Vad är en fasttillståndstransformator? 2025Tech Struktur & principer förklarade

Fält: Design & Underhåll

Australia

1. Vad är en Solid-State Transformer (SST)?

1.1 Grundläggande och begränsningar hos konventionella transformer

Artikeln börjar med att granska historien (t.ex. Stanleys patent från 1886) och de grundläggande principerna för konventionella transformer. Baserat på elektromagnetisk induktion består traditionella transformer av siliciumstålkeror, koppar- eller aluminiumvindningar, samt isolerings-/kylsystem (mineralolja eller torrtransformator). De fungerar vid fast frekvens (50/60 Hz eller 16⅔ Hz), med fasta spänningsförhållanden, effektöverföringskapacitet och frekvenskarakteristika.

Fördelar med konventionella transformer:

Låg kostnad
Hög tillförlitlighet (effektivitet >99%)
Kortslutningsströmbegränsning

Nackdelar inkluderar:

Stor storlek och tung vikt
Känsliga för harmoniska och DC-förskjutning
Ingen överbelastningskydd
Brand- och miljörisker

1.2 Definition och ursprung av Solid-State Transformers

En Solid-State Transformer (SST) är ett alternativ till konventionella transformer baserat på strömförings-teknologi, med ursprung som spårar tillbaka till McMurrays "elektroniska transformer" koncept från 1968. SST uppnår spänningsomvandling och galvanisk isolering genom en mellanfrekvensisoleringssked, samtidigt som den också erbjuder flera intelligenta kontrollfunktioner.

Grundläggande struktur av en SST inkluderar:

Medelspänning (MV)-gränssnitt
Mellanfrekvens (MF)-isoleringssked
Kommunikations- och kontrolllänkar

2. Designutmaningar för SST:er

2.1 Utmaning: Hantering av medelspänning (MV)

Medelspänningsnivåer (t.ex. 10 kV) ligger långt över spänningsklassificeringen för befintliga halvledardelelement (Si IGBTs upp till 6,5 kV, SiC MOSFETs ~10–15 kV). Därför måste antingen en flercellig (modulär) eller enencellig (högspänningsdelelement) lösning antas.

Fördelar med flercelliga lösningar:

Modulär och redundant design
Flernivåutgångsvågor, vilket minskar filterkrav
Stöd för varmväxling och fel tolerans

Fördelar med enencelliga lösningar:

Enklare struktur
Lämplig för trefas-system

2.2 Utmaning: Topologival

SST-topologier kan kategoriseras som:

Isolerad front-end (IFE): Isolering innan rektifiering
Isolerad back-end (IBE): Rektifiering innan isolering
Matrixkonverterartyp: Direkt AC-AC-konvertering
Modulär multinitiva konverter (M2LC)

2.3 Utmaning: Tillförlitlighet

Konventionella transformer är extremt tillförlitliga, medan SST:er innehåller många halvledardelelement, kontrollkretsar och kylningsystem, vilket gör tillförlitligheten till en viktig fråga. Artikeln introducerar tillförlitlighetsblockdiagram (RBD) och feilhastighetsmodeller (λ i FIT), vilket indikerar att redundans kan betydligt förbättra systemets tillförlitlighet.

2.4 Utmaning: Mellanfrekvensisolering av strömföringskonverterare

Vanliga topologier inkluderar:

Dual Active Bridge (DAB): Strömflöde styrs via fasförskjutning, vilket möjliggör mjuk kommutering
Half-Cycle Discontinuous Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): Uppnår ZCS/ZVS, visar "DC-transformator"-egenskaper

2.5 Utmaning: Design av mellanfrekvenstransformer

Mellanfrekvenstransformer fungerar vid kHz-nivåfrekvenser, vilket ger utmaningar som:

Mindre magnetisk kerovolym
Konflikt mellan isolering och termisk hantering
Ojämn strömfordelning i Litz-tråd

2.6 Utmaning: Isoleringssamordning

Medelspänningsenheter kräver hög isolering mot mark, vilket kräver beaktande av:

Kombinerat 50 Hz nätfrekvens och mellanfrekvens elektriskt fältstress
Dielektriska förluster och risk för lokal överhettning

2.7 Utmaning: Elektromagnetisk störning (EMI)

Genererade gemensamma läge-strömmar under MV-kommutering kan flöda till mark genom parasit kapacitans och måste dämpas med hjälp av gemensamma läge-choker.

2.8 Utmaning: Skydd

SST:er måste hantera överspänning, överströmning, blixtnedslag och kortslutning. Traditionella säkringar och överspanningsbeskyddare är fortfarande tillämpliga men bör kombineras med elektroniska strömbegränsnings- och energiabsorptionstrategier.

2.9 Utmaning: Kontroll

SST-kontrollsystem är komplexa och kräver en hierarkisk struktur:

Extern kontroll: Nätinteraktion, effektuttag
Intern kontroll: Spänning/strömsreglering, redundancy-hantering
Enhetskontroll: Modulation och skydd

2.10 Utmaning: Byggnad av modulära konverterare

Att bygga praktiska MV-modulära system involverar:

Isoleringdesign
Kylningsystem
Kommunikation och hjälpström
Mekanisk struktur och stöd för varmväxling

2.11 Utmaning: Test av MV-konverterare

MV-testfaciliteter är komplexa och kräver:

Högspänning, högeffektkällor/belastningar
Högprecision mätutrustning (t.ex. högspänning differentiella sondor)
Reserve teststrategier (t.ex. back-to-back-testning)

3. Applicabilitet och användningsfall för SST:er

3.1 Nätapplikationer

SST:er kan användas i strömnät för:

Spänningsreglering och reaktiv effektkompensation
Harmonisk filtrering och förbättring av strömkvalitet
DC-gränssnittintegration (t.ex. energilagring, fotovoltaik)

Men jämfört med konventionella linje-frekvens-transformatorer (LFT:er) står SST:er inför en "effektivitetsutmaning":

LFT-effektivitet kan nå 98,7%
SST:er når vanligtvis bara ~96,3% på grund av flernivåkonvertering
Begränsad minskning av storlek och vikt (~2,6 m³ vs. 3,4 m³)
Signifikant högre kostnad (>52 700 USD vs. 11 300 USD)

3.2 Traction Applications

Tractionssystem (t.ex. elektriska lokomotiv) har strikta krav på storlek, vikt och effektivitet, där SST:er erbjuder tydliga fördelar:

Signifikant minskad transformatorstorlek genom högre driftfrekvenser (t.ex. 20 kHz)
Dubbel optimering av effektivitet och volymreduktion

3.3 DC-DC Applications

I DC-system (t.ex. havsbaserad vindkraftsamling, datacenter) är SST:er det enda rimliga isoleringsalternativet, eftersom deras driftfrekvens kan väljas fritt utan att begränsas av nätets frekvens.