Zašto je teško povećati nivo napona?
Čvrsto stanje transformator (SST), takođe poznat kao elektronski transformator snage (PET), koristi nivo napona kao ključni indikator svoje tehnološke zrelosti i scenarija primene. Trenutno, SST-ovi su dostigli nivoe napona od 10 kV i 35 kV na srednjem nivou raspodele, dok na strani visokog naponskog prenosa oni ostaju u fazi laboratorijskog istraživanja i provere prototipa. Tabela ispod jasno ilustruje trenutni status nivova napona u različitim scenarijima primene:
| Scenarij primene | Nivo napona | Tehnički status | Napomene i primeri |
| Centar podataka / Zgrada | 10kV | Komercijalna primena | Postoji mnogo zrelih proizvoda. Na primer, CGIC je pružio 10kV/2.4MW SST za centar podataka "Istok Digital i Zapad Izračunavanje" Gui'an. |
| Mreža raspodele / Park - razine demonstracije | 10kV - 35kV | Demonstracioni projekat | Neki vodeći preduzeća su izdali 35kV prototipove i izvršili demonstracije povezane sa mrežom, što je najviši poznati nivo napona za inženjersku primenu do sada. |
| Strana prenosa sistema snage | > 110kV | Laboratorijski principijski prototip | Univerziteti i instituti za istraživanje (poput Tsinghua Univerziteta, Globalni Institut za Istraživanje Energetske Internet Mreže) razvili su prototipove sa nivoom napona od 110kV i čak više, ali dosada nisu pronađeni komercijalni projekti. |
1. Zašto je teško povećati nivo napona?
Nivo napona čvrsto stanje transformatora (SST) ne može biti jednostavno povećan stavljanjem komponenti; ograničen je nizom fundamentalnih tehničkih izazova:
1.1 Ograničenje otpornosti na napon elektroenergetskih poluprovodnih uređaja
Ovo je ključni grlo. Trenutno, mainstream SST-ovi koriste silicijum-bazirane IGBT-e ili naprednije ugljen-silicijum (SiC) MOSFET-e.
Naponska ocena jednog SiC uređaja obično iznosi oko 10 kV do 15 kV. Da bi se obradili viši sistemske naponi (na primer, 35 kV), moraju se povezati više uređaja u seriju. Međutim, serija povezivanja uključuje kompleksne "probleme ravnoteže napona", gde čak i manje razlike između uređaja mogu dovesti do neravnoteže napona i rezultirati otkazivanjem modula.
1.2 Izazovi u tehnologiji izolacije visoko frekvencijskog transformatora
Ključna prednost SST-ova leži u smanjenju veličine kroz rad na visokoj frekvenciji. Međutim, pri visokim frekvencijama, performanse materijala za izolaciju i raspodela električnog polja postaju ekstremno složene. Što je viši nivo napona, stroži su zahtevi za dizajn izolacije, procese proizvodnje i termičko upravljanje visoko frekvencijskog transformatora. Postizanje desetina kV nivou visoko frekvencijske izolacije unutar ograničenog prostora predstavlja značajan izazov u materijalima i dizajnu.
1.3 Složenost topologije sistema i kontrole
Da bi se obradili visoki naponi, SST-ovi obično koriste kaskadne modularne topologije (na primer, MMC—Modularni Multinivo Converter). Što je viši nivo napona, veći je broj potrebnih submodula, što dovodi do ekstremno složene strukture sistema. Teškoće kontrole eksponencijalno rastu, a i troškovi i stopa otkaza se povećavaju.
2. Budućnost
Unatoč značajnim izazovima, tehnološki skokovi nastavljaju:
Napredak uređaja: Razvijaju se uređaji sa višim nivoom napona SiC i azot-galijum (GaN) koji predstavljaju temelj za postizanje SST-ova sa višim naponom.
Inovacije u topologiji: Nove sheme krugova, poput hibridnih pristupa (kombinacija konvencionalnih transformatora sa pretvaračima elektronske snage), smatraju se viable putanjom za brz skok u visokonaponskim primenama.
Standardizacija: Kako organizacije poput IEE-Business počinju da uspostavljaju standarde vezane za SST, to će promovisati standardizovani dizajn i testiranje, ubrzavajući tehnološku zrelost.
3. Zaključak
Trenutno, 10 kV SST-ovi su ušli u komercijalnu primenu, a 35 kV nivo predstavlja najviši dostignuti nivo u demonstracionim projektima, dok nivo napona od 110 kV i više ostaje u domenu naprednih tehničkih istraživanja. Napredak nivoa napona čvrsto stanje transformatora je postepen proces koji zavisi od koordinisanog napretka u poluprovodnicima, materijalima, teoriji kontrole i tehnologijama termičkog upravljanja.
