Miért nehéz a feszültségi szint növelése?
A szilárdtestes transzformátor (SST), más néven hatásfokú elektronikus transzformátor (PET) használja a feszültségi szintet technológiai éretttségének és alkalmazási területeinek kulcsfontosságú mutatójaként. Jelenleg az SST-ek elértek 10 kV és 35 kV feszültségi szintet a középfeszültségű elosztó oldalon, míg a magasfeszültségű átviteli oldalon még mindig laboratóriumi kutatás és prototípus-ellenőrzési fázisban vannak. Az alábbi táblázat egyértelműen illusztrálja a jelenlegi feszültségi szintek állapotát különböző alkalmazási forgatókönyvekben:
| Alkalmazási forgatókönyv | Feszültségi szint | Technológiai állapot | Megjegyzések és esetek |
| Adatközpont / épület | 10kV | Kereskedelmi alkalmazás | Számos fejlett termék létezik. Például a CGIC 10kV/2,4MW SST-t nyújtott a "Keleti digitális és nyugati számítás" Gui'an Adatközpontnak. |
| Elosztó hálózat / park-szintű bemutató | 10kV - 35kV | Bemutató projekt | Néhány vezető vállalat 35kV prototípusokat indított és hálózatra kapcsolt bemutatókat tartott, ami eddigi ismert legmagasabb mérnöki alkalmazási feszültségi szint. |
| Erőrendszer átviteli oldala | > 110kV | Laboratóriumi alapelvek prototípusa | Egyetemek és kutatóintézetek (mint például a Tsinghua Egyetem, a Global Energy Internet Research Institute) 110kV és annál magasabb feszültségi szintű prototípusokat fejlesztettek ki, de eddig nem találtak kereskedelmi projekteket. |
1. Miért nehéz a feszültségi szint növelése?
Egy szilárdtestes transzformátor (SST) feszültségi szintjét nem lehet egyszerűen komponensek összeállításával növelni; egy sor alapvető technológiai kihívás korlátozza:
1.1 Hatásfokú fémesztermek feszültségviselő korlátai
Ez a mag alapja. Jelenleg a főstreambeli SST-ek silícium-alapú IGBT-eket vagy haladóbb szilíciumkarbid (SiC) MOSFET-eket használnak.
Egyetlen SiC eszköz feszültségi osztálya általában 10 kV és 15 kV között van. Magasabb rendszerfeszültségek (pl. 35 kV) kezeléséhez több eszközt kell sorban kötni. Azonban a soros csatlakozás bonyolult "feszültségkiegyenlítési problémákat" vet fel, ahol még a kisebb eszközök közötti különbségek is feszültségkiesegénységet eredményezhetnek, ami modul meghibásodását okozhatja.
1.2 Kihívások a magasfrekvenciás transzformátor izolációs technológiában
Az SST-ek alapvető előnye a méretcsökkentés magas frekvencián. Azonban magas frekvencián az izolációs anyagok teljesítménye és az elektromos mező eloszlása nagyon összetetté válik. A magasabb feszültségi szint mellett a magasfrekvenciás transzformátor izolációja, gyártási folyamata és hővezetése szempontjából szigorúbb követelmények vonatkoznak. Több tízezer voltos magasfrekvenciás izoláció korlátozott térben jelentős kihívást jelent anyagok és tervezés szempontjából.
1.3 Rendszer topológia és irányítás összetettsége
Magas feszültségek kezelésére az SST-ek általában lankás moduláris topológiákat (például MMC - Moduláris Sajátos Konverter) alkalmaznak. A feszültségi szint növelése mellett növekszik a szükséges almodulok száma, ami egy rendkívül összetett rendszerstruktúrát eredményez. Az irányítási nehézségek exponenciálisan növekednek, és a költségek és a hibaelbocsátás is emelkedik.
2. Jövőkép
Bár jelentős kihívásokkal szembesülünk, a technológiai áttörések folyamatosan zajlanak:
Eszközfejlesztés: Magasabb feszültségi osztályú SiC és galium-nitrid (GaN) eszközök fejlesztése folyamatban van, amelyek alapja lesz a magasabb feszültségi SST-eknek.
Topológiai innováció: Új áramkör topológiák, mint a hibrid megoldások (konvencionális transzformátorok és hatásfokú konverzorok kombinációja) gyors áttörést jelenthetnek a magasfeszültségű alkalmazásokban.
Szabványosítás: Ahogy szervezetek, mint az IEE-Business, elkezdik meghatározni az SST-szabványokat, ez elősegíti a standardizált tervezést és tesztelést, ami a technológiai éretttséget gyorsítja.
3. Összefoglalás
Jelenleg a 10 kV SST-ek bekerültek a kereskedelmi alkalmazásba, a 35 kV szint pedig a bemutatóprojekt legmagasabb szintje, míg a 110 kV és annál magasabb feszültségi szintek továbbra is a jövőbeli technológiai kutatás területén helyezkednek el. A szilárdtestes transzformátorok feszültségi szintjének fejlődése egy fokozatos folyamat, amely a hatásfokú fémesztermek, anyagtudomány, irányítási elmélet és hővezetési technológiák koordinált előrehaladásától függ.
