Wat is 'n Vaste-Staatstransformator? 2025Tech, Struktuur & Prinsipes Verduidelik

1. Wat is 'n Solid-State Transformer (SST)?

1.1 Fundamente en Beperkings van Konvensionele Transformasies

Die artikel kyk eers na die geskiedenis (bv. Stanley se patent in 1886) en basiese beginsels van konvensionele transformasies. Gebaseer op elektromagnetiese induksie, bestaan tradisionele transformasies uit silikon-staal kerns, koper of aluminium windings, en isolering/koelsisteme (minerale olie of droë tipe). Hulle werk by vaste frekwensies (50/60 Hz of 16⅔ Hz), met vaste spanningstransformasieverhoudings, kragoordraagvermoë, en frekwensiekenmerke.

Voordelige van konvensionele transformasies:

• Laag koste

• Hoë betroubaarheid (effektiwiteit >99%)

• Kortsluitstroombeperkende vermoë

Nadele sluit in:

• Groot grootte en swaar gewig

• Gevoelig vir harmoniese en DC-skuif

• Geen oorbelastingbeskerming

• Brand- en omgewingsrisiko's

1.2 Definisie en Oorsprong van Solid-State Transformasies

'n Solid-State Transformer (SST) is 'n alternatief vir konvensionele transformasies gebaseer op krag-elektronika tegnologie, met oorsprong wat terugdateer tot McMurray se "elektroniese transformator" konsep in 1968. SSTs bereik spanningstransformasie en galvaniese isolering deur 'n Medium-Frekwensie (MF) isolasie fase, terwyl hulle ook verskeie intelligente beheerfunksies bied.

Basiese struktuur van 'n SST sluit in:

• Medium-Voltage (MV) grensvlak

• Medium-Frekwensie (MF) isolasie fase

• Kommunikasie en beheerkoppeling

2. Ontwerpuitdagings van SSTs

2.1 Uitdaging: Aanpak van Medium Voltage (MV)

Medium-spanningsvlakke (bv. 10 kV) oorskry die spanningratings van bestaande halfgeleiderkomponente (Si IGBTs tot 6.5 kV, SiC MOSFETs ~10–15 kV). Daarom moet óf 'n multi-cel (modulaire) óf 'n single-cel (hoogspanningskomponent) benadering aangewend word.

Voordelige van multi-celoplossings:

• Modulêre en redundante ontwerp

• Multi-level uitgangswaaiwyse, wat filtervereistes verminder

• Ondersteuning vir warmruil en fouttoleransie

Voordelige van single-celoplossings:

• Eenvoudiger struktuur

• Geskik vir driefase stelsels

2.2 Uitdaging: Topologiekeuse

SST topologieë kan gedefinieer word as:

• Isolateerde Front-End (IFE): Isolering voor regtigging

• Isolateerde Back-End (IBE): Regtigging voor isolering

• Matrix-konverter tipe: Direkte AC-AC omskakeling

• Modular Multilevel Converter (M2LC)

2.3 Uitdaging: Betroubaarheid

Konvensionele transformasies is uitermate betroubaar, terwyl SSTs talryke halfgeleiders, beheersirkuite, en koelsisteme insluit, wat betroubaarheid 'n kritieke besorgdheid maak. Die dokument introduceer Betroubaarheid Blok Diagramme (RBD) en mislukkingstempo (λ in FIT) modelle, wat aandui dat redundantie betroubaarheid aansienlik kan verbeter.

2.4 Uitdaging: Medium-Frekwensie Geïsoleerde Kragkonverters

Algemene topologieë sluit in:

• Dual Active Bridge (DAB): Kragvloei gecontroleer deur faseverskuiving, wat sagte skakeling moontlik maak

• Half-Cycle Discontinue Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): Bereik ZCS/ZVS, wat "DC transformator" kenmerke vertoon

2.5 Uitdaging: Medium-Frekwensie Transformatorontwerp

Medium-frekwensie transformators werk by kHz-vlak frekwensies, wat uitdagings soos die volgende inhou:

• Kleinere magneetkern volume

• Konflik tussen isolering en termiese bestuur

• Onreëlmatige stroomverdeling in Litz draad

2.6 Uitdaging: Isolasie Koördinasie

Medium-spannings eenhede vereis hoë isolering na grond, wat oorweging van die volgende nodig maak:

• Gekombineerde 50 Hz kragfrekwensie en medium-frekwensie elektriese veldspanning

• Dielektriese verliese en risiko van plaaslike oormaatlike verhitting

2.7 Uitdaging: Elektromagnetiese Interferensie (EMI)

Gemeenskaplike-modus strome wat tydens MV-skakeling gegenereer word, kan deur parasitaire kapasiteits na grond vloei en moet onderdruk word deur gemeenskaplike-modus chokes te gebruik.

2.8 Uitdaging: Beskerming

SSTs moet oorvoltage, oorstroom, donderklappe, en kortsluitings hanteer. Tradisionele fuses en oorvoltagebeskermers bly toepaslik, maar moet gekombineer word met elektroniese stroombeperkings- en energieabsorberingstrategieë.

2.9 Uitdaging: Beheer

SST beheersisteme is kompleks en vereis 'n hiërargiese struktuur:

• Buite beheer: Netwerkinteraksie, kragverspreiding

• Binne beheer: Spanning/stroomregulering, redundantiebestuur

• Eenheidvlak beheer: Modulasie en beskerming

2.10 Uitdaging: Bou van Modulaire Konverters

Die bou van praktiese MV modulaire stelsels behels:

• Isolasieontwerp

• Koelsisteme

• Kommunikasie en hulpbronkrag

• Meganiese struktuur en warmruil-ondersteuning

2.11 Uitdaging: Toetsing van MV Konverters

MV-toetseinrichtings is kompleks en vereis:

• Hoëspanning, hoëkrag bronne/belastings

• Hoëakkuraatheid meettoerusting (bv. hoëspanning differensiaalprobes)

• Reserve toetstrategieë (bv. back-to-back toetsing)

3. Toepasbaarheid en Gebruiksgevalle van SSTs

3.1 Netwerktoepassings

SSTs kan in kragnetwerke gebruik word vir:

• Spanningsregulering en reaktiewe kragkompensasie

• Harmoniese filtering en kragkwaliteitverbetering

• DC-koppelvlak integrasie (bv. energieopberging, fotovoltaïska)

Maar, in vergelyking met konvensionele Lynfrekwensie Transformasies (LFTs), staan SSTs voor 'n "effektiwiteitsuitdaging":

• LFT effektiwiteit kan 98.7% bereik

• SSTs bereik tipies net ~96.3% as gevolg van multi-stage omskakeling

• Beperkte vermindering in grootte en gewig (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)

• Aansienlik hoër koste (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Trektoepassings

Trekstels (bv. elektriese lokomotiewe) het streng vereistes vir grootte, gewig, en effektiwiteit, waar SSTs duidelike voordele bied:

• Aansienlik verminderde transformatorgrootte deur hoër bedryfsfrekwensies (bv. 20 kHz)

• Dubbele optimalisering van effektiwiteit en volumevermindering

3.3 DC-DC Toepassings

In DC-stelsels (bv. seebuite windkragversameling, datacenters), is SSTs die enigste haalbare isolasieoplossing, aangesien hul bedryfsfrekwensie vrylik gekies kan word sonder te wees beperk deur netwerkfrekwensie.

4. Toekomstige Konsepte en Konklusie

4.1 Toekomstige Toepassingsscenarios

• Subsee aardolie en gas verwerkingsstelsels

• Luftige windturbines

• Al-elektriese vliegtuie

• Marine medium-spannings DC (MVDC) stelsels