Hvorfor er det vanskelig å øke spenningenivået?
Solid-state transformer (SST), også kjent som en strømtransformator (PET), bruker spenningnivået som et viktig indikator for dens teknologiske modenhet og anvendelsesscenarier. For tiden har SST-er nådd spenningnivåer på 10 kV og 35 kV på mediumspenningssiden, mens de på høyspenningssiden fremdeles er i fasen med laboratorieforskning og prototypvalidering. Tabellen nedenfor viser klart statusen for spenningnivåer i ulike anvendelsesscenarier:
| Anvendelsesscenario | Spenningnivå | Teknisk status | Merknader og eksempler |
| Data Center / Bygning | 10kV | Kommerciell anvendelse | Det finnes mange modne produkter. For eksempel, CGIC leverte en 10kV/2,4MW SST til "East Digital and West Calculation" Gui'an Data Center. |
| Distribusjonsnett / Park-nivå demonstrasjon | 10kV - 35kV | Demonstrasjonsprosjekt | Noen ledende selskaper har lansert 35kV-prototyper og gjennomført nettverkskoblede demonstrasjoner, som er det høyeste kjente spenningnivået for ingeniør-anvendelse så langt. |
| Overførings siden av strømsystemet | > 110kV | Laboratorieprinsipp-prototyper | Universiteter og forskningsinstitutter (som Tsinghua University, Global Energy Internet Research Institute) har utviklet prototyper med spenningnivåer på 110kV og enda høyere, men det finnes ingen kommersielle prosjekter så langt. |
1. Hvorfor er det vanskelig å øke spenningnivået?
Spenningnivået til en solid-state transformer (SST) kan ikke bare økes ved å stappe sammen komponenter; det er begrenset av en rekke grunnleggende tekniske utfordringer:
1.1 Spenningstoleransebegrensning av strømkontroller
Dette er den kjerneflaskehalsen. For tiden bruker mesteparten av SST-ene silisiumbaserte IGBT-er eller mer avanserte silisiumkarbid (SiC) MOSFET-er.
Spenningsklassifikasjonen av en enkelt SiC-enhet er typisk rundt 10 kV til 15 kV. For å håndtere høyere systemspenninger (f.eks. 35 kV) må flere enheter kobles sammen i serie. Imidlertid introduserer serieforbindelsen komplekse "spenningbalanseringsproblemer", der selv minste forskjeller mellom enheter kan føre til spenninguavstemming og resultere i modulfailure.
1.2 Utfordringer i høyfrekvens-transformatorisoleringsteknologi
Den sentrale fordelen med SST-er ligger i størrelsesreduksjon gjennom høyfrekvensdrift. Men under høyfrekvens blir ytelsen av isoleringsmaterialer og elektrisk feltfordeling ekstremt kompleks. Jo høyere spenningnivå, jo strengere krav til isoleringsdesign, produksjonsprosesser og varmebehandling av høyfrekvens-transformator. Å oppnå tiere av kV-nivå høyfrekvensisolering innen et begrenset rom representerer en betydelig utfordring i materialer og design.
1.3 Kompleksitet i systemtopologi og kontroll
For å håndtere høye spenninger, bruker SST-er typisk kaskaderte modulære topologier (f.eks. MMC—Modular Multilevel Converter). Jo høyere spenningnivå, jo flere submoduler kreves, noe som fører til en ekstremt kompleks systemstruktur. Kontrolldiffikulteten øker eksponentielt, og både kostnad og feilrate øker tilsvarende.
2. Fremtidig utsikt
Trots betydelige utfordringer, fortsetter teknologiske gjennombrudd:
Enhetsutvikling: Enheter med høyere spenningklassifikasjon av SiC og galliumnitrid (GaN) er under utvikling og representerer grunnlaget for å oppnå høyere spenning SST-er.
Topologisk innovasjon: Nye kretstopologier, som hybridtilnærminger (kombinasjon av konvensjonelle transformatorer med strømkontroller), regnes som en realistisk vei for hurtige gjennombrudd i høy-spenningsanvendelser.
Standardisering: Som organisasjoner som IEEE begynner å etablere SST-relaterte standarder, vil dette fremme standardisert design og testing, og akselerere teknologisk modenhet.
3. Konklusjon
For tiden har 10 kV SST-er trådt inn i kommersiell anvendelse, og 35 kV-nivået representerer det høyeste nivået oppnådd i demonstrasjonsprosjekter, mens spenningnivåer på 110 kV og over fremdeles er i feltet for fremtidsrettet teknisk forskning. Fremgangen i solid-state transformer spenningnivåer er en gradvis prosess som avhenger av koordinert fremskritt i strømkontroller, materialvitenskap, kontrollteori og termisk behandlingsteknologi.
