Transformer Rắn là gì? 2025Tech, Cấu trúc và Nguyên lý được Giải thích

Noah

Trường dữ liệu: Thiết kế & Bảo trì

Australia

1. Solid-State Transformer (SST) là gì?

1.1 Nguyên lý cơ bản và hạn chế của biến áp truyền thống

Bài viết đầu tiên xem xét lịch sử (ví dụ: bằng sáng chế năm 1886 của Stanley) và nguyên tắc cơ bản của biến áp truyền thống. Dựa trên cảm ứng điện từ, biến áp truyền thống bao gồm lõi thép silic, cuộn dây đồng hoặc nhôm, và hệ thống cách điện/làm mát (dầu khoáng hoặc loại khô). Chúng hoạt động ở tần số cố định (50/60 Hz hoặc 16⅔ Hz), với tỷ lệ biến đổi điện áp cố định, khả năng truyền tải công suất và đặc tính tần số.

Ưu điểm của biến áp truyền thống:

Giá thành thấp
Độ tin cậy cao (hiệu suất >99%)
Khả năng hạn chế dòng điện ngắn mạch

Nhược điểm bao gồm:

Kích thước lớn và trọng lượng nặng
Dễ bị ảnh hưởng bởi sóng hài và sự chệch pha DC
Không có bảo vệ quá tải
Rủi ro cháy nổ và môi trường

1.2 Định nghĩa và nguồn gốc của Solid-State Transformers

Solid-State Transformer (SST) là một giải pháp thay thế cho biến áp truyền thống dựa trên công nghệ điện tử công suất, với nguồn gốc追溯到1968年McMurray提出的“电子变压器”概念。SST通过中频（MF）隔离阶段实现电压转换和电气隔离，同时还提供多种智能控制功能。基本结构包括： - 中压（MV）接口 - 中频（MF）隔离阶段 - 通信和控制链路由于原文要求翻译为越南语，以下是继续的翻译：

Solid-State Transformer (SST) là một giải pháp thay thế cho biến áp truyền thống dựa trên công nghệ điện tử công suất, với nguồn gốc bắt nguồn từ khái niệm "biến áp điện tử" của McMurray vào năm 1968. SST đạt được chuyển đổi điện áp và cách ly điện galvanic thông qua giai đoạn cách ly Tần số trung bình (MF), đồng thời cung cấp nhiều chức năng điều khiển thông minh.

Cấu trúc cơ bản của SST bao gồm:

Giao diện Trung áp (MV)
Giai đoạn cách ly Tần số trung bình (MF)
Liên kết giao tiếp và điều khiển

2. Thách thức thiết kế của SSTs

2.1 Thách thức: Xử lý Trung áp (MV)

Cấp điện áp trung bình (ví dụ: 10 kV) vượt xa giới hạn điện áp của các thiết bị bán dẫn hiện tại (Si IGBT lên đến 6.5 kV, SiC MOSFET ~10–15 kV). Do đó, phải áp dụng phương pháp đa ô (modular) hoặc đơn ô (thiết bị điện áp cao).

Ưu điểm của giải pháp đa ô:

Thiết kế mô đun và dự phòng
Đa mức tín hiệu đầu ra, giảm yêu cầu lọc
Hỗ trợ tháo lắp nóng và chịu lỗi

Ưu điểm của giải pháp đơn ô:

Cấu trúc đơn giản hơn
Phù hợp cho hệ thống ba pha

2.2 Thách thức: Chọn cấu hình

Cấu hình SST có thể được phân loại như sau:

Đầu vào cách ly (IFE): Cách ly trước chỉnh lưu
Đầu ra cách ly (IBE): Chỉnh lưu trước cách ly
Loại bộ chuyển đổi ma trận: Chuyển đổi trực tiếp AC-AC
Bộ chuyển đổi đa mức mô đun (M2LC)

2.3 Thách thức: Độ tin cậy

Biến áp truyền thống cực kỳ tin cậy, trong khi SST bao gồm nhiều bán dẫn, mạch điều khiển và hệ thống làm mát, khiến độ tin cậy trở thành vấn đề quan trọng. Bài viết giới thiệu Sơ đồ Khối Tin cậy (RBD) và mô hình tỷ lệ hỏng (λ theo FIT), cho thấy rằng việc dự phòng có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy của hệ thống.

2.4 Thách thức: Bộ chuyển đổi điện cách ly tần số trung bình

Các cấu hình phổ biến bao gồm:

Cầu đôi hoạt động (DAB): Điều khiển dòng điện thông qua dịch chuyển pha, cho phép chuyển đổi mềm
Chuyển đổi cộng hưởng chuỗi nửa chu kỳ không liên tục (HC-DCM SRC): Đạt được ZCS/ZVS, thể hiện đặc tính "biến áp DC"

2.5 Thách thức: Thiết kế biến áp tần số trung bình

Biến áp tần số trung bình hoạt động ở tần số kHz, đối mặt với các thách thức như:

Thể tích lõi từ nhỏ hơn
Xung đột giữa cách điện và quản lý nhiệt
Phân phối dòng điện không đều trong dây Litz

2.6 Thách thức: Điều phối cách ly

Các đơn vị trung áp yêu cầu cách điện cao với đất, đòi hỏi cần xem xét:

Áp lực điện trường kết hợp tần số 50 Hz và tần số trung bình
Mất mát điện môi và nguy cơ nóng cục bộ

2.7 Thách thức: Sóng nhiễu điện từ (EMI)

Dòng điện chung được tạo ra trong quá trình chuyển mạch trung áp có thể chảy xuống đất thông qua điện dung ký sinh và phải được ức chế bằng cách sử dụng choke chung.

2.8 Thách thức: Bảo vệ

SST phải xử lý quá áp, quá dòng, sét đánh và ngắn mạch. Các cầu chì và arrester truyền thống vẫn có thể áp dụng nhưng nên kết hợp với các chiến lược hạn chế dòng điện điện tử và hấp thụ năng lượng.

2.9 Thách thức: Điều khiển

Hệ thống điều khiển SST phức tạp và yêu cầu cấu trúc phân cấp:

Điều khiển bên ngoài: Tương tác lưới, điều độ công suất
Điều khiển nội bộ: Điều chỉnh điện áp/dòng điện, quản lý dự phòng
Điều khiển cấp đơn vị: Điều chế và bảo vệ

2.10 Thách thức: Xây dựng bộ chuyển đổi mô đun

Xây dựng các hệ thống mô đun trung áp thực tế bao gồm:

Thiết kế cách điện
Hệ thống làm mát
Giao tiếp và nguồn phụ trợ
Cấu trúc cơ khí và hỗ trợ tháo lắp nóng

2.11 Thách thức: Kiểm tra bộ chuyển đổi trung áp

Các cơ sở kiểm tra trung áp phức tạp và yêu cầu:

Nguồn/tải điện áp cao, công suất cao
Thiết bị đo lường chính xác cao (ví dụ: đầu dò điện áp chênh lệch cao)
Chiến lược kiểm tra dự phòng (ví dụ: kiểm tra đối xứng)

3. Phạm vi áp dụng và trường hợp sử dụng của SSTs

3.1 Ứng dụng trong lưới điện

SST có thể được sử dụng trong lưới điện để:

Điều chỉnh điện áp và bù công suất phản kháng
Lọc sóng hài và cải thiện chất lượng điện
Tích hợp giao diện DC (ví dụ: lưu trữ năng lượng, quang điện)

Tuy nhiên, so với Biến áp tần số đường dây (LFT) truyền thống, SST đối mặt với "thách thức hiệu suất":

Hiệu suất LFT có thể đạt 98,7%
SST thường chỉ đạt khoảng ~96,3% do chuyển đổi đa giai đoạn
Giảm kích thước và trọng lượng có hạn (~2,6 m³ so với 3,4 m³)
Chi phí cao hơn đáng kể (>52.7k USD so với 11.3k USD)

3.2 Ứng dụng trong ngành vận tải

Hệ thống vận tải (ví dụ: tàu điện) có yêu cầu nghiêm ngặt về kích thước, trọng lượng và hiệu suất, nơi SST mang lại lợi ích rõ rệt:

Giảm đáng kể kích thước biến áp thông qua tần số hoạt động cao hơn (ví dụ: 20 kHz)
Tối ưu hóa kép hiệu suất và giảm thể tích

3.3 Ứng dụng DC-DC

Trong các hệ thống DC (ví dụ: thu thập năng lượng gió ngoại vi, trung tâm dữ liệu), SST là giải pháp cách ly duy nhất khả thi, vì tần số hoạt động của chúng có thể được chọn tự do mà không bị ràng buộc bởi tần số lưới.