Wat is een vaste toestandsvervormer? 2025Tech, Structuur & Principe uitgelegd

Noah

Veld: Ontwerp & Onderhoud

Australia

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

1.1 Fundamenten en beperkingen van conventionele transformatoren

Het artikel begint met een overzicht van de geschiedenis (bijv. Stanleys patent uit 1886) en de basisprincipes van conventionele transformatoren. Op basis van elektromagnetische inductie bestaan traditionele transformatoren uit siliciumstaalkernen, koper- of aluminium windingen en isolatie/koelsystemen (mineraalolie of droogtype). Ze werken op vaste frequenties (50/60 Hz of 16⅔ Hz), met vaste spanningstransformatierelaties, vermogensoverdrachtscapaciteiten en frequentie-eigenschappen.

Voordelen van conventionele transformatoren:

Lage kosten
Hoog betrouwbaarheid (efficiëntie >99%)
Kortsluitstroombeperkende capaciteit

Nadelen omvatten:

Grote afmetingen en zwaar gewicht
Gevoelig voor harmonischen en DC-bias
Geen overbelastingsbescherming
Brand- en milieu-risico's

1.2 Definitie en oorsprong van Solid-State Transformatoren

Een Solid-State Transformer (SST) is een alternatief voor conventionele transformatoren op basis van kracht elektronica technologie, met oorsprong die teruggaat tot McMurray's "elektronische transformer" concept in 1968. SSTs realiseren spanningstransformatie en galvanische isolatie door middel van een Middel-Frequentie (MF) isolatiestadium, terwijl ze ook meerdere intelligente controlefuncties bieden.

De basisstructuur van een SST omvat:

Medium-Voltage (MV) interface
Medium-Frequentie (MF) isolatiestadium
Communicatie- en controlelinks

2. Ontwerputdagingen van SSTs

2.1 Uitdaging: Omgaan met Medium Voltage (MV)

Medium-voltagespanningen (bijv. 10 kV) overschrijden verre de spanningratings van bestaande halfgeleiderapparatuur (Si IGBTs tot 6,5 kV, SiC MOSFETs ~10–15 kV). Daarom moet er ofwel een multi-cell (modulaire) of single-cell (hoogspanningsapparaat) benadering worden aangenomen.

Voordelen van multi-cell oplossingen:

Modulaire en redundante ontwerp
Multi-level output golfformen, wat filtervereisten vermindert
Ondersteuning voor hot-swapping en fouttolerantie

Voordelen van single-cell oplossingen:

Eenvoudiger structuur
Geschikt voor driefase systemen

2.2 Uitdaging: Topologiekennis

SST topologieën kunnen worden ingedeeld als:

Isolated Front-End (IFE): Isolatie voor rectificatie
Isolated Back-End (IBE): Rectificatie voor isolatie
Matrix converter type: Directe AC-AC conversie
Modular Multilevel Converter (M2LC)

2.3 Uitdaging: Betrouwbaarheid

Conventionele transformatoren zijn uiterst betrouwbaar, terwijl SSTs talrijke halfgeleiders, controlecircuits en koelsystemen bevatten, waardoor betrouwbaarheid een cruciale zorg is. Het artikel introduceert Reliability Block Diagrams (RBD) en faalrate (λ in FIT) modellen, waaruit blijkt dat redundantie de systeembetrouwbaarheid aanzienlijk kan verbeteren.

2.4 Uitdaging: Medium-Frequentie Geïsoleerde Energieconversoren

Gewone topologieën omvatten:

Dual Active Bridge (DAB): Vermogenstroom gecontroleerd via faseverschuiving, waardoor zachte schakeling mogelijk is
Half-Cycle Discontinuous Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): Bereikt ZCS/ZVS, toont "DC transformer" kenmerken

2.5 Uitdaging: Ontwerp van Medium-Frequentie Transformatoren

Medium-frequentie transformatoren werken op kHz-niveaufrequenties, waarbij uitdagingen zoals:

Kleinere magnetische kernvolume
Conflict tussen isolatie en thermisch beheer
Ongelijke stroomverdeling in Litz draad

2.6 Uitdaging: Coördinatie van Isolatie

Medium-voltage eenheden vereisen hoge isolatie naar de grond, waardoor rekening moet worden gehouden met:

Gecombineerde 50 Hz netfrequentie en medium-frequentie elektrisch veldstress
Dielectrische verliezen en risico op lokale oververhitting

2.7 Uitdaging: Elektromagnetische Interferentie (EMI)

Gemeenschappelijke stroomstromen die tijdens MV-schakeling worden gegenereerd, kunnen via parasitaire capaciteit naar de grond stromen en moeten worden onderdrukt met gemeenschappelijke moduschoke.

2.8 Uitdaging: Bescherming

SSTs moeten overvoltage, overcurrent, blikseminslag en kortsluiting aan kunnen. Traditionele smeltvegen en overvoltagebeveiliging blijven van toepassing, maar moeten worden gecombineerd met elektronische stroombeperking en energie-absorptiestrategieën.

2.9 Uitdaging: Controle

SST-controlesystemen zijn complex en vereisen een hiërarchische structuur:

Externe controle: Interactie met het net, vermogensdispatch
Interne controle: Spanning/stroomregeling, redundantiebeheer
Unit-niveau controle: Modulatie en bescherming

2.10 Uitdaging: Constructie van Modulaire Conversoren

Het bouwen van praktische MV-modulaire systemen omvat:

Isolatieontwerp
Koelsystemen
Communicatie en hulpkracht
Mechanische structuur en ondersteuning voor hot-swappable

2.11 Uitdaging: Testen van MV Conversoren

MV-testfaciliteiten zijn complex en vereisen:

Hoogspanning, hoogvermogens bronnen/belastingen
Hoge precisie meetapparatuur (bijv. hoogspanningsdifferentiële sondes)
Backup teststrategieën (bijv. back-to-back testing)

3. Toepasbaarheid en Use Cases van SSTs

3.1 Nettoepassingen

SSTs kunnen in energienetten worden gebruikt voor:

Spansingregeling en reactieve vermogenscompensatie
Harmonische filtering en verbetering van de energiekwaliteit
Integratie van DC-interface (bijv. energieopslag, fotovoltaïsche systemen)

Echter, vergeleken met conventionele Line Frequency Transformers (LFTs), staan SSTs voor een "efficiëntie-uitdaging":

LFT-efficiëntie kan 98,7% bereiken
SSTs bereiken meestal slechts ~96,3% wegens meervoudige conversie
Beperkte vermindering in grootte en gewicht (~2,6 m³ vs. 3,4 m³)
Aanzienlijk hogere kosten (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 Traction Toepassingen

Traction systemen (bijv. elektrische locomotieven) hebben strenge eisen qua grootte, gewicht en efficiëntie, waar SSTs duidelijke voordelen bieden:

Aanzienlijke vermindering van transformatorgrootte door hogere werkfrequenties (bijv. 20 kHz)
Dubbele optimalisatie van efficiëntie en volumevermindering

3.3 DC-DC Toepassingen

In DC-systemen (bijv. offshore windenergiecollectie, datacenters) zijn SSTs de enige haalbare isolatieoplossing, omdat hun werkfrequentie vrij kan worden gekozen zonder beperkt te worden door het netfrequentie.