Per què és difícil augmentar el nivell de tensió?
El transformador de estado sòlid (SST), també conegut com a transformador electrònic de potència (PET), utilitza el nivell de tensió com a indicador clau de la seva maduresa tecnològica i els escenaris d'aplicació. Actualment, els SST han assolit nivells de tensió de 10 kV i 35 kV en el costat de distribució de mitja tensió, mentre que en el costat de transmissió d'alta tensió, encara es troben en la fase de recerca en laboratori i validació de prototips. La taula següent il·lustra clarament l'estat actual dels nivells de tensió en diferents escenaris d'aplicació:
| Escenari d'Aplicació | Nivell de Tensió | Estat Tècnic | Notes i Casos |
| Centre de Dades / Edifici | 10kV | Aplicació Comercial | Hi ha molts productes madurs. Per exemple, CGIC va proporcionar un SST de 10kV/2,4MW per al Centre de Dades de Gui'an "East Digital and West Calculation". |
| Xarxa de Distribució / Demostració a Nivell de Parc | 10kV - 35kV | Projecte de Demostració | Algunes empreses líderes han llançat prototips de 35kV i han realitzat demostracions connectades a la xarxa, que és el nivell de tensió més alt conegut per a aplicacions enginyerístiques fins ara. |
| Costat de Transmissió del Sistema Elèctric | > 110kV | Prototip de Principi en Laboratori | Universitats i instituts de recerca (com la Universitat Tsinghua, Institut Global de Recerca de la Xarxa Energètica) han desenvolupat prototips amb nivells de tensió de 110kV i encara més alts, però no s'han trobat projectes comercials fins ara. |
1. Per què és difícil augmentar el nivell de tensió?
El nivell de tensió d'un transformador de estado sòlid (SST) no es pot augmentar simplement apilant components; està limitat per una sèrie de reptes tècnics fonamentals:
1.1 Limitació de la resistència a la tensió dels dispositius semiconductors de potència
Això és el coll d'ampolla central. Actualment, els SST principals utilitzen IGBT basats en silici o MOSFET de carbide de silici (SiC) més avançats.
La classificació de tensió d'un sol dispositiu SiC és típicament d'uns 10 kV a 15 kV. Per gestionar tensions sistèmiques més altes (per exemple, 35 kV), cal connectar diversos dispositius en sèrie. No obstant això, la connexió en sèrie introdueix problemes complexes de "equilibri de tensió", on fins i tot les petites diferències entre dispositius poden portar a un desequilibri de tensió i resultar en un fallament del mòdul.
1.2 Reptes en la tecnologia d'aislament dels transformadors de alta freqüència
La principal avantatge dels SST resideix en la reducció de la mida a través de l'operació a alta freqüència. No obstant això, sota freqüències altes, el rendiment dels materials aïllants i la distribució del camp elèctric esdeven extremadament complex. Quan més alt sigui el nivell de tensió, més estrictes seran els requisits per al disseny d'aislament, els processos de fabricació i la gestió tèrmica del transformador de alta freqüència. Assolir aïllaments de tensió de dezenes de kV en un espai limitat representa un repte significatiu en materials i disseny.
1.3 Complexitat de la topologia del sistema i el control
Per gestionar tensions altes, els SST adopten sovint topologies modulars en cascada (per exemple, MMC—Convertidor Modular Multinivell). Quan més alt sigui el nivell de tensió, més sub-mòduls són necessaris, llevant a una estructura de sistema extremadament complexa. La dificultat de control augmenta exponencialment, i tant el cost com la taxa de fallada augmenten en consecuencia.
2. Perspectiva Futura
A pesar dels reptes significatius, les ruptures tecnològiques continuen:
Avanç en dispositius: Es desenvolupen dispositius SiC i de nitrur de galetes (GaN) amb tensions més altes, que representen la base per a l'assoliment d'SST amb tensions més altes.
Innovació en topologia: Noves topologies de circuit, com aproximacions híbrides (que combinen transformadors convencionals amb convertidors electrònics de potència), es consideren una via viable per a ràpides ruptures en aplicacions d'alta tensió.
Estandardització: A mesura que organitzacions com l'IEEE comencen a establir estàndards relacionats amb els SST, això promoureix el disseny i la prova estandarditzats, accelerant la maduresa tecnològica.
3. Conclusió
Actualment, els SST de 10 kV han entrat en aplicació comercial, i el nivell de 35 kV representa el nivell més alt assolit en projectes de demostració, mentre que els nivells de tensió de 110 kV i superiors encara es troben en la investigació tècnica prospectiva. L'avancé en els nivells de tensió dels transformadors de estado sòlid és un procés gradual que depèn del progrés coordinat en semiconductors de potència, ciència de materials, teoria de control i tecnologies de gestió tèrmica.
