Pourquoi est-il difficile d'augmenter le niveau de tension ?
Le transformateur à état solide (SST), également connu sous le nom de transformateur électronique de puissance (PET), utilise le niveau de tension comme indicateur clé de sa maturité technologique et de ses scénarios d'application. Actuellement, les SST ont atteint des niveaux de tension de 10 kV et 35 kV du côté de la distribution moyenne tension, tandis que du côté de la transmission haute tension, ils restent au stade de la recherche en laboratoire et de la validation de prototypes. Le tableau ci-dessous illustre clairement l'état actuel des niveaux de tension dans différents scénarios d'application :
| Scénario d'Application | Niveau de Tension | Statut Technique | Notes et Cas |
| Centre de Données / Bâtiment | 10kV | Application Commerciale | Il existe de nombreux produits matures. Par exemple, CGIC a fourni un SST de 10kV/2,4MW pour le centre de données Gui'an "East Digital and West Calculation". |
| Réseau de Distribution / Démonstration Niveau Parc | 10kV - 35kV | Projet de Démonstration | Certaines entreprises leaders ont lancé des prototypes de 35kV et effectué des démonstrations raccordées au réseau, ce qui est le niveau de tension le plus élevé connu pour une application ingénierie jusqu'à présent. |
| Côté Transmission du Système Électrique | > 110kV | Prototype de Principe en Laboratoire | Des universités et instituts de recherche (comme l'Université Tsinghua, l'Institut de Recherche sur le Réseau Énergétique Mondial) ont développé des prototypes avec des niveaux de tension de 110kV et même plus élevés, mais aucun projet commercial n'a été trouvé jusqu'à présent. |
1. Pourquoi est-il difficile d'augmenter le niveau de tension ?
Le niveau de tension d'un transformateur à état solide (SST) ne peut pas être simplement augmenté en empilant des composants ; il est limité par une série de défis techniques fondamentaux :
1.1 Limite de résistance à la tension des dispositifs semi-conducteurs de puissance
C'est le goulot d'étranglement central. Actuellement, les SST courants utilisent des IGBT à base de silicium ou des MOSFET en carbure de silicium (SiC) plus avancés.
La tension nominale d'un seul dispositif SiC est généralement autour de 10 kV à 15 kV. Pour gérer des tensions système plus élevées (par exemple, 35 kV), plusieurs dispositifs doivent être connectés en série. Cependant, la connexion en série introduit des problèmes complexes de "répartition de tension", où même des différences mineures entre les dispositifs peuvent conduire à un déséquilibre de tension et entraîner une panne du module.
1.2 Défis de la technologie d'isolation des transformateurs haute fréquence
L'avantage principal des SST réside dans la réduction de taille grâce à l'opération à haute fréquence. Cependant, sous des hautes fréquences, la performance des matériaux d'isolation et la distribution du champ électrique deviennent extrêmement complexes. Plus le niveau de tension est élevé, plus les exigences pour la conception d'isolation, les processus de fabrication et la gestion thermique du transformateur haute fréquence sont strictes. Atteindre une isolation haute fréquence de niveau de dizaines de kV dans un espace limité représente un défi significatif en termes de matériaux et de conception.
1.3 Complexité de la topologie du système et du contrôle
Pour gérer des tensions élevées, les SST adoptent généralement des topologies modulaires en cascade (par exemple, MMC—Modular Multilevel Converter). Plus le niveau de tension est élevé, plus le nombre de sous-modules requis est grand, conduisant à une structure de système extrêmement complexe. La difficulté de contrôle augmente exponentiellement, et à la fois le coût et le taux de panne augmentent en conséquence.
2. Perspectives futures
Malgré les défis significatifs, les percées technologiques se poursuivent :
Avancement des dispositifs : Des dispositifs SiC et niture de gallium (GaN) de tension plus élevée sont en cours de développement et représentent la base pour réaliser des SST de tension plus élevée.
Innovation de la topologie : De nouvelles topologies de circuit, telles que des approches hybrides (combinaison de transformateurs conventionnels et de convertisseurs électroniques de puissance), sont considérées comme une voie viable pour des percées rapides dans les applications haute tension.
Standardisation : Alors que des organisations comme l'IEE-Business commencent à établir des normes liées aux SST, cela promeut une conception et des tests standardisés, accélérant la maturité technologique.
3. Conclusion
Actuellement, les SST de 10 kV ont entré l'application commerciale, et le niveau de 35 kV représente le niveau le plus élevé atteint dans les projets de démonstration, tandis que les niveaux de tension de 110 kV et au-dessus restent dans le domaine de la recherche technique prospective. L'avancement des niveaux de tension des transformateurs à état solide est un processus graduel qui dépend de progrès coordonnés dans les semi-conducteurs de puissance, la science des matériaux, la théorie de contrôle et les technologies de gestion thermique.
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