ทำไมการเพิ่มระดับแรงดันจึงยาก
ทรานสฟอร์เมอร์แบบโซลิดสเตต (SST) หรือเรียกอีกอย่างว่า ทรานสฟอร์เมอร์พลังงานอิเล็กทรอนิกส์ (PET) ใช้ระดับแรงดันไฟฟ้าเป็นตัวบ่งชี้สำคัญของความพร้อมทางเทคโนโลยีและสถานการณ์การใช้งาน ปัจจุบัน SST ได้ถึงระดับแรงดันไฟฟ้า 10 กิโลโวลต์ และ 35 กิโลโวลต์ในระบบกระจายไฟฟ้าระดับกลาง ในขณะที่ในระบบส่งไฟฟ้าระดับสูงยังคงอยู่ในขั้นตอนของการวิจัยในห้องปฏิบัติการและการตรวจสอบต้นแบบ ตารางด้านล่างแสดงสถานะของระดับแรงดันไฟฟ้าในสถานการณ์การใช้งานต่างๆ อย่างชัดเจน:
| สถานการณ์การใช้งาน | ระดับแรงดันไฟฟ้า | สถานะทางเทคนิค | หมายเหตุและกรณีศึกษา |
| ศูนย์ข้อมูล/อาคาร | 10 กิโลโวลต์ | การใช้งานเชิงพาณิชย์ | มีผลิตภัณฑ์ที่พัฒนาแล้วมากมาย เช่น CGIC ให้ SST ขนาด 10 กิโลโวลต์/2.4 เมกะวัตต์สำหรับศูนย์ข้อมูล Gui'an ในโครงการ "East Digital and West Calculation" |
| ระบบกระจายไฟฟ้า/โครงการสาธิตระดับพาร์ค | 10 กิโลโวลต์ - 35 กิโลโวลต์ | โครงการสาธิต | บางบริษัทชั้นนำได้นำเสนอต้นแบบ 35 กิโลโวลต์และทำการทดสอบเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้า ซึ่งเป็นระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงที่สุดที่ทราบในทางวิศวกรรมจนถึงปัจจุบัน |
| ด้านการส่งไฟฟ้าของระบบไฟฟ้า | > 110 กิโลโวลต์ | ต้นแบบหลักการในห้องปฏิบัติการ | มหาวิทยาลัยและสถาบันวิจัย (เช่น มหาวิทยาลัย Tsinghua, Global Energy Internet Research Institute) ได้พัฒนาต้นแบบที่มีระดับแรงดันไฟฟ้า 110 กิโลโวลต์และสูงกว่านั้น แต่ยังไม่มีโครงการเชิงพาณิชย์ที่พบ |
1. ทำไมจึงยากที่จะเพิ่มระดับแรงดันไฟฟ้า?
ระดับแรงดันไฟฟ้าของทรานสฟอร์เมอร์แบบโซลิดสเตต (SST) ไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการซ้อนส่วนประกอบอย่างง่าย มันถูกจำกัดโดยอุปสรรคทางเทคนิคพื้นฐานหลายประการ:
1.1 ข้อจำกัดในการทนแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์พลังงาน
นี่คือข้อจำกัดหลัก ปัจจุบัน SST ที่ใช้ทั่วไปใช้ IGBT บนซิลิคอนหรือ MOSFET บนซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่ทันสมัยกว่า
ระดับแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ SiC แต่ละตัวมักอยู่ที่ประมาณ 10 กิโลโวลต์ถึง 15 กิโลโวลต์ เพื่อจัดการกับแรงดันไฟฟ้าระบบที่สูงกว่า (เช่น 35 กิโลโวลต์) จะต้องเชื่อมต่ออุปกรณ์หลายตัวเป็นอนุกรม แต่การเชื่อมต่อแบบอนุกรมทำให้เกิดปัญหา "การบาลานซ์แรงดันไฟฟ้า" ที่แม้แต่ความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างอุปกรณ์ก็อาจทำให้เกิดการไม่สมดุลและทำให้โมดูลเสียหายได้
1.2 ความท้าทายในการออกแบบฉนวนของทรานสฟอร์เมอร์ความถี่สูง
ข้อได้เปรียบหลักของ SST คือการลดขนาดผ่านการทำงานที่ความถี่สูง แต่ภายใต้ความถี่สูง ประสิทธิภาพของวัสดุฉนวนและการกระจายสนามไฟฟ้าจะซับซ้อนมาก ระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น ความต้องการในการออกแบบฉนวน กระบวนการผลิต และการจัดการความร้อนของทรานสฟอร์เมอร์ความถี่สูงจะเข้มงวดมากขึ้น การบรรลุฉนวนความถี่สูงระดับกิโลโวลต์ภายในพื้นที่จำกัดเป็นความท้าทายใหญ่ในด้านวัสดุและการออกแบบ
1.3 ความซับซ้อนของโทโพโลยีระบบและการควบคุม
เพื่อจัดการกับแรงดันไฟฟ้าที่สูง SST มักใช้โครงสร้างโมดูลาร์แบบอนุกรม (เช่น MMC—Modular Multilevel Converter) ระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น จำนวนโมดูลย่อยที่ต้องการจะมากขึ้น ทำให้โครงสร้างระบบซับซ้อนมาก ความยากในการควบคุมเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และทั้งต้นทุนและความเสี่ยงในการทำงานก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย
2. แนวโน้มอนาคต
แม้จะมีความท้าทายที่สำคัญ แต่การพัฒนาทางเทคโนโลยียังคงดำเนินต่อไป:
การพัฒนาอุปกรณ์: อุปกรณ์ SiC และ GaN ที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าสูงกำลังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนาและเป็นพื้นฐานสำหรับการสร้าง SST ที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าสูง
การสร้างนวัตกรรมในโทโพโลยีวงจร: วงจรใหม่ เช่น วิธีผสมผสาน (รวมทรานสฟอร์เมอร์แบบดั้งเดิมกับคอนเวอร์เตอร์อิเล็กทรอนิกส์พลังงาน) ถือเป็นทางออกที่เป็นไปได้สำหรับการพัฒนาอย่างรวดเร็วในแอปพลิเคชันแรงดันไฟฟ้าสูง
มาตรฐาน: เมื่อองค์กรเช่น IEE-Business เริ่มต้นกำหนดมาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับ SST นี้จะส่งเสริมการออกแบบและทดสอบที่เป็นมาตรฐาน ทำให้เทคโนโลยีมีความพร้อมมากขึ้น
3. สรุป
ปัจจุบัน SST ขนาด 10 กิโลโวลต์ได้เข้าสู่การใช้งานเชิงพาณิชย์ และระดับ 35 กิโลโวลต์เป็นระดับสูงสุดที่ได้รับการสาธิต ในขณะที่ระดับแรงดันไฟฟ้า 110 กิโลโวลต์และสูงกว่านั้นยังคงอยู่ในระยะของการวิจัยทางเทคนิค การพัฒนาระดับแรงดันไฟฟ้าของ SST เป็นกระบวนการค่อยเป็นค่อยไปที่ขึ้นอยู่กับความก้าวหน้าที่ประสานกันในด้านเซมิคอนดักเตอร์พลังงาน วิทยาศาสตร์วัสดุ ทฤษฎีการควบคุม และเทคโนโลยีการจัดการความร้อน
