Почему сложно повысить уровень напряжения?
Твердотельный трансформатор (SST), также известный как силовой электронный трансформатор (PET), использует уровень напряжения в качестве ключевого показателя своей технологической зрелости и сценариев применения. В настоящее время SST достигли уровней напряжения 10 кВ и 35 кВ на средневольтной распределительной стороне, тогда как на высоковольтной передающей стороне они остаются на стадии лабораторных исследований и прототипирования. Таблица ниже четко иллюстрирует текущее состояние уровней напряжения в различных сценариях применения:
| Сценарий применения | Уровень напряжения | Техническое состояние | Примечания и примеры |
| Центры обработки данных / здания | 10 кВ | Коммерческое применение | Существует множество зрелых продуктов. Например, CGIC предоставил 10-кВ/2,4-МВ SST для центра обработки данных "Восточный цифровой и западный расчет" в Гуйане. |
| Распределительная сеть / демонстрация на уровне парка | 10 кВ - 35 кВ | Демонстрационный проект | Некоторые ведущие предприятия выпустили прототипы на 35 кВ и провели демонстрации подключения к сети, что является самым высоким уровнем напряжения, известным для инженерного применения на данный момент. |
| Передающая сторона энергосистемы | > 110 кВ | Лабораторный принципиальный прототип | Университеты и научно-исследовательские институты (например, Циньхуа, Глобальный институт исследования энергетического интернета) разработали прототипы с уровнями напряжения 110 кВ и выше, но до сих пор не найдено коммерческих проектов. |
1. Почему сложно увеличивать уровень напряжения?
Уровень напряжения твердотельного трансформатора (SST) нельзя просто увеличить путем добавления компонентов; он ограничен рядом фундаментальных технических проблем:
1.1 Ограничение по выдерживаемому напряжению силовых полупроводниковых устройств
Это основное узкое место. В настоящее время主流SST使用基于硅的IGBT或更先进的碳化硅（SiC）MOSFET。单个SiC器件的电压等级通常在10 kV到15 kV之间。要处理更高的系统电压（例如35 kV），必须串联多个器件。然而，串联引入了复杂的“电压平衡问题”，即使设备之间的微小差异也可能导致电压不平衡并导致模块故障。
Это основное узкое место. В настоящее время основные SST используют кремниевые IGBT или более продвинутые кремниевые карбидные (SiC) MOSFET. Напряжение одного SiC устройства обычно составляет около 10 кВ до 15 кВ. Для работы с более высокими системными напряжениями (например, 35 кВ) необходимо соединять несколько устройств последовательно. Однако последовательное соединение вводит сложные "проблемы балансировки напряжения", при которых даже незначительные различия между устройствами могут привести к дисбалансу напряжения и выходу модуля из строя.
1.2 Высокочастотная технология изоляции трансформатора
Основное преимущество SST заключается в уменьшении размеров за счет работы на высокой частоте. Однако при высоких частотах характеристики изоляционных материалов и распределение электрического поля становятся крайне сложными. Чем выше уровень напряжения, тем строже требования к дизайну изоляции, производственным процессам и тепловому управлению высокочастотного трансформатора. Достижение десятков кВ уровня высокочастотной изоляции в ограниченном пространстве представляет собой значительную проблему в материалах и дизайне.
1.3 Сложность топологии системы и управления
Для работы с высокими напряжениями SST обычно используют каскадные модульные топологии (например, MMC — модульный многоуровневый преобразователь). Чем выше уровень напряжения, тем больше требуется подмодулей, что приводит к чрезвычайно сложной структуре системы. Сложность управления возрастает экспоненциально, а вместе с этим растут и стоимость, и вероятность отказов.
2. Перспективы на будущее
Несмотря на значительные трудности, продолжаются технологические прорывы:
Развитие устройств: разрабатываются устройства SiC и нитрида галлия (GaN) с более высоким напряжением, которые являются основой для достижения более высоких напряжений в SST.
Инновации в топологии: новые схемы, такие как гибридные подходы (сочетание традиционных трансформаторов с силовыми электронными преобразователями), рассматриваются как жизнеспособный путь для быстрых прорывов в высоковольтных приложениях.
Стандартизация: по мере того, как организации, такие как IEEE, начинают разрабатывать стандарты, связанные с SST, это будет способствовать стандартизированному проектированию и тестированию, ускоряя технологическую зрелость.
3. Заключение
В настоящее время 10-кВ SST уже внедрены в коммерческое применение, а 35-кВ уровень представляет собой самый высокий уровень, достигнутый в демонстрационных проектах, в то время как уровни напряжения 110 кВ и выше остаются в области перспективных технических исследований. Повышение уровня напряжения твердотельных трансформаторов — это постепенный процесс, зависящий от согласованного прогресса в области силовых полупроводников, материаловедения, теории управления и технологий теплового управления.
