Чому важко підвищити рівень напруги?
Твердотільний трансформатор (SST), відомий також як електронний трансформатор (PET), використовує рівень напруги як ключовий індикатор його технологічної зрілості та сценаріїв застосування. На даний момент SST досягли рівнів напруги 10 кВ та 35 кВ на середньовольтній сторінці розподілу, тоді як на стороні високовольтного передачі вони залишаються на стадії лабораторних досліджень та перевірки прототипів. Нижче наведено таблицю, яка чітко ілюструє поточний стан рівнів напруги в різних сценаріях застосування:
| Сценарій застосування | Рівень напруги | Технічний стан | Примітки та приклади |
| Дата-центр / будівля | 10кВ | Комерційне застосування | Існує багато зрілих продуктів. Наприклад, CGIC надала 10кВ/2,4МВ SST для дата-центру "East Digital and West Calculation" у Гуй'ань. |
| Розподільна мережа / демонстрація на рівні парку | 10кВ - 35кВ | Демонстраційний проект | Деякі провідні підприємства запустили 35кВ прототипи та провели демонстрації з підключенням до мережі, що є найвищим відомим рівнем напруги для інженерного застосування на даний час. |
| Передача енергії системи | > 110кВ | Лабораторний принципіальний прототип | Університети та науково-дослідні інститути (наприклад, Університет Цінхуа, Інститут глобальної енергетичної інтернет) розробили прототипи з рівнями напруги 110кВ та вище, але поки що не знайдено комерційних проектів. |
1. Чому складно збільшувати рівень напруги?
Рівень напруги твердотільного трансформатора (SST) не можна просто збільшити, стягуючи компоненти; він обмежений цілою серією фундаментальних технічних проблем:
1.1 Обмеження стійкості до напруги силових напівпровідникових пристроїв
Це основна узька частина. На даний момент головні SST використовують кремнієві IGBT або більш новітні кремнієкарбідні (SiC) MOSFET.
Номінальна напруга одного SiC пристрою зазвичай становить близько 10 кВ до 15 кВ. Для обробки вищих системних напруг (наприклад, 35 кВ) необхідно з'єднати декілька пристроїв послідовно. Однак, послідовне з'єднання вводить складні "проблеми збалансування напруги", де навіть невеликі відмінності між пристроями можуть призвести до дисбалансу напруги та виникнення відмов модулів.
1.2 Виклики високочастотної технології ізоляції трансформатора
Основна перевага SST полягає в зменшення розмірів завдяки високочастотному функціонуванню. Однак, при високих частотах, властивості матеріалів ізоляції та розподіл електричного поля стають надзвичайно складними. Чим вищий рівень напруги, тим більш строгими є вимоги до дизайну ізоляції, виробничих процесів та термального управління високочастотного трансформатора. Досягнення рівня напруги в десятки кВ при високих частотах в обмеженому просторі представляє значний виклик з точки зору матеріалів та дизайну.
1.3 Складність системної топології та управління
Для обробки високих напруг SST зазвичай використовують каскадні модульні топології (наприклад, MMC — Модульний Мультірівневий Конвертер). Чим вищий рівень напруги, тим більше підмодулів потрібно, що призводить до надзвичайно складної системної структури. Складність управління зростає експоненційно, а разом з цим зростають і вартість, і швидкість виникнення відмов.
2. Перспективи на майбутнє
Хоча існують значні виклики, технологічні прориви тривають:
Розвиток пристроїв: Розробляються пристрої SiC та галійного нітриту (GaN) з вищим номінальним напругами, що є основою для досягнення SST з вищими напругами.
Інновації в топології: Нові схемні топології, такі як гібридні підходи (поєднання традиційних трансформаторів з електронними конвертерами), розглядаються як перспективний шлях для швидких проривів у високовольтних застосуваннях.
Стандартизація: По мірі того, як організації, такі як IEEE, починають створювати стандарти, пов'язані з SST, це сприятиме стандартизованому дизайні та тестуванню, прагматизуючи технологічну зрілість.
3. Висновок
На даний момент 10 кВ SST вже введено в комерційне застосування, а рівень 35 кВ є найвищим, досягнутим у демонстраційних проектах, тоді як рівні напруги 110 кВ та вище залишаються в області прогресивних технічних досліджень. Поступове підвищення рівня напруги твердотільних трансформаторів є поступовим процесом, який залежить від координованого прогресу в області силових напівпровідників, матеріалознавства, теорії управління та технологій теплового управління.
