จากวิจัยสู่การใช้งาน: การก้าวกระโดดทางนวัตกรรมในการพัฒนาทรานสฟอร์เมอร์แบบโซลิดสเตทในสหราชอาณาจักร

I. ภาพรวมของ Solid-State Transformers (SST)

Solid-State Transformer (SST) เป็นอุปกรณ์แปลงพลังงานขั้นสูงที่ผสานรวมชิ้นส่วนกึ่งตัวนำ ทรานสฟอร์เมอร์ความถี่สูง และวงจรควบคุม

เมื่อเทียบกับทรานสฟอร์เมอร์แบบดั้งเดิม SST รองรับการแปลง AC/AC, AC/DC, และ DC/DC และมีข้อดีเช่น การไหลของพลังงานสองทาง การควบคุมอัจฉริยะ และการออกแบบที่กะทัดรัด โครงสร้างหลักของ SST ประกอบด้วย โครงสร้างระดับเดียว สองระดับ (พร้อมลิงค์ LVDC หรือ HVDC) และสามระดับ ซึ่งแต่ละแบบเหมาะสมสำหรับสถานการณ์การใช้งานเฉพาะ

II. ข้อดีของ SST

• ขนาดเล็กและน้ำหนักเบา: การทำงานในความถี่สูงลดปริมาณลงได้ถึง 80%

• ประสิทธิภาพสูง: มีขั้นตอนการแปลงน้อยและรองรับการเชื่อมต่อ DC ตรง

• เข้ากันได้กับระบบไฟฟ้าอัจฉริยะ: สามารถตรวจสอบแบบเรียลไทม์ ควบคุมแรงดัน ชดเชยกำลัง реакทีฟ และแยกข้อผิดพลาด

• ผสานรวมกับพลังงานหมุนเวียนและการเก็บพลังงาน: เชื่อมต่อโดยตรงกับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ลม และแบตเตอรี่

• เหมาะสมสำหรับตลาดที่เติบโตอย่างรวดเร็ว: เช่น การชาร์จรถไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว ศูนย์ข้อมูล และรถไฟฟ้า

III. สาขาการประยุกต์ใช้

• ระบบไฟฟ้า: เพิ่มความยืดหยุ่นของระบบไฟฟ้า รองรับการไหลของพลังงานสองทาง และผสานรวมแหล่งพลังงานกระจาย

• การชาร์จรถไฟฟ้า (EV): รองรับการชาร์จความเร็วสูง (350kW+) ฟังก์ชัน Vehicle-to-Grid (V2G) และการผสานรวมพลังงานหมุนเวียนโดยตรง

• รถไฟฟ้า: แทนที่ทรานสฟอร์เมอร์แบบดั้งเดิม ลดน้ำหนักและเพิ่มประสิทธิภาพ

• ศูนย์ข้อมูล: ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ลดความต้องการในการทำความเย็น และสนับสนุนการผสานรวมพลังงานหมุนเวียน

• ทะเลและอากาศยาน: ผลักดันการเปลี่ยนแปลงไปสู่ระบบไฟฟ้าและลดการปล่อยคาร์บอน

IV. ความท้าทายทางเทคนิค

• ต้นทุนสูง: ต้นทุนของ SST สูงกว่าทรานสฟอร์เมอร์แบบดั้งเดิม 5–10 เท่า

• ปัญหาเรื่องความน่าเชื่อถือ: ความสามารถในการทนทานต่อกระแสไฟฟ้าลัดวงจรต่ำ และชิ้นส่วนกึ่งตัวนำไวต่อแรงดันไฟฟ้า

• การรบกวน EMI: การสวิตช์ความถี่สูงทำให้เกิดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า ต้องใช้การออกแบบฟิลเตอร์ที่ซับซ้อน

• การฉนวนและบริหารความร้อน: ประสิทธิภาพของวัสดุฉนวนภายใต้ความถี่สูงยังไม่ได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่

• การขับเคลื่อนและป้องกันเกต: การออกแบบซับซ้อน ต้องใช้การแยกและควบคุมความแม่นยำสูง

V. โอกาสทางตลาดในสหราชอาณาจักร

• การปรับปรุงระบบไฟฟ้า: สหราชอาณาจักรมีสถานีไฟฟ้าประมาณ 585,000 แห่ง ซึ่ง 230,000 สถานีกระจายไฟฟ้าสามารถได้ประโยชน์จาก SST

• เป้าหมายพลังงานหมุนเวียน: เป้าหมายปี 2030 รวมถึงพลังงานลมนอกชายฝั่ง 50GW และพลังงานแสงอาทิตย์ 47GW

• โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จ EV: คาดว่าจะต้องการเสาชาร์จสาธารณะ 300,000 แห่งภายในปี 2030 และตลาดการชาร์จความเร็วสูงมีศักยภาพสูง

• การไฟฟ้าราง: ต้องการเปลี่ยนเครื่องยนต์ดีเซลประมาณ 2,880 คัน และศักยภาพตลาด SST มากกว่า 30 ล้านปอนด์

• การเติบโตของศูนย์ข้อมูล: ความต้องการพลังงานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และ SST สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานและความยืดหยุ่น

VII. บทบาทของ CSA Catapult

• ให้การสนับสนุนทางเทคนิคแบบครบวงจรสำหรับ SST รวมถึงการออกแบบ การจำลอง และการตรวจสอบต้นแบบ

• นำโครงการเช่น ASSIST เพื่อส่งเสริมการพัฒนาโซ่อุปทาน Si อุปกรณ์แรงดันสูงภายในประเทศสหราชอาณาจักร

• มีความสามารถหลัก ได้แก่ การปรับแต่งหลายเป้าหมาย การบรรจุขั้นสูง และการบริหารความร้อน