Ano ang Solid-State Transformer? 2025Tech IEE-Business, Ipinahayag ang Struktura at mga Prinsipyo

Noah

Larangan: Diseño at Pagpapanatili

Australia

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

1.1 Pundamental at Limitasyon ng mga Konbensyonal na Transformer

Una sa artikulong ito ay isinasalaysay ang kasaysayan (halimbawa, ang patakaran ni Stanley noong 1886) at mga pangunahing prinsipyo ng mga konbensyonal na transformer. Batay sa elektromagnetikong induksyon, ang mga tradisyunal na transformer ay binubuo ng mga nukleo ng silicon steel, copper o aluminum windings, at mga sistema ng insulasyon/pagpapalamig (mineral oil o dry-type). Ito ay gumagana sa tiyak na frekwensiya (50/60 Hz o 16⅔ Hz), na may tiyak na ratio ng pagbabago ng voltage, kakayahang magpasa ng kapangyarihan, at katangian ng frekwensiya.

Ang mga benepisyo ng mga konbensyonal na transformer:

Mababang gastos
Matataas na reliabilidad (efficiency >99%)
Kakayahang limitahan ang short-circuit current

Ang mga di-benepisyo ay kinabibilangan ng:

Malaking sukat at mabigat na timbang
Sensibilidad sa harmonics at DC bias
Walang proteksyon laban sa overload
Panganib sa apoy at kapaligiran

1.2 Definisyon at Pinagmulan ng Solid-State Transformers

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

Ang pangunahing istraktura 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 mga SST

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

Ang mga lebel ng medium-voltage (halimbawa, 10 kV) ay malayo pa sa rating ng voltage 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 benepisyo ng multi-cell solutions:

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

Ang mga benepisyo ng single-cell solutions:

Mas simple na istraktura
Sapat 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: Direkta AC-AC conversion
Modular Multilevel Converter (M2LC)

2.3 Hamon: Reliability

Ang mga konbensyonal na transformer ay napakatalino, samantalang ang mga SST ay may maraming semiconductors, control circuits, at cooling systems, na nagpapahalaga ng reliabilidad bilang isang mahalagang isyu. Ang papel ay ipinakilala ang Reliability Block Diagrams (RBD) at failure rate (λ in FIT) models, na nagpapakita na ang redundancy ay maaaring lubos na mapabuti ang reliabilidad ng sistema.

2.4 Hamon: Medium-Frequency Isolated Power Converters

Ang karaniwang topologies ay kinabibilangan ng:

Dual Active Bridge (DAB): Ang pagkontrol ng power flow sa pamamagitan ng phase shift, na nagbibigay ng soft switching
Half-Cycle Discontinuous Mode Series Resonant Converter (HC-DCM SRC): Nagtatamo 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
Kontradyeksiyon sa pagitan ng insulation at thermal management
Hindi pantay na distribusyon ng current sa Litz wire

2.6 Hamon: Isolation Coordination

Ang mga unit ng medium-voltage nangangailangan ng mataas na insulation to ground, na nangangailangan ng pagtingin sa:

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 mga common-mode currents na lumilikha sa MV switching ay maaaring tumakbo patungo sa lupa sa pamamagitan ng parasitic capacitance at dapat suppresion gamit ang common-mode chokes.

2.8 Hamon: Proteksyon

Ang mga SSTs ay dapat handlin ang overvoltage, overcurrent, lightning strikes, at short circuits. Ang mga tradisyonal na fuses at surge arresters ay nananatiling applicable pero dapat kombinado 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: Pagbuo 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 pasilidad para sa pagsubok ng MV 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 mga SSTs

3.1 Grid Applications

Ang mga SSTs ay maaaring gamitin sa mga power grids para sa:

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

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

LFT efficiency can reach 98.7%
SSTs typically achieve only ~96.3% due to multi-stage conversion
Limited reduction in size and weight (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)
Significantly higher cost (>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 efisiensiya, kung saan ang mga SSTs ay nagbibigay ng malinaw na benepisyo:

Significantly reduced transformer size through higher operating frequencies (e.g., 20 kHz)
Dual optimization of efficiency and volume reduction

3.3 DC-DC Applications

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