Пълна система от знания за твърд трансформатор (SST).

1. Основна дефиниция и псевдоними

Твърдотелен трансформатор (SST), академично имеСилов електронен трансформатор (PET), известен още като интелигентна полупроводникова -подстанция или енергиен рутер в индустрията.

По същество не е трансформатор с желязна сърцевина, това е модулно захранващо електронно устройство, интегриращо коригиране, инверсия, високо-честотна изолация и регулиране на качеството на захранването. Той разчита на полупроводници с широко-забранена лента SiC/GaN, за да реализира трансформация на напрежението и изолация чрез високо-честотно превключване, изоставяйки традиционната 50 Hz мощна-честотна структура на желязното-ядро.

Терминът „твърдо-състояние“ означава липса на въртящи се части или потопени в масло-железни ядра; цялото устройство се състои изцяло от-полупроводникови компоненти в твърдо състояние, което го отличава от-напълнени с течно масло-мощни-честотни трансформатори.

2. Принцип на работа

Извлича се от формулата за електромагнитна индукция:

Площта на напречното-сечение на желязното ядроSе обратно пропорционална на работната честотаf.

Традиционните силови-честотни трансформатори работят при фиксирани 50 Hz, което изисква обемисти железни сърцевини.

SST повишава работната честота до20 kHz ~ 200 kHz, свивайки обема на магнитните компоненти до 1/10 ~ 1/5 от оригиналния размер за миниатюризация.

Основна три{0}}етапна верига за преобразуване на мощност:

Променливотоков захранващ честот високо-напрежение променлив ток → контролирано коригиране → високо-напрежение DC шина

DC с високо-напрежение, обърнато във високо-честотен променлив ток → изолирана трансформация на напрежение чрез компактен високо-честотен трансформатор

Високо{0}}честотен променлив ток на вторичната страна, изправен/обърнат → ниско-честотен променлив ток или високо-напрежение DC изход

Технически данни

3. Три основни търговски топологии

(1) Три-степенна топология (промишлен масов поток, пълен-функционален тип)

Структура:AC/DC токоизправително стъпало + DC/DC високо{1}}честотно изолиращо стъпало + DC/AC инверторно стъпало

Входно стъпало: Каскаден H-мост (CHB) / MMC много-изправяне се адаптира към мрежи със средно{4}}напрежение 10 kV и 35 kV, прилагайки корекция на фактора на мощността и потискане на хармониците;

Етап на изолация: DAB (двоен активен мост) / CLLC резонансен преобразувател (постепенно заместващ DAB за пълно-натоварване с меко-превключване и по-ниски загуби) + високо-честотен нанокристален трансформатор с магнитна сърцевина;

Изходен етап: способен на AC изход или 800 V DC изход на шина.

Предимства: DC шини съществуват както от страна на високо, така и от страна на ниско напрежение, което позволява двупосочен поток на енергия, едновременно потискане на хармоници, достъп до съхранение на енергия и адаптиране към AC-DC хибридни електрически мрежи.

Приложения: 10 kV разпределителни подстанции, захранване за AI изчислителни центрове, интегрирани фотоволтаични-съхранение-станции за зареждане.

(2) Дву{1}}етапна топология (лека схема с ниски-разходи)

Два вида: DC шина от страна на високо-напрежение или DC шина от страна-на ниско напрежение. Структура: AC/DC изправяне + едно-степенно изолирано DC/DC преобразуване.

След{0}}степенният инвертор е пропуснат да извежда DC директно, като се отличава с по-опростена структура и по-ниски загуби.

Недостатък: смущенията в мрежата лесно се свързват към страната на ниското-напрежение, слаб капацитет за регулиране на качеството на електроенергията.

Приложения: купчини за ултра-бързо зареждане на EV, разпределено промишлено съхранение на енергия, микромрежи с ниско-напрежение.

(3) Едностепенна -матрична AC-AC топология (авангардна-лабораторна технология, некомерсиализирана)

Няма междинни DC кондензатори. Матричният преобразувател директно преобразува променливотоковия-честотен ток във високо-честотен променлив ток, след което възстановява-честотния променлив ток след преминаване през високо-честотния трансформатор.
Минимални компоненти и теоретично най-висока плътност на мощността. Въпреки това, без DC буферни връзки, флуктуациите на мрежата са склонни да повредят захранващите устройства, а алгоритмите за управление са изключително сложни. Проверено само в аерокосмически изследвания.

4. Състав на основния хардуер

Силови полупроводници: Основните устройства са 1200 V / 1700 V SiC MOSFET; 3,3 kV SiC чипове обслужват сценарии с високо-напрежение от 35 kV. Базираните на силиций-IGBT се премахват постепенно от SST със средно-напрежение поради високи загуби при превключване.

Високо{0}}честотни магнитни компоненти: Нанокристална, аморфна сплав, Mn-Zn феритни сърцевини (заместващи листове от силициева стомана) с ултра-ниска висока-загуба на честота.

Система за контрол: Дву{0}}ядрена DSP+FPGA архитектура за споделяне на напрежение/ток, регулиране на напрежението на ниво милисекунда-и блокиране на грешки.

Охладителна система: Потопяемо течно охлаждане / пластиново водно охлаждане за модели с висока-мощност; въздушно охлаждане за малки и средни единици.

Модулна единица: Индустриален-стандартен ISOP (Input Series Output Parallel) модулна архитектура. Устройствата от SiC с ниско-напрежение са свързани последователно, за да издържат на високо напрежение от 10 kV; дефектните модули могат да бъдат прескочени без изключване на системата.

5. Сравнение: твърдотелен трансформатор срещу традиционен силов-честотен трансформатор

6.-Задълбочени сценарии за приложение

(1) Нова енергийна система и страна на електропреносната мрежа

Гъвкава твърдо{0}}подстанция

Заменя остарелите трансформатори тип кутия-в градовете. Един SST интегрира регулиране на напрежението, три-третиране на дисбаланс на фазите, филтриране на хармоници и изолиране на повреда, решавайки проблеми като често ниско напрежение и прекомерен неутрален ток в стари жилищни квартали. Той изолира повреди в рамките на 0,8 секунди, докато традиционните трансформатори отнемат повече от 12 секунди.

Офшорни платформи за усилване на вятърна енергия

Офшорните платформи се характеризират с ограничено пространство и високи разходи за строителство. SST намалява обема със 70%, елиминирайки кабините с големи-честотни трансформатори, за да намали разходите за офшорно инженерно строителство и повдигане. Изходът за постоянен ток от офшорни вятърни турбини може да бъде директно свързан към SST за стъпково-предаване.

Микромрежи извън-мрежата

За отдалечени острови, гранични постове и полеви фотоволтаични бази, PV + съхранение на енергия + SST формира контейнерни системи за захранване извън-мрежата за автоматично стабилизиране на периодичните колебания на фотоволтаичния изход.

(2) Компютърни центрове и центрове за данни (Най-бързият комерсиализиран път)

SST се превръща в стандартното решение за захранване с постоянен ток с високо{1}}800 V за NVIDIA и Huawei AIDC клъстери. 10 kV общинско захранване се свързва директно към SST и се преобразува в 800 V DC за GPU шкафове.

Елиминира 5-връзките за преобразуване на етапи (10 kV кутия трансформатор → 400 V AC UPS → многостепенно коригиране), повишавайки общата ефективност на захранването от 91% на 97,5%.

Токът на кабела спада рязко, потреблението на мед е намалено с 55%, което позволява 30% повече изчислителни шкафове, разположени в залите за данни.

Вградените-интерфейси за съхранение на енергия свързват батериите към DC шини за безпроблемно превключване на захранването и нулево време на престой на компютъра по време на прекъсвания.

Изпълняват се пилотни проекти в Guian East-data West-computing Cluster, Tencent Qingyuan Computing Base и Alibaba Zhangbei Computing Park.

(3) Транспортна индустрия

Бордови-тягови трансформатори за-високоскоростни влакове и EMU

Подмяната на бордовите-силови-честотни тягови трансформатори с високо-честотен SST намалява теглото на превозното средство с 40%, намалявайки износването-на релсите на колелата и консумацията на енергия на влака. Електрическата енергия, регенерирана по време на спиране, може да се подаде обратно към мрежата или да се достави на съседни влакове, намалявайки общата консумация на енергия с 10%~15%.

Гъвкаво захранване за метро системи

Линиите на метрото в Гуанджоу и Шенжен изпълняват пилотни проекти за тягово електрозахранване SST, за да премахнат хармоничното замърсяване, причинено от работата на метрото, и да рециклират спирачната енергия, намалявайки наполовина площта на подстанциите на метрото.

Пристанищна брегова мощност за кораби

Корабите по целия свят приемат различни стандарти за напрежение и честота (6 kV/10 kV, 50 Hz/60 Hz). SST се адаптира към произволно напрежение и честота, за да реализира безпроблемна мрежова връзка за кораби от различни страни и да избегне свързани с мрежата-пренапрежения, които увреждат енергийните системи на кораба.

(4) Индустриално прецизно захранване

Работилници за производство на вафли и литография за полупроводниковата индустрия

Оборудването за литография и гравиране е изключително чувствително към смущения в напрежението; 0,5% колебание на напрежението ще доведе до бракуване на пластини. SST активно изолира ударите на мълнии и дъговите смущения от мрежата, доставяйки чиста мощност с общо хармонично изкривяване (THD) < 2%.

Металургични дъгови пещи и широко{0}}промишлено съхранение на енергия

Стоманодобивните заводи съхраняват електричество по време на извън{0}}пиковите часове и разреждат по време на пиковите периоди. В комбинация с SST двупосочно преобразуване за високо{2}}съхранение на енергия, промишлените разходи за електроенергия са намалени.

7. Тесните места на индустриализацията

Разходна бариера
SiC захранващите модули с високо{0}}напрежение остават скъпи. Общата цена на 10 kV SST е 3~6 пъти по-висока от еднаква-мощност-честотен трансформатор, като липсват икономически ползи за обикновените жилищни разпределителни мрежи.

Високо{0}}предизвикателство за изолация
Високо{0}}честотните електрически полета лесно предизвикват частичен разряд, ускорявайки стареенето на изолационните материали под високо напрежение и ограничавайки цялостния експлоатационен живот, най-голямата техническа трудност за SST с високо-напрежение.

Издръжливост на слаб-капацитет на устройствата на късо съединение
Силовите-честотни трансформатори издържат няколко секунди на удар от-късо съединение, докато SiC полупроводниците изгарят в рамките на микросекунди при условия на късо-съединение. Мулти-излишните модули за защита и байпас трябва да бъдат инсталирани в системите за управление, което увеличава сложността на системата.

Лоша ефективност-на натоварване
Когато натоварването е по-ниско от 30% номинална мощност, загубата на превключване доминира над загубата на мощност на SST и ефективността пада под 93%. Обратно, силовите-честотни трансформатори поддържат ефективност над 98% при леко натоварване, което прави SST неподходящ за селски разпределителни станции с постоянно ниски натоварвания.

Незряла система за работа и поддръжка
Традиционните трансформатори притежават зрели и широко разпространени системи за поддръжка. SST интегрира силова електроника, вграден контрол и високо{1}}честотна магнитна технология, налагайки по-високи технически изисквания към персонала по поддръжката.

8. Бъдещи тенденции на развитие

Надграждане на устройството: Постепенното приемане на 3,3 kV и 6,5 kV високо{2}}напрежение SiC устройства намалява броя на последователно-свързаните единици и опростява структурата на 10 kV/35 kV SST; GaN устройствата проникват в приложения с високо-средно-напрежение.

Итерация на топологията: CLLC резонансната топология замества DAB изчерпателно, за да реши проблема с високата загуба на DAB при леко натоварване. След като бъдат решени трудностите при управлението, едно-етапната AC-AC топология ще бъде приложена в сценарии с лека космическа техника.

Висока интеграция: Захранването, задвижването и сензорните компоненти са пакетирани в интегрирани SiC IPEM модули за допълнително намаляване на обема на устройството.

Диференциация на приложението

Обикновените градски и селски разпределителни мрежи ще запазят традиционните захранващи-честотни трансформатори;

Компютърните центрове, ултра{0}}станциите за бързо зареждане, офшорната вятърна енергия и железопътният транспорт ще станат свидетели на широко{1}}популяризирането на SST от 2028 до 2032 г.

Приложение за работа в мрежа: Множество SST образуват енергиен интернет клъстер за координиране на фотоволтаични, енергийни съхранение и зареждащи товари в рамките на регионалните електрически мрежи.