Kāpēc ir grūti paaugstināt sprieguma līmeni?
Virkstiprīgais transformators (SST), kas arī pazīstams kā enerģētikas elektronikas transformators (PET), izmanto sprieguma līmeni kā galveno tehniskās pilnveidošanās un lietošanas scenāriju rādītāju. Pašlaik SST ir sasniedzis sprieguma līmeņus 10 kV un 35 kV vidējā sprieguma pārvades pusē, bet augstā sprieguma pārvades pusē tie joprojām atrodas laboratorijas pētījumu un prototipa validācijas stadijā. Zemāk esošajā tabulā skaidri parādīts pašreizējais sprieguma līmeņu statuss dažādos lietošanas scenārijos:
| Lietošanas scenārijs | Sprieguma līmenis | Tehniskais statuss | Piezīmes un piemēri |
| Datortelpa / Īpašums | 10kV | Komerčiāla lietošana | Ir daudz pilnveidotu produktu. Piemēram, CGIC piedāvāja 10kV/2,4MW SST "Austrumu datu un Rietumu aprēķināšanas" Gui'an datortelpai. |
| Pārdevēju tīkls / Parks - demonstrācija | 10kV - 35kV | Demonstrācijas projekts | Dažas vadošās uzņēmējdarbības ir izlaidušas 35kV prototipus un veikušas tīkla savienojuma demonstrācijas, kas ir zināmais visaugstākais inženierzinātniskā lietošana līdz šim. |
| Enerģijas sistēmas pārvade | > 110kV | Laboratorijas princips prototips | Augstskolas un pētījumu institūti (piemēram, Cinghua Universitāte, Globālais Enerģijas Tīkla Pētījumu Institūts) ir izstrādājuši prototipus ar sprieguma līmeņiem 110kV un pat augstākiem, taču līdz šim nav atrasti komerčiāli projekti. |
1. Kāpēc ir grūti paaugstināt sprieguma līmeni?
Virkstiprīgā transformatora (SST) sprieguma līmeni nevar vienkārši paaugstināt, pievienojot komponentus; tam ir būtiskas tehniskas problēmas:
1.1 Jaudas polusa pārtraukuma ierobežojums
Šis ir galvenais botlnecks. Pašlaik populārie SST izmanto silīciem balstītus IGBT vai vēl modernākus šiliciumkarbidu (SiC) MOSFET.
Viena SiC ierīces sprieguma apjoms parasti ir aptuveni 10 kV līdz 15 kV. Lai apstrādātu augstākos sistēmas spriegumus (piemēram, 35 kV), jāsavieno vairākas ierīces seriālā savienojumā. Tomēr, seriālā savienojumā rodas sarežģītas "sprieguma līdzsvara problēmas", kur pat mazas starp ierīcēm pastāvošas atšķirības var radīt sprieguma nelīdzsvarotību un rezultēt moduļa kļūdā.
1.2 Izolācijas tehnoloģijas izaicinājumi augstās frekvences transformatoros
SST pamatpriekšrocība ir saīsinātais izmērs, izmantojot augstu frekvenci. Tomēr, augstās frekvences apstākļos, izolācijas materiālu un elektriskā lauka sadalījuma veiktspēja kļūst ļoti sarežģīta. Jo augstāks sprieguma līmenis, jo stingrākas prasības izolācijas dizainam, ražošanas procesiem un augstfrekvenča transformatora termiskajai pārvaldībai. Daždesmit kV līmeņa augstfrekvenčas izolācijas sasniegšana ierobežotā telpā pārstāv nozīmīgu izaicinājumu materiālos un dizaina aspektā.
1.3 Sistēmas topoloģijas un vadības sarežģītība
Lai apstrādātu augstus spriegumus, SST parasti izmanto kaskādu modulāru topoloģiju (piemēram, MMC—Modulāra Multilaukuma Konverteris). Jo augstāks sprieguma līmenis, jo lielāks ir nepieciešamo apakšmoduļu skaits, kas rada ārkārtīgi sarežģītu sistēmas struktūru. Vadības grūtības palielinās eksponenciāli, un gan izmaksas, gan kļūdas frekvence palielinās attiecīgi.
2. Nākotnes perspektīva
Neskatoties uz nozīmīgajām problēmām, tehniskie caurumos turpinās:
Ierīču progresēšana: Augstāku sprieguma apjomu SaC un gāliesodījuma (GaN) ierīču izstrāde ir pamats augstāku sprieguma SST sasniegšanai.
Topoloģijas inovācijas: Jaunas shēmas, piemēram, hibrīda pieejas (konventionālo transformatoru kombinācija ar enerģētikas elektronikas konverteriem), tiek uzskatītas par iespējamiem ceļiem straujam progresam augstā sprieguma lietojumos.
Standartizācija: Organizācijas, piemēram, IEE-Business, sāk izstrādāt SST saistītos standartus, kas veicinās standartizētu dizainu un testēšanu, paātrinot tehnisko pilnveidošanos.
3. Secinājums
Pašlaik 10 kV SST ir ieplānoti komerčiālā lietošanā, un 35 kV līmenis pārstāv augstāko sasniedzto demonstrācijas projektu līmeni, savukārt 110 kV un augstāki sprieguma līmeņi joprojām atrodas priekšgaidīšanas tehnisko pētījumu jomā. Virkstiprīgā transformatora sprieguma līmeņu progresēšana ir graduāls process, kas atkarīgs no koordinētas progresēšanas enerģētikas polusu, materiālu zinātnes, vadības teorijas un termiskās pārvaldības tehnoloģijās.
