Proč je obtížné zvýšit napěťovou úroveň?
Pevný stavový transformátor (SST), také známý jako elektronický transformátor (PET), používá úroveň napětí jako klíčový ukazatel své technologické zralosti a scénáře použití. V současné době SST dosáhly úrovně napětí 10 kV a 35 kV na středním distribučním bočníku, zatímco na vysokonapěťovém přenosovém bočníku se nacházejí stále ve fázi laboratorního výzkumu a validace prototypů. Následující tabulka jasně ilustruje současný stav úrovní napětí v různých scénářích použití:
| Scénář použití | Úroveň napětí | Technický stav | Poznámky a případy |
| Datové centrum / budova | 10kV | Komerciální použití | Existuje mnoho zralých produktů. Například CGIC poskytlo 10kV/2,4MW SST pro datové centrum "East Digital and West Calculation" v Gui'an. |
| Distribuční síť / demonstrační parková úroveň | 10kV - 35kV | Demonstrační projekt | Některé vedoucí podniky uvedly 35kV prototypy a provádějí propojené demonstrace, což je nejvyšší známá úroveň napětí pro inženýrské použití dosud. |
| Přenosový bočník elektrického systému | > 110kV | Laboratorní principiální prototyp | Univerzity a výzkumné instituty (např. Čchingchajská univerzita, Globální institut pro výzkum energetického internetu) vyvinuly prototypy s úrovní napětí 110kV a vyšší, ale dosud nebyly nalezeny žádné komerční projekty. |
1. Proč je obtížné zvýšit úroveň napětí?
Úroveň napětí pevného stavového transformátoru (SST) nelze jednoduše zvýšit tím, že by se složily komponenty; omezují ji řada základních technických výzev:
1.1 Omezení odolnosti vůči napětí u prvků pro elektroniku výkonu
Je to jádrové látkové hrdlo. V současnosti hlavní SST používají siliciové IGBT nebo pokročilejší karbidové křemíkové (SiC) MOSFETy.
Napěťové hodnocení jednoho SiC prvku běžně činí okolo 10 kV až 15 kV. Pro zpracování vyšších systémových napětí (např. 35 kV) musí být několik prvků spojeno v sérii. Avšak sériové spojení přináší komplexní problémy s "vyrovnáním napětí", kde i malé rozdíly mezi prvky mohou vést k nerovnoměrnému rozdělení napětí a selhání modulu.
1.2 Výzvy v oblasti izolační technologie vysokofrekvenčních transformátorů
Klíčovou výhodou SST je snížení velikosti prostřednictvím vysokofrekvenčního chodu. Avšak za vysokých frekvencí se výkon izolačních materiálů a distribuce elektrického pole stávají extrémně komplexními. Čím vyšší je úroveň napětí, tím přísnější jsou požadavky na návrh izolace, výrobní procesy a tepelné řízení vysokofrekvenčního transformátoru. Dosáhnout desítek kV úrovně vysokofrekvenční izolace v omezeném prostoru představuje významnou výzvu v oblasti materiálů a návrhu.
1.3 Složitost topologie systému a řízení
Pro zpracování vysokých napětí SST obvykle používají kaskádové modulární topologie (např. MMC—Modulární multijírový převodník). Čím vyšší je úroveň napětí, tím více submodulů je potřeba, což vede k extrémně komplexní struktuře systému. Obtížnost řízení roste exponenciálně a jak náklady, tak i míra poruch se zvýší odpovídajícím způsobem.
2. Budoucí výhled
I přes významné výzvy pokračují technologické průlomy:
Pokrok v oblasti prvků: Prvky s vyššími napěťovými hodnoceními SiC a dusíkem nitridem (GaN) jsou v rozvoji a představují základ pro dosažení SST s vyššími napětími.
Inovace v topologii: Nové obvodové topologie, jako jsou hybridní přístupy (kombinace konvenčních transformátorů s převodníky elektroniky výkonu), jsou považovány za životaschopnou cestu pro rychlé průlomy v oblasti vysokých napětí.
Standardizace: Jak organizace jako IEEE začínají upravovat standardy související s SST, toto bude podporovat standardizovaný návrh a testování, což urychlí technologickou zralost.
3. Závěr
V současné době 10 kV SST vstoupily do komerčního použití a 35 kV úroveň představuje nejvyšší dosaženou úroveň v demonstračních projektech, zatímco napěťové úrovně 110 kV a vyšší zůstávají v oblasti perspektivního technického výzkumu. Pokrok v úrovních napětí SST je postupný proces, který závisí na koordinovaném pokroku v oblasti polovodičů pro elektroniku výkonu, materiálové vědy, teorie řízení a technologií tepelného řízení.
