Защо е трудно да се увеличи нивото на напрежението?
Твърдото трансформаторно устройство (SST), също известно като електронен преобразувател на мощност (PET), използва нивото на напрежението като ключов показател за техническата му зрелост и приложни сценарии. В момента SST-тата достигат нива на напрежение от 10 кВ и 35 кВ в средноволтовата разпределителна мрежа, докато високоволтовата страна на передаване остава в стадия на лабораторни изследвания и прототипно потвърждаване. Таблицата по-долу ясно илюстрира текущото състояние на нивата на напрежението в различни приложни сценарии:
| Приложен сценарий | Ниво на напрежение | Техническо състояние | Забележки и примери |
| Център за данни / Сграда | 10кВ | Комерсиално приложение | Има много зряли продукти. Например, CGIC предостави 10кВ/2,4МВ SST за центъра за данни "Източно цифрово и западно изчисление" в Гуйан. |
| Разпределителна мрежа / Парково ниво - демонстрация | 10кВ - 35кВ | Демонстрационен проект | Някои водещи предприятия са представили прототипи на 35кВ и провели демонстрации на свързване към мрежата, което е най-високото известно инженерно приложение до момента. |
| Сторона на предаване на енергийната система | > 110кВ | Лабораторен принципен прототип | Университети и научни институти (например Университет Цинхуа, Институт за глобална енергийна интернет) са развили прототипи с нива на напрежение от 110кВ и дори по-високи, но до момента не са открити комерсиални проекти. |
1. Защо е трудно да се увеличи нивото на напрежението?
Нивото на напрежението на твърдото трансформаторно устройство (SST) не може просто да бъде увеличено чрез наслаяване на компоненти; то е ограничено от редица основни технически предизвикателства:
1.1 Ограничение на устойчивостта към напрежение на силовите полупроводникови устройства
Това е основната бутилнока. В момента основните SST използват IGBT-та на база кремик или по-продвинати SiC MOSFET-и.
Нивото на напрежение на единичен SiC прибор обикновено е около 10 кВ до 15 кВ. За обработка на по-високи системни напрежения (например 35 кВ) трябва да се свържат в поредица множество прибори. Обаче, свързването в поредица въвежда сложни „въпроси на балансиранието на напрежението“, където дори малки разлики между приборите могат да доведат до несъответствие на напрежението и да доведат до отказ на модула.
1.2 Предизвикателства в технологията за изолация на високочестотни трансформатори
Основното преимущество на SST-тата се състои в намалени размери чрез работа на висока честота. Обаче, при високи честоти, производителността на изолационните материали и разпределението на електрическото поле стават изключително сложни. Колкото по-високо е нивото на напрежението, толкова по-строги са изискванията за дизайн, производствени процеси и термално управление на високочестотния трансформатор. Достигането на нива на напрежение от десетки кВ в ограничен пространство представлява значително предизвикателство в материалите и дизайна.
1.3 Комплексност на системния топология и контрол
За обработка на високи напрежения, SST-тата обикновено използват каскадни модулни топологии (например MMC - Модулни многониво преобразуватели). Колкото по-високо е нивото на напрежението, толкова по-голям брой подмодули са необходими, водейки до изключително сложна системна структура. Сложността на контрола нараства експоненциално, а цената и вероятността за отказ също нарастват.
2. Бъдещ перспективи
Въпреки значителните предизвикателства, технологичните пречупвания продължават:
Прогрес в устройствата: Прибори с високи напрежения SiC и GaN се разработват и представляват основата за постигане на SST с високи напрежения.
Иновации в топологията: Нови схемни топологии, като хибридни подходи (комбиниращи конвенционални трансформатори с преобразуватели на мощност), се считат за жизнеспособен път за бързи пречупвания в приложенията с високи напрежения.
Стандартизация: Като организации като IEE-Business започват да установяват стандарти, свързани с SST, това ще способстват за стандартизиран дизайн и тестове, ускорявайки технологичната зрелост.
3. Заключение
В момента 10 кВ SST-тата са влязли в комерсиално приложение, а 35 кВ нивото представлява най-високото постигнато в демонстрационни проекти, докато напрежения над 110 кВ остават в областта на перспективните технически изследвания. Прогресът на нивата на напрежението на твърдото трансформаторно устройство е постепенен процес, който зависи от координиран напредък в силовите полупроводници, науката за материали, теорията за управление и технологии за термално управление.
