-efektivita zatížení
Když je zátěž nižší než 30 % jmenovitého výkonu, převažují ztráty spínáním nad ztrátovým výkonem SST a účinnost klesne pod 93 %. Naproti tomu výkonové-frekvenční transformátory si udržují účinnost nad 98 % při nízké zátěži, takže SST není vhodný pro venkovské distribuční stanice s trvale nízkým zatížením.

Nevyzrálý systém provozu a údržby
Tradiční transformátory mají vyspělé a rozšířené systémy údržby. SST integruje výkonovou elektroniku, vestavěné řízení a vysoko-magnetickou technologii, což klade vyšší technické požadavky na personál údržby.

8. Budoucí vývojové trendy

Upgrade zařízení: Postupné zavádění vysokonapěťových SiC zařízení 3,3 kV a 6,5 ​​kV snižuje počet sériově{3}}zapojených jednotek a zjednodušuje strukturu 10 kV/35 kV SST; Zařízení GaN pronikají do vysoce-středněnapěťových-aplikací.

Iterace topologie: Rezonanční topologie CLLC komplexně nahrazuje DAB a řeší problém vysokých ztrát DAB při nízké zátěži. Jakmile budou vyřešeny problémy s řízením, bude v lehkých leteckých scénářích použita jednostupňová topologie AC-střídavého proudu.

Vysoká integrace: Napájecí, pohonné a senzorové komponenty jsou zabaleny do integrovaných SiC IPEM modulů pro další snížení objemu zařízení.

Diferenciace aplikací

Běžné městské a venkovské distribuční sítě si zachovají tradiční výkonové-frekvenční transformátory;

Výpočetní centra, ultra{0}}rychlé nabíjecí stanice, větrná energie na moři a železniční doprava budou v letech 2028 až 2032 svědky velké-popularizace SST.

Síťová aplikace: Několik SST tvoří energetický internetový klastr pro koordinaci fotovoltaiky, skladování energie a nabíjení v rámci regionálních energetických sítí.