Технология на твърдотелните трансформатори: Комплексен анализ

Технология твърдотелни трансформатори: Комплексен анализ

Този доклад е основан на уроци, публикувани от Лабораторията за системи с мощностна електроника при ETH Zurich, предоставяйки комплексен преглед на технологията на твърдотелните трансформатори (SST). Докладът детайлно разглежда принципите на работа на SST и техните революционни предимства в сравнение с традиционните трансформатори с линейна честота (LFT), систематично анализира ключовите технологии, топологии, индустриални приложения и изчерпателно изследва текущите основни предизвикателства и бъдещи насочения на изследванията. SST се считат за ключови възможности за бъдещите интелигентни мрежи, интеграция на възобновяема енергия, центрове за обработка на данни и електрификация на транспорта.

1. Въведение: Основни концепции и основни мотивации на SST

1.1 Ограничения на традиционните трансформатори

Традиционните трансформатори с линейна честота (50/60 Hz), въпреки че са изключително ефективни, надеждни и икономически, имат вродени ограничения:

• Голям размер и тегло: Нискочестотната операция изисква огромни магнитни ядра и намотки

• Една функционалност: Без активни контролни възможности, неспособни да регулират напрежението, да компенсират реактивната мощност или да подтиснат гармоничните помрачавания

• Слаба адаптивност: Чувствителни към DC биас, неравновесие на товара и гармонични помрачавания

• Фиксиран интерфейс: Обикновено поддържат само преобразуване AC-AC, което затруднява директната интеграция с DC системи

1.2 Основни предимства на SST

SST фундаментално преобразуват преобразуването на енергия чрез високочестотна технология за преобразуване на мощностна електроника:

• Високочестотна изолация: Използва трансформатори със средна честота (MFT, обикновено на килогерцови нива), значително намалява размера и теглото (обем ∝ 1/f)

• Пълна контролируемост: Позволява независим контрол на активна/реактивна мощност, гладко регулиране на напрежението, ограничаване на тока при повреда и други напреднали функции

• Универсални интерфейси: Гъвкаво реализира преобразувания AC/AC, AC/DC, DC/DC, като го прави идеален хаб за бъдещите хибридни мрежи AC/DC

• Висока плътност на мощността: Особено подходяща за приложения с ограничения по пространство и тегло (железнодорожен транспорт, кораби, центрове за обработка на данни)

2. Подробен анализ на ключовите технологии на SST

2.1 Основни топологии за преобразуване на мощност

• Двойна активна мостова система (DAB): Една от най-популярните топологии. Регулира мощността чрез контрол на фазовото съвпадение между мостовете, позволяващо мягко комутационно управление (ZVS) за намаляване на загубите. Подходяща за приложения, изискващи широк диапазон на контрол на мощността.

• DC трансформатор (DCX): Функционира на резонансна честота, за да постигне фиксирано отношение на преобразуване на напрежението, предавайки мощност без активно управление като "традиционен трансформатор". Проста конструкция с висока надеждност, особено подходяща за многомодулни системи с последователно вход (например ISOP), осигурява естествено равновесие на напрежението.

• Модуларен многоуровнев преобразувател (MMC): Подходящ за по-високи нива на напрежение, високо модуларен с добра излишност и висококачествени изходни вълни, въпреки че алгоритмите за управление и балансиране на напрежението на кондензаторите са сложни.

• Класификация: Могат да бъдат класифицирани като Input-Series Output-Parallel (ISOP), Изолирана фронтална част (IFE), Изолирана задна част (IBE) и т.н., за да се адаптират към различни изисквания на приложението.

2.2 Полупроводникови устройства за мощност

• SiC MOSFET: Ключово устройство за развитие на SST. Неговата висока пробойна сила, бърза скорост на комутиране и ниско омическо съпротивление го правят идеално за приложения със средно напрежение и висока честота. Устройствата SiC с напрежение 10kV+ стимулират директни интерфейси със средно напрежение с единични устройства или конфигурации с малко серийни връзки, намалявайки броя на модулите и намалявайки "стратата от модуларност."

• IGBT: В момента най-широко използвано устройство в приложения със средно напрежение, със зряла технология и относително по-ниска цена, въпреки че честотата на комутиране и производителността му обикновено отстъпват на SiC.

2.3 Трансформатор със средна честота (MFT)

MFT представлява ядрото и дизайнерското предизвикателство на SST:

• Дизайнерски предизвикателства: Значителни загуби от вихреви течения и близостни ефекти на висока честота; изисквания за изолация (особено ниво на устойчивост към удари от мълния BIL) не намаляват с честотата, ставайки ограничителен фактор за размера; съществуват компромиси между разсейването на топлина и изолация.

• Материалите: Силициден желяз, аморфни легири, нанокристални материали, ферити и т.н., избирани в зависимост от честотата и мощността.

• Структура: Конструкцията с корпус (E-core) е по-общи, облекчавайки контрола на утечковата индуктивност и паразитните параметри.

• Охлаждане: Ефективни дизайни могат да използват въздушно охлаждане, докато крайно високата плътност на мощността изисква течностно охлаждане (вода или масло).

2.4 Предизвикателства на системно ниво

• Изоляционна координация: Трябва да отговаря на строги стандарти за безопасност (например IEC 62477-2), при които критични фактори за определяне размера на оборудването са дължината на пътя и разстоянието между изолаторите.

• Защита: Ударите от мълнии и коротките връзки в средноволтовите мрежи могат значително да повлияят върху SST-тата. Схемите за защита трябва да вземат предвид селективността, скоростта и надеждността, като изискванията за защита значително влияят върху индуктивността на входа на SST и избора на полупроводници.

• Надеждност: Многомодулните проекти могат да подобрят системната надеждност чрез резервиране (например конфигурация N+1). Въпреки това, нерезервираните компоненти като системи за управление и вспомагателни източници на напрежение могат да станат узели за системната надеждност.

3. Индустриални приложения

3.1 Новопоколенни системи за тракция в железопътния транспорт

Едно от най-ранните и най-зрели области на приложение. Заменя линейните тракционни трансформатори на локомотивите, осъществявайки преобразуване AC-DC. Значителни предимства включват намаление на теглото над 50%, подобряване на ефективността с 2-4% и спестяване на пространство.

3.2 Възобновяема енергия и нови електрически мрежи

• Вятър/Слънце: Позволява събиране на средноволтов DC за вятърни турбини/фотоелектрически масиви, намалявайки загубите и разходите за кабели, както и облекчавайки интеграцията на HVDC предаване.

• DC микросети: Функционира като интерфейс AC/DC и DC/DC, позволявайки гъвкава интеграция на възобновяема енергия, съхранение и потребители с възможности за управление на енергията.

• Умни мрежи: Функционира като "маршрутизатор на енергията", предоставящ поддръжка на напрежението, регулиране на качеството на енергията и контрол на двупосочния поток на енергията.

3.3 Електроенергийно снабдяване на данни центрове

Заменя традиционната архитектура "LFT + серверска система за снабдяване с електроенергия", преобразувайки MVAC директно в LVDC (например 48V) или дори по-ниски напрежения, намалявайки стадиите на преобразуване и подобрявайки общата ефективност. Предизвикателство: Преимуществата на текущата ефективност и плътност на мощността на SST в сравнение с решенията с висока ефективност LFT+SiC не са още ясни, с по-висока сложност и цена.

3.4 Сверхбързо зареждане на електромобили (XFC)

Директно свързване със средноволтовите мрежи (10kV или 35kV) предоставя мощност за зареждане на MW ниво, осигурявайки "газостаноподобен" опит. Енергийните хабове интегрират местно съхранение и PV за намаляване на пики и услуги на мрежата (V2G).

3.5 Други специализирани приложения

• Морска електрическа привод: Използва се в системи за разпределение на средноволтов DC за оптимизиране на разпределението на натоварването на генераторите и интеграция на съхранение на енергия.

• Авиационни системи за енергия: Предоставя решения за разпределение на енергия с висока плътност на мощност за по-електрически/всичко-електрически самолети.

• Пристанищен "Cold Ironing": Предоставя средноволтов брегов ток на закотвените кораби, позволявайки изключване на вспомагателните двигатели, намалявайки емисиите и шума.

4. Предизвикателства и бъдещи насоки за изследвания

4.1 Текущи основни предизвикателства

• Прехвърлено ценово: Текущите капитални разходи (CAPEX) на SST значително надвишават традиционните решения с LFT.

• Пеналитет за модуларност: Увеличаването на броя на модулите води до нелинейно увеличение на размера, теглото и сложността на системата, компенсирайки високата плътност на мощността на MFT.

• Бутало за ефективност: Многоетапното преобразуване (AC-DC + DC-DC + DC-AC) затруднява надвишаването на ефективността на комбинации с висока ефективност LFT (>99%) + високо ефективен преобразувател (>99%).

• Стандартизация и надеждност: Липса на единни стандарти и дългосрочни данни за полево използване; валидацията на надеждността и прогнозирането на продължителността на живота са критични за индустриализацията.

4.2 Бъдещи насоки за изследвания

• Устройства и материали: Разработване на устройства с SiC с по-високо напрежение (>15kV); създаване на нови материали с ниски загуби, висока термална проводимост и висока изолационна сила.

• Топология и интеграция: Оптимизиране на топологиите за намаляване броя на ключовете; изследване на по-компактни структури като MMC; разработване на техники за системна интеграция за намаляване на обема на вспомагателните системи и защитата.

• Демонстрационни проекти: Създаване на демонстрационни проекти в реален мащаб (пълно напрежение, пълна мощност, пълни стандарти) за обективна оценка.

• Системни изследвания: Провеждане на комплексни изследвания на общата собствена стойност (TCO) и жизнен цикъл (LCA) за изясняване на истинската стойност на SST.

• Устойчивост: Регламентиране на ремонтопригодността, повторната употреба и цикличната икономика от фазата на проектиране, за справяне с предизвикателствата на електронните отпадъци.

5. Резюме и перспективи

Твърдото трансформаторно устройство (SST) е нещо повече от просто замяна на традиционните трансформатори - то е мултифункционален, контролируем умален възел на интелигентната мрежа. Въпреки че настоящите разходи и нивото на зрялост все още не позволяват пълна конкуренция с традиционните решения, неговите революционни предимства в функционалното разнообразие, контролируемостта и естествената поддръжка за DC мрежи са неоспорими. Бъдещето развитие зависи от междудисциплинарно сътрудничество (електроника на мощността, материали, високонапрегнато изолиране, термално управление, контрол) и ясни приложениета-ориентирани подходи. В специфични области като системи за тракция, морски приложения и DC събиране, SST-тата вече са доказали незаменима стойност. С постоянните напредъци в SiC технологията, топологичните иновации и оптимизацията на системата, очаква се SST-тата да се разширяват постепенно към по-общи пазарни приложения през следващото десетилетие, ставайки основна технология за изграждане на ефективни, гъвкави и устойчиви бъдещи енергийни системи.