چرا افزایش سطح ولتاژ دشوار است
جامد ترانسفورماتور (SST) که همچنین با نام ترانسفورماتور الکترونیک قدرت (PET) شناخته می‌شود، از سطح ولتاژ به عنوان یکی از شاخص‌های کلیدی برای نشان دادن رضایت فنی و سناریوهای کاربردی خود استفاده می‌کند. در حال حاضر، SSTها به سطوح ولتاژ 10 kV و 35 kV در سمت توزیع ولتاژ متوسط رسیده‌اند، در حالی که در سمت انتقال ولتاژ بالا هنوز در مرحله پژوهش آزمایشگاهی و اعتبارسنجی نمونه اولیه هستند. جدول زیر وضعیت فعلی سطوح ولتاژ در سناریوهای کاربردی مختلف را به طور واضح نشان می‌دهد:
| سناریوی کاربردی | سطح ولتاژ | وضعیت فنی | یادداشت‌ها و موارد |
| مرکز داده / ساختمان | 10kV | کاربرد تجاری | محصولات بسیاری در این زمینه وجود دارد. به عنوان مثال، CGIC یک SST 10kV/2.4MW برای مرکز داده "شرقی دیجیتال و غربی محاسباتی" گویآن فراهم کرده است. |
| شبکه توزیع / سطح پارک - نمایشگاهی | 10kV - 35kV | پروژه نمایشگاهی | برخی از شرکت‌های پیشرو نمونه‌های اولیه 35kV را عرضه کرده و نمایش‌های متصل به شبکه انجام داده‌اند، که بالاترین سطح ولتاژ شناخته شده برای کاربرد مهندسی تاکنون است. |
| سمت انتقال سیستم قدرت | > 110kV | پروتوتیپ اصلی آزمایشگاهی | دانشگاه‌ها و موسسات پژوهشی (مانند دانشگاه تسینگهوآ، مؤسسه تحقیقات شبکه انرژی جهانی) نمونه‌های اولیه با سطوح ولتاژ 110kV و حتی بالاتر را توسعه داده‌اند، اما تاکنون هیچ پروژه تجاری یافت نشده است. |
1. چرا افزایش سطح ولتاژ دشوار است؟
سطح ولتاژ یک ترانسفورماتور جامد (SST) نمی‌تواند با تنها اضافه کردن قطعات ساده‌سازی شود؛ بلکه توسط مجموعه‌ای از چالش‌های فنی بنیادی محدود می‌شود:
1.1 محدودیت تحمل ولتاژ دستگاه‌های نیمه‌رسانا قدرت
این مورد مشکل اصلی است. در حال حاضر، SSTهای معمولی از IGBTهای مبتنی بر سیلیکون یا MOSFETهای سیلیکون کربید (SiC) پیشرفته‌تر استفاده می‌کنند.
سطح ولتاژ یک دستگاه SiC معمولاً حدود 10 kV تا 15 kV است. برای مدیریت ولتاژ سیستم‌های بالاتر (مانند 35 kV)، باید چندین دستگاه به صورت سری به هم متصل شوند. با این حال، اتصال سری مسائل پیچیده "تعادل ولتاژ" را مطرح می‌کند، که حتی تفاوت‌های کوچک بین دستگاه‌ها می‌تواند منجر به عدم تعادل ولتاژ و شکست ماژول شود.
1.2 چالش‌های تکنولوژی عایق‌بندی ترانسفورماتور با فرکانس بالا
مزیت اصلی SSTها در کاهش اندازه از طریق عملکرد با فرکانس بالا است. با این حال، در فرکانس‌های بالا، عملکرد مواد عایق‌بندی و توزیع میدان الکتریکی بسیار پیچیده می‌شود. هرچه سطح ولتاژ بالاتر باشد، الزامات عایق‌بندی طراحی، فرآیندهای تولید و مدیریت حرارتی ترانسفورماتور با فرکانس بالا بیشتر می‌شوند. دستیابی به عایق‌بندی با فرکانس بالا در سطح ده‌ها kV در فضای محدود یک چالش مهم در مسائل مواد و طراحی است.
1.3 پیچیدگی توپولوژی سیستم و کنترل
برای مدیریت ولتاژ‌های بالا، SSTها معمولاً از توپولوژی‌های ماژولی مجزا (مانند MMC - مبدل چندسطحی ماژولی) استفاده می‌کنند. هرچه سطح ولتاژ بالاتر باشد، تعداد ماژول‌های مورد نیاز بیشتر می‌شود، که منجر به ساختار سیستم بسیار پیچیده می‌شود. سختی کنترل به طور نمایی افزایش می‌یابد و هزینه و نرخ خرابی نیز به طور متناسب افزایش می‌یابد.
2. چشم‌انداز آینده
با وجود چالش‌های قابل توجه، پیشرفت‌های فنی ادامه دارد:
پیشرفت دستگاه‌ها: دستگاه‌های SiC و نیترید گالیوم (GaN) با سطح ولتاژ بالاتر در حال توسعه هستند و پایه‌ای برای دستیابی به SSTهای با ولتاژ بالا هستند.
نوآوری توپولوژی: توپولوژی‌های مدار جدید، مانند رویکردهای ترکیبی (ترکیب ترانسفورماتورهای سنتی با مبدل‌های الکترونیک قدرت)، به عنوان مسیر قابل قبولی برای پیشرفت سریع در کاربردهای ولتاژ بالا در نظر گرفته می‌شوند.
استانداردسازی: با شروع سازمان‌هایی مانند IEEE به ایجاد استانداردهای مرتبط با SST، این موضوع طراحی و آزمایش استاندارد شده را تسریع می‌کند و رضایت فنی را افزایش می‌دهد.
3. نتیجه‌گیری
در حال حاضر، SSTهای 10 kV وارد کاربرد تجاری شده‌اند و سطح 35 kV بالاترین سطحی است که در پروژه‌های نمایشگاهی دستیابی شده است، در حالی که سطوح ولتاژ 110 kV و بالاتر هنوز در حوزه تحقیقات فنی پیش‌بینی شده هستند. پیشرفت سطوح ولتاژ ترانسفورماتورهای جامد یک فرآیند تدریجی است که به پیشرفت هماهنگ در نیمه‌رساناهای قدرت، علم مواد، نظریه کنترل و تکنولوژی‌های مدیریت حرارتی بستگی دارد.
