Tại sao việc tăng mức điện áp lại khó khăn?

Biến áp trạng thái rắn (SST), còn được gọi là biến áp điện tử công suất (PET), sử dụng mức điện áp làm chỉ số chính của sự trưởng thành về công nghệ và các kịch bản ứng dụng. Hiện tại, SST đã đạt đến mức điện áp 10 kV và 35 kV ở phía phân phối trung thế, trong khi ở phía truyền tải cao thế, chúng vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu phòng thí nghiệm và xác minh nguyên mẫu. Bảng dưới đây minh họa rõ ràng tình trạng hiện tại của các mức điện áp trên các kịch bản ứng dụng khác nhau:

1. Tại sao việc tăng mức điện áp lại khó khăn?
Mức điện áp của biến áp trạng thái rắn (SST) không thể đơn giản tăng lên bằng cách xếp chồng các thành phần; nó bị hạn chế bởi một loạt các thách thức kỹ thuật cơ bản:

1.1 Giới hạn chịu điện áp của thiết bị bán dẫn công suất

• Đây là cổ chai cốt lõi. Hiện tại, các SST chủ đạo sử dụng IGBT silicon hoặc MOSFET silicon carbide (SiC) tiên tiến hơn.

• Đánh giá điện áp của một thiết bị SiC đơn lẻ thường khoảng 10 kV đến 15 kV. Để xử lý các điện áp hệ thống cao hơn (ví dụ: 35 kV), nhiều thiết bị phải được nối tiếp. Tuy nhiên, nối tiếp giới thiệu các vấn đề phức tạp về "cân bằng điện áp," nơi ngay cả sự khác biệt nhỏ giữa các thiết bị cũng có thể dẫn đến mất cân đối điện áp và gây ra hỏng hóc mô-đun.

1.2 Thách thức trong công nghệ cách điện biến áp tần số cao

Lợi ích cốt lõi của SST nằm ở việc giảm kích thước thông qua hoạt động tần số cao. Tuy nhiên, dưới tần số cao, hiệu suất của vật liệu cách điện và phân bố điện trường trở nên cực kỳ phức tạp. Càng cao mức điện áp, yêu cầu về thiết kế cách điện, quy trình sản xuất và quản lý nhiệt của biến áp tần số cao càng khắt khe. Đạt được cách điện tần số cao mức chục kV trong không gian hạn chế đại diện cho một thách thức lớn về vật liệu và thiết kế.

1.3 Độ phức tạp của cấu trúc và điều khiển hệ thống

Để xử lý điện áp cao, SST thường sử dụng cấu trúc mô-đun tầng (ví dụ: MMC—Modular Multilevel Converter). Càng cao mức điện áp, số lượng mô-đun con cần thiết càng nhiều, dẫn đến cấu trúc hệ thống cực kỳ phức tạp. Khó khăn điều khiển tăng theo cấp số nhân, và cả chi phí lẫn tỷ lệ lỗi cũng tăng tương ứng.

2. Triển vọng trong tương lai
Mặc dù có những thách thức đáng kể, các đột phá công nghệ vẫn tiếp tục diễn ra:

• Tiến bộ thiết bị: Các thiết bị SiC và nitơ gallium (GaN) có đánh giá điện áp cao hơn đang được phát triển và đại diện cho nền tảng để đạt được SST điện áp cao hơn.

• Sáng tạo cấu trúc: Các mạch cấu trúc mới, như phương pháp lai (kết hợp biến áp truyền thống với bộ chuyển đổi điện tử công suất), được coi là con đường khả thi cho sự đột phá nhanh chóng trong các ứng dụng điện áp cao.

• Chuẩn hóa: Khi các tổ chức như IEE-Business bắt đầu thiết lập các tiêu chuẩn liên quan đến SST, điều này sẽ thúc đẩy thiết kế và kiểm tra chuẩn hóa, đẩy nhanh sự trưởng thành về công nghệ.

3. Kết luận
Hiện tại, SST 10 kV đã bước vào ứng dụng thương mại, và mức 35 kV đại diện cho mức cao nhất đạt được trong các dự án mô phỏng, trong khi mức điện áp 110 kV và cao hơn vẫn nằm trong lĩnh vực nghiên cứu kỹ thuật tiên phong. Sự tiến bộ về mức điện áp của biến áp trạng thái rắn là một quá trình dần dần phụ thuộc vào sự tiến bộ đồng bộ trong các công nghệ bán dẫn công suất, khoa học vật liệu, lý thuyết điều khiển và quản lý nhiệt.