Kas ir stipra stāvokļa transformators? Kā tas atšķiras no tradicionālā transformatora?
Solid State Transformer (SST)
Solid State Transformer (SST) ir elektroenerģijas pārveidošanas ierīce, kas izmanto moderno enerģētisko elektroniku un poluprovadītāju detaļas, lai sasniegtu sprieguma pārveidošanu un enerģijas pārnosešanu.
Galvenās atšķirības no parastajiem transformatoriem
Atšķirīgas darbības principi
Parasts Transformators: Balstās uz elektromagnētisku indukciju. Tas maina spriegumu caur elektromagnētisko savienojumu starp primāro un sekundāro vitiņu ar dzelzs ķermeni. Tas ir būtībā tiešs "magnētisks-magnētisks" konvertēšanas process zemfrekvenču (50/60 Hz) AC enerģijai.
Solid State Transformer: Balstās uz enerģētisko elektronikas konvertēšanu. Tas vispirms rektificē ievades AC uz DC (AC-DC), tad veic augstfrekvenču izolāciju (parasti izmantojot augstfrekvenču transformatoru vai kapacitīvu izolāciju), lai pārveidotu spriegumu (caur DC-AC-DC vai DC-DC stadijām) un beigās inversē izvadi līdz nepieciešamam AC vai DC spriegumam. Šis process ietver enerģijas konvertēšanu no elektriskas → augstfrekvenčas elektriskas → elektriskas.
Atšķirīgi ķermeņa materiāli
Parasts Transformators: Galvenie komponenti ir laminēti silīcijs dzelzs ķermeņi un varš/vairogs vitiņas.
Solid State Transformer: Galvenie komponenti ietver poluprovadītāju jaudas slēdzes (piemēram, IGBT, SiC MOSFET, GaN HEMT), augstfrekvenčus magnētiskos elementus (transformatorus vai induktorus augstfrekvenčai izolācijai), kondensatorus un pašreizējus kontroles shēmas.
Pamatstruktūra SST (vienkāršota)
Typisks SST parasti sastāv no trim galvenajām jaudas pārveidošanas stadijām:
Ievades rektifikācijas stadija: Pārveido ievades līnijas frekvences AC spriegumu (piemēram, 50 Hz vai 60 Hz) uz starppozīcijas DC šķidrādiņa spriegumu.
Izolācija / DC-DC konvertēšanas stadija: Galvenā stadija. Starppozīcijas DC spriegums tiek inversēts augstfrekvenču AC (no dažiem kHz līdz simtiem kHz), kas palaista augstfrekvenču izolācijas transformatoru (daudz mazāks un gaismāks nekā līnijas frekvences transformators). Sekundārā puse pēc tam rektificē augstfrekvenču AC atpakaļ uz DC. Šajā stadijā tiek sasniegta gan sprieguma pārveidošana, gan kritiska gālvaniskā izolācija. Dažas topoloģijas izmanto augstfrekvenčus izolētos DC-DC konverterus šim nolūkam.
Izvades inversijas stadija: Pārveido izolēto DC spriegumu uz nepieciešamo līnijas frekvenci (vai citu frekvenci) AC spriegumu krājumam. Lai iegūtu DC izvadi, šī stadija var tikt vienkāršota vai izlaista.
Galvenās SST īpašības un priekšrocības
Kompaktais izmērs un gaismas svars: Augstfrekvenču transformatori prasa daudz mazāk ķermeņa materiālu, izbeidzot smago dzelzs ķermeni. Tilpums un svars parasti ir 30%–50% (vai mazāk) no ekvivalentas jaudas parastajiem transformatoriem.
Augsta enerģijas blīvība: Sasniedzama dēļ minimālās izmēru.
Augsta jaudas blīvība: Spēj apstrādāt lielāku jaudu vienību tilpumā.
Plašs ievades/izvades sprieguma diapazons: Fleksīgas kontrolēšanas stratēģijas ļauj pielāgot ievades jaudas faktoru un izvades spriegumu/strāvu, padarot SST ideālas integrācijai nestabilitātes atjaunojamās enerģijas avotiem (piemēram, PV, vējenerģija) vai DC piegādes tīklus. Tie var nodrošināt augstākās kvalitātes, zemas deformācijas AC izvadi vai stabilu DC izvadi.
Kontrolējama elektriskā izolācija: Pāri pamatizolācijai, SST var ierobežot defektu strāvas un nodrošināt uzlabotu tīkla aizsardzību.
Divvirziena enerģijas plūsma: Būtiski spējīga divvirziena enerģijas pārnosešanai, ideāla lietojumiem, piemēram, EV V2G (transportlīdzeklis uz tīklu) un enerģijas krājēji.
Inteligenta un kontrolējama: Aprīkots ar pašreizējiem kontrolleriem, kas ļauj:
Jaudas faktora korekcija
Aktīvās/reactīvās jaudas regulēšana
Sprieguma un frekvences stabilizācija
Harmoniku mazināšana
Reāllaika uzraudzība un aizsardzība
Attālināta komunikācija un koordinēta kontrolēšana (ideāla smart grid)
Bez eļļas un videi draudzīga: Bez izolējošas eļļas, izbeidzot piesārņojumu un ugunsgrēku risku.
Samazinātas varša un dzelza zaudējumi: Augstefektīva augstfrekvenču magnētika kopā ar augstefektīviem poluprovadītājiem (jo īpaši SiC/GaN) ļauj sasniegt sistēmas efektivitāti, kas salīdzināma vai pat labāka nekā augstākās klasē parastajiem transformatoriem.
SST problēmas un trūkumi
Augsts izmaksas: Poluprovadītāju detaļas, augstfrekvenču magnētika un kontrolēšanas sistēmas pašlaik ir daudz dārgākas nekā dzelzs un varš, kas izmantotas parastajos transformatoros. Tas ir lielākais šķērslis plašai izplatībai.
Uzticamības problēmas: Poluprovadītāju detaļas ir potenciālie defektu punkti (salīdzinājumā ar transformatoru vitiņu ilgstošumu), kas prasa sarežģītas rezervēšanas, termiskas pārvaldības un aizsardzības shēmas. Augstfrekvenču pārslēgšana var arī radīt elektromagnētisku interferenci (EMI).
Termiskās pārvaldības problēmas: Augsta jaudas blīvība rada lielu siltuma izdalīšanas prasību, kas prasa efektīvus dzesēšanas risinājumus.
Augsta tehniskā sarežģītība: Izstrāde un ražošana ietver vairākas disciplīnas—enerģētiskā elektronika, elektromagnētika, materiālu zinātne, kontrolteorija un termiskā pārvaldība—kas rada augstu ieceļa barjeras.
Zema standartizācija: Tehnoloģija joprojām attīstās, un saistītās normas un specifikācijas vēl nav pilnībā pilnveidotas vai vienotas.
SST lietojuma scenāriji (pašreizējie un nākotnes)
Nākotnes Smart Grid: Piegādes tīkli (aizstājot stiprinājumu transformatorus), mikrotīkli (iespējojot AC/DC hibrīdu mikrotīklu savienojumu), enerģijas maršrutētāji.
Elektrificētais transports: Ultrā grezni EV uzlādēšanas stacijas, elektrificētais dzelzceļa trakcijas elektroenerģijas piegāde (jo īpaši vidējā un zemā sprieguma lietojumiem).
Atjaunojamās enerģijas integrācija: Kā efektīvs, inteliģents interfeiss, lai savienotu vēja un saules enerģiju ar tīklu (īpaši piemērots vidēja sprieguma tiešai savienojumam).
Datortelpas: Kā kompakts, efektīvs un inteliģents enerģijas pārveidošanas mezglis, aizstājot tradicionālos UPS priekšgalas transformatorus.
Speciālie rūpnieciskie lietojumi: Scenāriji, kas prasa augstu kontrollējamību, augstu kvalitāti enerģiju, telpu ierobežojumus vai biežu enerģijas pārveidošanu.
Kopsavilkums
Solid State Transformer (SST) pārstāv revolucionāru virzību transformatoru tehnoloģijā. Izmantojot enerģētisko elektroniku un augstfrekvenču izolāciju, SST pārvar parastu transformatoru fiziskās ierobežojumus, sasniedzot miniaturizāciju, gaismas svaru, intelektualitāti un multifunkcionālumu. Neraugoties uz augstām izmaksām, uzticamības problēmām un tehnisku sarežģītību, kas pašlaik ierobežo plašu izmantošanu, nepārtraukti progresējošās semikonduktoru tehnoloģijas (jo īpaši platā spektra detaļas, piemēram, SiC un GaN), magnētiskie materiāli un kontrolēšanas algoritmi veicina progresu. SST ir gatavs spēlēt kritisko lomu, veidojot elastīgākus, efektīvākus un inteliģentākus nākotnes enerģijas sistēmas, aizstājot parastus transformatorus augstvērtīgās un specializētās lietojumprogrammas.
