Od badań do wdrożenia: Skok innowacyjny w rozwoju brytyjskiego transformatora stałe stanowego

I. Przegląd transformatorów stanu stałego (SST)

Transformator stanu stałego (SST) to zaawansowane urządzenie do przetwarzania energii, które integruje półprzewodniki mocy, transformatory wysokiej częstotliwości i obwody sterujące.

W porównaniu z tradycyjnymi transformatorami SST obsługuje konwersje AC/AC, AC/DC i DC/DC, oraz cechuje się takimi zaletami jak dwukierunkowy przepływ mocy, inteligentne sterowanie i kompaktowa konstrukcja. Jego główne topologie obejmują jednoetapowe, dwuetapowe (z połączeniami LVDC lub HVDC) i trzyetapowe struktury, każda odpowiednia dla określonych scenariuszy zastosowania.

II. Zalety SST

• Kompaktowy rozmiar i niewielka waga: Wysoka częstotliwość pracy zmniejsza objętość o do 80%.

• Wysoka efektywność: Mniejsza liczba etapów konwersji i wsparcie dla bezpośredniego połączenia DC.

• Zgodność z inteligentną siecią: Umożliwia monitorowanie w czasie rzeczywistym, regulację napięcia, korekcję mocy bierną i izolację uszkodzeń.

• Integracja z odnawialnymi źródłami energii i systemami magazynowania: Bezpośrednie połączenie z systemami słonecznymi, wiatrowymi i bateriowymi.

• Odpowiedni dla szybko rosnących rynków: Takich jak szybkie ładowanie pojazdów elektrycznych, centra danych i transport kolejowy.

III. Dziedziny zastosowania

• Sieć energetyczna: Zwiększa elastyczność sieci, wspiera dwukierunkowy przepływ mocy i integruje rozproszone źródła energii.

• Ładowanie pojazdów elektrycznych (EV): Umożliwia nadzwyczaj szybkie ładowanie (350kW+), funkcjonalność Vehicle-to-Grid (V2G) i bezpośrednią integrację odnawialnych źródeł energii.

• Transport kolejowy: Zastępuje tradycyjne transformatory napędowe, zmniejszając wagę i poprawiając efektywność.

• Centra danych: Poprawiają efektywność energetyczną, zmniejszają wymagania chłodzące i wspierają integrację odnawialnych źródeł energii.

• Marine i lotnictwo: Popycha transformację elektromobilności i zmniejsza emisje CO2.

IV. Wyzwania techniczne

• Wysoki koszt: Koszt SST jest 5–10 razy wyższy niż tradycyjnych transformatorów.

• Problemy z niezawodnością: Słaba odporność na krótkie zwarcia, a urządzenia półprzewodnikowe są podatne na stres napięciowy.

• Interferencja EMI: Wysokoczęstotliwościowe przełączanie powoduje interferencję elektromagnetyczną, co wymaga skomplikowanego projektu filtrów.

• Izolacja i zarządzanie termicznym: Właściwości materiałów izolacyjnych przy wysokich częstotliwościach nie zostały jeszcze w pełni opanowane.

• Sterowanie bramkowe i ochrona: Projekt jest skomplikowany, wymaga izolacji i precyzyjnego sterowania.

V. Okazje rynkowe w Wielkiej Brytanii

• Modernizacja sieci: W Wielkiej Brytanii znajduje się około 585 000 stacji transformatorowych, z których 230 000 stacji dystrybucyjnych może skorzystać z SST.

• Cele dotyczące odnawialnych źródeł energii: Cele na 2030 roku obejmują 50 GW mocy wiatrowej morskiej i 47 GW mocy słonecznej.

• Infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych: Szacuje się, że do 2030 roku będzie potrzebnych 300 000 publicznych punktów ładowania, a rynek nadzwyczaj szybkiego ładowania ma ogromny potencjał.

• Elektryfikacja kolei: Około 2 880 lokomotyw spalinowych ma zostać zastąpionych, a potencjał rynku SST przekracza 30 milionów funtów.

• Rozwój centrów danych: Popyt na energię stale rośnie, a SST może poprawić efektywność energetyczną i elastyczność.

VII. Rola CSA Catapult

• Zapewnia kompleksowe wsparcie techniczne dla SST, w tym projektowanie, symulacje i weryfikację prototypów.

• Przewodzi projektom, takim jak ASSIST, aby promować rozwój krajowego łańcucha dostaw urządzeń wysokiego napięcia Si w Wielkiej Brytanii.

• Posiada kluczowe kompetencje, w tym wielocelową optymalizację, zaawansowane pakowanie i zarządzanie termicznym.