Warum ist es schwierig, die Spannungsebene zu erhöhen?
Der Festkörperfrequenzwandler (SST), auch bekannt als elektronischer Leistungswandler (PET), verwendet die Spannungsebene als wichtiges Indikator für seine technologische Reife und Anwendungsszenarien. Derzeit haben SSTs auf der mittelspannungstechnischen Verteilseite Spannungsebenen von 10 kV und 35 kV erreicht, während sie auf der hochspannungstechnischen Übertragungsseite noch in der Phase der Laborforschung und Prototypenvalidierung sind. Die folgende Tabelle veranschaulicht den aktuellen Stand der Spannungsebenen in verschiedenen Anwendungsszenarien:
| Anwendungsszenario | Spannungsebene | Technischer Status | Hinweise und Beispiele |
| Rechenzentrum / Gebäude | 10kV | Kommerzielle Anwendung | Es gibt viele reifere Produkte. Zum Beispiel hat CGIC einen 10kV/2,4MW SST für das "Ost-Digital und West-Berechnung" Gui'an Rechenzentrum bereitgestellt. |
| Verteilnetz / Park-niveau Demonstration | 10kV - 35kV | Demonstrationsprojekt | Einige führende Unternehmen haben 35kV-Prototypen vorgestellt und Netzverbindungs-Demonstrationen durchgeführt, was die höchste bisher bekannte Spannungsebene für ingenieurtechnische Anwendungen ist. |
| Übertragungsseite des Energiesystems | > 110kV | Laborprinzip-Prototyp | Universitäten und Forschungsinstitute (wie die Tsinghua-Universität, Global Energy Internet Research Institute) haben Prototypen mit Spannungsebenen von 110kV und höher entwickelt, aber es wurden bislang keine kommerziellen Projekte gefunden. |
1. Warum ist es schwierig, die Spannungsebene zu erhöhen?
Die Spannungsebene eines Festkörperfrequenzwandlers (SST) kann nicht einfach durch Stacking von Komponenten erhöht werden; sie wird durch eine Reihe grundlegender technischer Herausforderungen eingeschränkt:
1.1 Spannungsfestigkeit von Leistungshalbleiterbauteilen
Dies ist die zentrale Engstelle. Derzeit verwenden mainstream-SSTs siliziumbasierte IGBTs oder fortschrittlichere Siliciumcarbid (SiC) MOSFETs.
Die Spannungsbelastung eines einzelnen SiC-Bauteils liegt typischerweise bei etwa 10 kV bis 15 kV. Um höhere Systemspannungen (z.B. 35 kV) zu bewältigen, müssen mehrere Bauteile in Serie geschaltet werden. Allerdings führt die Serienschaltung zu komplexen "Spannungsausgleichsproblemen", bei denen selbst geringe Unterschiede zwischen den Bauteilen zu einem Spannungsausgleich und zum Versagen des Moduls führen können.
1.2 Herausforderungen bei Hochfrequenz-Transformatorenisolierungstechnologie
Der Kernvorteil von SSTs liegt in der Größenreduktion durch Hochfrequenzbetrieb. Bei hohen Frequenzen werden jedoch die Leistungsfähigkeit von Isoliermaterialien und elektrische Feldverteilung extrem komplex. Je höher die Spannungsebene, desto strenger sind die Anforderungen an die Isolierdesigns, Fertigungsprozesse und thermische Verwaltung des Hochfrequenztransformators. Das Erreichen von Zehner-kV-Hochfrequenzisolierung in einem begrenzten Raum stellt eine bedeutende Herausforderung in Materialien und Design dar.
1.3 Komplexität der Systemtopologie und Steuerung
Um hohe Spannungen zu bewältigen, verwenden SSTs in der Regel kaskadierte modulare Topologien (z.B. MMC—Modular Multilevel Converter). Je höher die Spannungsebene, desto größer ist die Anzahl der erforderlichen Submodule, was zu einer extrem komplexen Systemstruktur führt. Die Steuerungsschwierigkeit steigt exponentiell, und sowohl Kosten als auch Ausfallrate nehmen entsprechend zu.
2. Zukunftsaussichten
Trotz der erheblichen Herausforderungen finden technologische Durchbrüche weiterhin statt:
Gerätefortschritt: Geräte mit höherer Spannungsbelastung aus SiC und Galliumnitrid (GaN) befinden sich in Entwicklung und bilden die Grundlage für SSTs mit höherer Spannung.
Topologieinnovation: Neue Schaltkreistopologien, wie hybride Ansätze (Kombination von herkömmlichen Transformern mit Leistungselektronikkonvertern), gelten als vielversprechender Weg für schnelle Durchbrüche in Hochspannungsanwendungen.
Standardisierung: Da Organisationen wie IEEE damit beginnen, SST-relevante Standards zu etablieren, wird dies standardisierte Designs und Tests fördern und die technologische Reife beschleunigen.
3. Fazit
Derzeit haben 10 kV SSTs den kommerziellen Einsatz erreicht, und die 35 kV-Ebene repräsentiert den höchsten erreichten Niveau in Demonstrationsprojekten, während Spannungsebenen von 110 kV und darüber hinaus im Bereich der zukunftsweisenden technischen Forschung liegen. Die Fortschritte in der Spannungsebene von Festkörperfrequenzwandlern ist ein gradueller Prozess, der von koordiniertem Fortschritt in Leistungshalbleitern, Materialwissenschaften, Steuerungstheorie und thermischer Verwaltung abhängt.
