Ano ang Solid-State Transformer? 2025Tech IEE-Business, Istruktura at mga Prinsipyo na Ipinakilala

Noah

Larangan: Diseño at Pagsasauli

Australia

1. Ano ang Solid-State Transformer (SST)?

1.1 Pundamental at Limitasyon ng mga Konbensiyonal na Transformer

Una sa lahat, tinatalakay ng artikulo ang kasaysayan (halimbawa, ang patakaran ni Stanley noong 1886) at mga pangunahing prinsipyong mayroon ang mga konbensiyonal na transformer. Batay sa elektromagnetikong induksyon, ang mga tradisyunal na transformer ay binubuo ng silicon steel cores, copper o aluminum windings, at insulation/cooling systems (mineral oil o dry-type). Ang mga ito ay gumagana sa naka-iral na frequency (50/60 Hz o 16⅔ Hz), na may naka-iral na voltage transformation ratios, power transfer capabilities, at frequency characteristics.

Ang mga abilidad ng mga konbensiyonal na transformer:

Mababang gastos
Mataas na kapani-paniwalan (efficiency >99%)
Kapabilidad sa pag-limita ng short-circuit current

Ang mga kadahilanan ng pagkawala ng kakayahang ito ay kinabibilangan ng:

Malaking sukat at mabigat na timbang
Delikado sa harmonics at DC bias
Walang overload protection
Panganib sa apoy at kapaligiran

1.2 Definisyon at Pinagmulan ng Solid-State Transformers

Ang Solid-State Transformer (SST) ay isang alternatibo sa mga konbensiyonal na transformer batay sa teknolohiya ng power electronics, na may pinagmulan na nagbabalik sa konsepto ng "electronic transformer" ni McMurray noong 1968. Ang SSTs ay nagpapamalas ng voltage transformation at galvanic isolation sa pamamagitan ng Medium-Frequency (MF) isolation stage, habang nagbibigay din ng maraming intelligent control functions.

Ang basic structure ng isang SST ay kinabibilangan ng:

Medium-Voltage (MV) interface
Medium-Frequency (MF) isolation stage
Communication and control links

2. Mga Hamon sa Pagdisenyo ng SSTs

2.1 Hamon: Pag-handle ng Medium Voltage (MV)

Ang mga lebel ng medium-voltage (halimbawa, 10 kV) ay malayo pa sa voltage ratings ng umiiral na semiconductor devices (Si IGBTs hanggang 6.5 kV, SiC MOSFETs ~10–15 kV). Kaya, dapat tanggapin ang multi-cell (modular) o single-cell (high-voltage device) approach.

Ang mga abilidad ng multi-cell solutions:

Modular at redundant design
Multi-level output waveforms, na nagpapakonti ng filter requirements
Suporta para sa hot-swapping at fault tolerance

Ang mga abilidad ng single-cell solutions:

Mas simple na estruktura
Angkop para sa three-phase systems

2.2 Hamon: Pagpili ng Topology

Ang mga topology ng SST ay maaaring ikategorya bilang:

Isolated Front-End (IFE): Isolation bago ang rectification
Isolated Back-End (IBE): Rectification bago ang isolation
Matrix converter type: Direct AC-AC conversion
Modular Multilevel Converter (M2LC)

2.3 Hamon: Kapani-paniwan

Ang mga konbensiyonal na transformer ay lubhang kapani-paniwala, samantalang ang SSTs ay may maraming semiconductors, control circuits, at cooling systems, kaya ang kapani-paniwan ay isang mahalagang isyu. Ang papel ay ipinakilala ang Reliability Block Diagrams (RBD) at failure rate (λ in FIT) models, na nagpapahiwatig na ang redundancy ay maaaring lubos na mapabuti ang kapani-paniwan ng sistema.

2.4 Hamon: Medium-Frequency Isolated Power Converters

Ang mga karaniwang topologies ay kinabibilangan ng:

Dual Active Bridge (DAB): Ang power flow ay kontrolado sa pamamagitan ng phase shift, na nagbibigay ng soft switching
Half-Cycle Discontinuous Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): Nagpapakita ng ZCS/ZVS, na nagpapakita ng "DC transformer" characteristics

2.5 Hamon: Pagdisenyo ng Medium-Frequency Transformer

Ang mga medium-frequency transformers ay gumagana sa kHz-level frequencies, na may mga hamon tulad ng:

Mas maliit na magnetic core volume
Conflict sa pagitan ng insulation at thermal management
Hindi pantay na current distribution sa Litz wire

2.6 Hamon: Isolation Coordination

Ang mga medium-voltage units ay nangangailangan ng mataas na insulation to ground, kaya ang mga sumusunod ay kailangang isaalang-alang:

Combined 50 Hz power frequency at medium-frequency electric field stress
Dielectric losses at panganib ng localized overheating

2.7 Hamon: Electromagnetic Interference (EMI)

Ang common-mode currents na lumilikha sa MV switching ay maaaring umagos patungo sa lupa sa pamamagitan ng parasitic capacitance at kailangang suppresahan gamit ang common-mode chokes.

2.8 Hamon: Proteksyon

Ang SSTs ay kailangang i-handle ang overvoltage, overcurrent, lightning strikes, at short circuits. Ang mga tradisyunal na fuses at surge arresters ay nananatiling applicable ngunit dapat ipagsama sa electronic current limiting at energy absorption strategies.

2.9 Hamon: Kontrol

Ang mga sistema ng kontrol ng SST ay komplikado at nangangailangan ng hierarchical structure:

External control: Grid interaction, power dispatch
Internal control: Voltage/current regulation, redundancy management
Unit-level control: Modulation and protection

2.10 Hamon: Pagtatayo ng Modular Converters

Ang paggawa ng praktikal na MV modular systems ay kinabibilangan ng:

Insulation design
Cooling systems
Communication and auxiliary power
Mechanical structure and hot-swappable support

2.11 Hamon: Pagsubok ng MV Converters

Ang mga MV testing facilities ay komplikado at nangangailangan ng:

High-voltage, high-power sources/loads
High-precision measurement equipment (e.g., high-voltage differential probes)
Backup test strategies (e.g., back-to-back testing)

3. Applicability at Use Cases ng SSTs

3.1 Grid Applications

Ang SSTs ay maaaring gamitin sa power grids para sa:

Voltage regulation at reactive power compensation
Harmonic filtering at power quality improvement
DC interface integration (e.g., energy storage, photovoltaics)

Gayunpaman, kumpara sa mga konbensiyonal na Line Frequency Transformers (LFTs), ang SSTs ay nakakaharap sa isang "efficiency challenge":

LFT efficiency maaaring maabot ang 98.7%
Ang SSTs tipikal na maabot lamang ang ~96.3% dahil sa multi-stage conversion
Limitadong pagbawas sa sukat at timbang (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)
Significantly mas mataas na gastos (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Traction Applications

Ang mga sistema ng traction (halimbawa, electric locomotives) ay may mahigpit na mga requirement para sa sukat, timbang, at efficiency, kung saan ang SSTs ay nagbibigay ng malinaw na abilidad:

Malaking pagbawas sa sukat ng transformer sa pamamagitan ng mas mataas na operating frequencies (halimbawa, 20 kHz)
Dual optimization ng efficiency at pagbawas ng volume

3.3 DC-DC Applications

Sa mga DC systems (halimbawa, offshore wind power collection, data centers), ang SSTs ay ang tanging viable na isolation solution, dahil ang kanilang operating frequency ay maaaring malayuan pinili nang hindi nababawasan ng grid frequency.