ระบบความรู้ที่สมบูรณ์ของ Solid State Transformer (SST)

1. คำจำกัดความพื้นฐานและนามแฝง

โซลิดสเตตหม้อแปลงไฟฟ้า (SST) ชื่อทางวิชาการหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังอิเล็กทรอนิกส์ (PET)หรือที่รู้จักกันในชื่อสถานีย่อยโซลิดสเตต-อัจฉริยะหรือเราเตอร์พลังงานในอุตสาหกรรม

โดยพื้นฐานแล้วไม่ใช่หม้อแปลงแกนเหล็ก- แต่เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังแบบโมดูลที่รวมการแก้ไข การผกผัน การแยกความถี่สูง- และการควบคุมคุณภาพไฟฟ้า โดยอาศัยเซมิคอนดักเตอร์แถบความถี่กว้าง- SiC/GaN เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงและการแยกแรงดันไฟฟ้าผ่านการสลับความถี่สูง- โดยละทิ้งโครงสร้างแกนเหล็กความถี่-พลังงาน 50 Hz แบบดั้งเดิม-

คำว่า "สถานะของแข็ง-" หมายถึงไม่มีชิ้นส่วนที่หมุนได้หรือ-แกนเหล็กที่จุ่มน้ำมัน อุปกรณ์ทั้งหมดประกอบด้วยส่วนประกอบ-ส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์สถานะโซลิดทั้งหมด โดยแยกความแตกต่างจากหม้อแปลงความถี่-พลังงานเติมน้ำมัน-เหลว

2. หลักการทำงาน

มาจากสูตรการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า:

พื้นที่หน้าตัด-ของแกนเหล็กSเป็นสัดส่วนผกผันกับความถี่ในการทำงานf.

หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังแบบเดิม-ทำงานที่ความถี่คงที่ 50 Hz ซึ่งต้องใช้แกนเหล็กขนาดใหญ่

SST ช่วยเพิ่มความถี่ในการทำงานเป็น20 กิโลเฮิร์ตซ์ ~ 200 กิโลเฮิร์ตซ์โดยจะลดปริมาตรของส่วนประกอบแม่เหล็กลงเหลือ 1/10 ~ 1/5 ของขนาดเดิมเพื่อการย่อขนาด

ห่วงโซ่การแปลงกำลังหลักสาม-ขั้น:

ความถี่ไฟ AC กระแสสลับแรงดันสูง- → การควบคุมกระแสตรง → บัส DC แรงดันสูง-

กระแสตรงแรงดันสูง-กลับด้านเป็นกระแสสลับความถี่สูง- → การแปลงแรงดันไฟฟ้าแยกโดยหม้อแปลงความถี่สูง-ขนาดกะทัดรัด

AC ความถี่สูง-ในด้านทุติยภูมิแบบเรียงกระแส/กลับด้าน → AC ความถี่ต่ำ- หรือเอาต์พุต DC แรงดันไฟฟ้าสูง-

ข้อมูลทางเทคนิค

3. โทโพโลยีเชิงพาณิชย์หลักสามประการ

(1) โทโพโลยีสาม-ขั้น (กระแสหลักทางอุตสาหกรรม ประเภทฟังก์ชัน-เต็มรูปแบบ)

โครงสร้าง:สเตจวงจรเรียงกระแส AC/DC + สเตจแยกความถี่ DC/DC สูง- + สเตจอินเวอร์เตอร์ DC/AC

ระยะอินพุต: Cascaded H-bridge (CHB) / MMC การแก้ไขหลายระดับ- ปรับให้เข้ากับกริดแรงดันไฟฟ้ากลาง 10 kV และ 35 kV- โดยใช้การแก้ไขตัวประกอบกำลังและการปราบปรามฮาร์มอนิก

ขั้นตอนการแยก: DAB (Dual Active Bridge) / ตัวแปลงเรโซแนนซ์ CLLC (ค่อยๆ แทนที่ DAB สำหรับการสลับแบบ-โหลดแบบนุ่มนวล- และการสูญเสียที่น้อยลง) + หม้อแปลงแกนแม่เหล็กนาโนคริสตัลไลน์ความถี่สูง-

ระยะเอาต์พุต: สามารถเอาต์พุต AC หรือเอาต์พุตบัส 800 V DC

ข้อดี: บัส DC มีอยู่ทั้งด้านแรงดันไฟฟ้าสูงและต่ำ ช่วยให้สามารถจ่ายพลังงานได้สองทิศทาง การปราบปรามฮาร์มอนิกพร้อมกัน การเข้าถึงแหล่งกักเก็บพลังงาน และการปรับให้เข้ากับโครงข่ายไฟฟ้าไฮบริด AC-DC

การใช้งาน: สถานีไฟฟ้าย่อยกระจาย 10 kV, แหล่งจ่ายไฟสำหรับศูนย์คอมพิวเตอร์ AI, สถานีชาร์จ-ที่จัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์-แบบรวม

(2) โทโพโลยีสอง-ขั้น (แผนต้นทุน-ต่ำแบบน้ำหนักเบา)

สองประเภท: บัส DC ที่ด้านแรงดันไฟฟ้าสูง- หรือบัส DC ที่ด้านแรงดันไฟฟ้าต่ำ- โครงสร้าง: วงจรเรียงกระแส AC/DC + การแปลง DC/DC แบบแยกขั้นตอนเดียว-

อินเวอร์เตอร์ระยะหลัง-ถูกละไว้เพื่อเอาต์พุต DC โดยตรง ซึ่งมีโครงสร้างที่เรียบง่ายกว่าและการสูญเสียที่ต่ำกว่า

ข้อเสียเปรียบ: การรบกวนของโครงข่ายไฟฟ้าเกิดขึ้นควบคู่กับด้านแรงดันไฟฟ้าต่ำ-ได้อย่างง่ายดาย ความสามารถในการควบคุมคุณภาพไฟฟ้าที่อ่อนแอ

การใช้งาน: เสาชาร์จ EV พิเศษ-อย่างรวดเร็ว, การจัดเก็บพลังงานอุตสาหกรรมแบบกระจาย,-ไมโครกริดแรงดันต่ำ

(3) โทโพโลยี AC เมทริกซ์-เวทีเดียว- (เทคโนโลยีห้องปฏิบัติการที่ล้ำหน้า- ไม่ได้ทำในเชิงพาณิชย์)

ไม่มีตัวเก็บประจุ DC กลาง ตัวแปลงเมทริกซ์จะแปลงพลังงาน-AC ความถี่ให้เป็น- AC ความถี่สูงโดยตรง จากนั้นจึงคืนพลังงาน- AC ความถี่หลังจากผ่านหม้อแปลงความถี่สูง-
ส่วนประกอบน้อยที่สุดและมีความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดตามทฤษฎี อย่างไรก็ตาม หากไม่มีการเชื่อมโยงบัฟเฟอร์ DC ความผันผวนของกริดมีแนวโน้มที่จะทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าพัง และอัลกอริธึมการควบคุมมีความซับซ้อนมาก ได้รับการยืนยันในการวิจัยด้านการบินและอวกาศเท่านั้น

4. องค์ประกอบฮาร์ดแวร์หลัก

พาวเวอร์เซมิคอนดักเตอร์: อุปกรณ์กระแสหลักคือ 1200 V / 1700 V SiC MOSFET ชิป SiC 3.3 kV รองรับแรงดันไฟฟ้าสูง 35 kV- IGBT ที่ใช้ซิลิคอน-จะยุติลงจาก SST แรงดันไฟฟ้าปานกลาง- เนื่องจากการสูญเสียการสลับสูง

ส่วนประกอบแม่เหล็กความถี่สูง-: นาโนคริสตัลไลน์ โลหะผสมอสัณฐาน แกนเฟอร์ไรต์ Mn-Zn (แทนที่แผ่นเหล็กซิลิคอน) ที่มีการสูญเสียความถี่สูงเป็นพิเศษ-ต่ำ สูง-

ระบบควบคุม: สถาปัตยกรรม Dual-Core DSP+FPGA สำหรับการแชร์แรงดันไฟฟ้า/กระแส การควบคุมแรงดันไฟฟ้าระดับมิลลิวินาที- และการบล็อกข้อผิดพลาด

ระบบทำความเย็น: การระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบแช่ / การระบายความร้อนด้วยน้ำแบบแผ่นสำหรับรุ่นกำลังสูง- ระบายความร้อนด้วยอากาศสำหรับหน่วยขนาดเล็กและขนาดกลาง

หน่วยโมดูลาร์: สถาปัตยกรรมโมดูลาร์-มาตรฐานอุตสาหกรรม ISOP (Input Series Output Parallel) หน่วย SiC แรงดันไฟฟ้าต่ำ-เชื่อมต่อแบบอนุกรมเพื่อให้ทนต่อไฟฟ้าแรงสูง 10 kV; โมดูลที่ผิดพลาดสามารถข้ามได้โดยไม่ต้องปิดระบบ

5. การเปรียบเทียบ: โซลิดสเตตหม้อแปลงกับกำลังแบบดั้งเดิม-หม้อแปลงความถี่

6.-สถานการณ์การใช้งานเชิงลึก

(1) ระบบไฟฟ้าใหม่และด้านโครงข่ายไฟฟ้า

สถานีย่อยโซลิดสเตตที่ยืดหยุ่น-

แทนที่หม้อแปลงชนิดกล่อง-ที่ล้าสมัยในเมืองต่างๆ SST เดี่ยวรวมการควบคุมแรงดันไฟฟ้า การรักษาความไม่สมดุลสาม-เฟส การกรองฮาร์มอนิก และการแยกข้อผิดพลาด การแก้ปัญหา เช่น แรงดันไฟฟ้าต่ำบ่อยครั้งและกระแสไฟฟ้าที่เป็นกลางมากเกินไปในย่านที่พักอาศัยเก่า แยกข้อผิดพลาดได้ภายใน 0.8 วินาที ในขณะที่หม้อแปลงแบบเดิมใช้เวลามากกว่า 12 วินาที

แท่นเพิ่มพลังงานลมนอกชายฝั่ง

แพลตฟอร์มนอกชายฝั่งมีพื้นที่จำกัดและมีต้นทุนการก่อสร้างสูง SST ลดปริมาณลง 70% โดยกำจัดพลังงานขนาดใหญ่-ห้องหม้อแปลงความถี่ เพื่อลดต้นทุนการก่อสร้างทางวิศวกรรมนอกชายฝั่งและการยก เอาต์พุตกระแสตรงจากกังหันลมนอกชายฝั่งสามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับ SST เพื่อ-การส่งสัญญาณขั้นสูง

ไมโครกริดปิด-

สำหรับเกาะห่างไกล ด่านชายแดน และฐานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ภาคสนาม PV + การจัดเก็บพลังงาน + SST จะถูกจัดเก็บนอกระบบ-ระบบไฟฟ้ากริด เพื่อรักษาเสถียรภาพของความผันผวนของเอาต์พุตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่ไม่ต่อเนื่องโดยอัตโนมัติ

(2) ศูนย์คอมพิวเตอร์และศูนย์ข้อมูล (เส้นทางเชิงพาณิชย์ที่เร็วที่สุด)

SST กลายเป็นโซลูชันแหล่งจ่ายไฟ DC แรงดันไฟฟ้าสูง-มาตรฐานสำหรับคลัสเตอร์ NVIDIA และ Huawei AIDC. 10 kV ของเทศบาลเชื่อมต่อกับ SST โดยตรงและแปลงเป็น 800 V DC สำหรับตู้ GPU

กำจัดลิงก์การแปลง 5- ระดับ (หม้อแปลงกล่อง 10 kV → UPS 400 V AC → การแก้ไขหลายขั้นตอน) เพิ่มประสิทธิภาพการจ่ายไฟโดยรวมจาก 91% เป็น 97.5%

กระแสไฟของสายเคเบิลลดลงอย่างรวดเร็ว การใช้ทองแดงลดลง 55% ทำให้มีตู้คอมพิวเตอร์เพิ่มขึ้น 30% ในศูนย์ข้อมูล

อินเทอร์เฟซการจัดเก็บพลังงานในตัว-จะเชื่อมต่อแบตเตอรี่กับบัส DC เพื่อการสลับพลังงานที่ราบรื่น และลดเวลาหยุดทำงานของการประมวลผลเป็นศูนย์ในช่วงไฟดับ

โครงการนำร่องกำลังดำเนินอยู่ในคลัสเตอร์คอมพิวเตอร์ Guian East-data West-, Tencent Qingyuan Computing Base และ Alibaba Zhangbei Computing Park

(3) อุตสาหกรรมการขนส่ง

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบฉุดลากบน-สำหรับรถไฟความเร็วสูง-และ EMU

การเปลี่ยน-กำลังบนบอร์ด-หม้อแปลงแรงดึงความถี่ด้วย SST ความถี่สูง- ช่วยลดน้ำหนักยานพาหนะลง 40% ลดการสึกหรอของล้อ-ของรางรถไฟ และฝึกการใช้พลังงาน พลังงานไฟฟ้าที่สร้างขึ้นใหม่ในระหว่างการเบรกสามารถป้อนกลับไปยังโครงข่ายหรือจ่ายให้กับรถไฟที่อยู่ติดกัน ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานโดยรวมได้ 10%~15%

แหล่งจ่ายไฟที่ยืดหยุ่นสำหรับระบบรถไฟใต้ดิน

รถไฟใต้ดินในกว่างโจวและเซินเจิ้นดำเนินการนำร่องระบบจ่ายไฟแบบฉุดลาก SST เพื่อกำจัดมลพิษฮาร์โมนิกที่เกิดจากการทำงานของรถไฟใต้ดินและรีไซเคิลพลังงานเบรก ส่งผลให้พื้นที่ชั้นล่างของสถานีย่อยในสถานีรถไฟใต้ดินลดลงครึ่งหนึ่ง

พลังงานฝั่งท่าเรือสำหรับเรือ

เรือทั่วโลกใช้มาตรฐานแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่แตกต่างกัน (6 kV/10 kV, 50 Hz/60 Hz) SST ปรับให้เข้ากับแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่กำหนดเองเพื่อให้เกิดการเชื่อมต่อโครงข่ายที่ราบรื่นสำหรับเรือของประเทศต่างๆ และหลีกเลี่ยง-ไฟกระชากที่เชื่อมต่อโครงข่ายที่สร้างความเสียหายให้กับระบบไฟฟ้าของเรือ

(4) พาวเวอร์ซัพพลายที่มีความแม่นยำทางอุตสาหกรรม

เวิร์คช็อปการผลิตแผ่นเวเฟอร์และการพิมพ์หินสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

อุปกรณ์การพิมพ์หินและการแกะสลักมีความไวอย่างยิ่งต่อการรบกวนของแรงดันไฟฟ้า ความผันผวนของแรงดันไฟฟ้า 0.5% จะทำให้เกิดการทิ้งแผ่นเวเฟอร์ SST แยกฟ้าผ่าและการรบกวนส่วนโค้งออกจากโครงข่ายอย่างจริงจัง โดยจ่ายพลังงานสะอาดโดยมีค่าความผิดเพี้ยนฮาร์มอนิกรวม (THD) < 2%

เตาหลอมโลหะและแหล่งกักเก็บพลังงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่-

โรงงานเหล็กจะเก็บไฟฟ้าในช่วงนอก-ชั่วโมงเร่งด่วนและคายประจุในช่วงที่มีการใช้งานสูงสุด เมื่อรวมกับการแปลง SST แบบสองทิศทางสำหรับการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าแรงสูง- ค่าใช้จ่ายไฟฟ้าทางอุตสาหกรรมก็ลดลง

7. คอขวดของอุตสาหกรรม

อุปสรรคด้านต้นทุน
โมดูลพลังงาน SiC แรงดันไฟฟ้าสูง-ยังคงมีราคาแพง ค่าใช้จ่ายโดยรวมของ 10 kV SST คือ 3~6 เท่าของหม้อแปลงความถี่-กำลังความจุ-ที่เท่ากัน ซึ่งขาดผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจสำหรับเครือข่ายการจำหน่ายที่อยู่อาศัยทั่วไป

ความท้าทายด้านฉนวนความถี่สูง-
สนามไฟฟ้าความถี่สูง-ทำให้เกิดการคายประจุบางส่วนได้อย่างง่ายดาย ซึ่งจะช่วยเร่งการเสื่อมสภาพของวัสดุฉนวนภายใต้ไฟฟ้าแรงสูงและจำกัดอายุการใช้งานโดยรวม ซึ่งเป็นปัญหาทางเทคนิคที่ใหญ่ที่สุดสำหรับ- SST แรงดันไฟฟ้าสูง

ลัดวงจร-อ่อนแอ ทนทานต่อความจุของอุปกรณ์
หม้อแปลงความถี่-กำลังสามารถทนต่อแรงกระแทก-วงจรสั้นได้หลายวินาที ในขณะที่เซมิคอนดักเตอร์ SiC จะหมดพลังงานภายในไมโครวินาทีภายใต้สภาวะวงจร-ที่ลัดวงจร ต้องมีการติดตั้งการป้องกันซ้ำซ้อนและโมดูลบายพาสหลาย-ในระบบควบคุม ซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อนของระบบ

แสงน้อย-ประสิทธิภาพในการโหลด
เมื่อโหลดต่ำกว่ากำลังพิกัด 30% การสูญเสียการสวิตชิ่งจะครอบงำการสูญเสียพลังงาน SST และประสิทธิภาพจะลดลงต่ำกว่า 93% ในทางตรงกันข้าม หม้อแปลงความถี่-กำลังรักษาประสิทธิภาพไว้สูงกว่า 98% ภายใต้โหลดที่เบา ทำให้ SST ไม่เหมาะสำหรับสถานีจ่ายไฟในชนบทที่มีโหลดต่ำอย่างต่อเนื่อง

ระบบปฏิบัติการและการบำรุงรักษาที่ยังไม่สมบูรณ์
หม้อแปลงไฟฟ้าแบบดั้งเดิมมีระบบการบำรุงรักษาที่ครบกำหนดและแพร่หลาย SST ผสานรวมระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง การควบคุมแบบฝัง และเทคโนโลยีแม่เหล็กความถี่สูง- ทำให้เกิดข้อกำหนดทางเทคนิคที่สูงขึ้นสำหรับบุคลากรด้านการบำรุงรักษา

8. แนวโน้มการพัฒนาในอนาคต

อัปเกรดอุปกรณ์: การใช้อุปกรณ์ SiC แรงดันไฟฟ้าสูง 3.3 kV และ 6.5 kV อย่างค่อยเป็นค่อยไป- จะช่วยลดจำนวนซีรีส์-ยูนิตที่เชื่อมต่อ และทำให้โครงสร้างของ 10 kV/35 kV SST ง่ายขึ้น อุปกรณ์ GaN ทะลุการใช้งานแรงดันไฟฟ้าสูง-กำลังปานกลาง-

การวนซ้ำโทโพโลยี: โทโพโลยีเรโซแนนซ์ CLLC แทนที่ DAB อย่างครอบคลุมเพื่อแก้ปัญหาการสูญเสีย DAB สูงภายใต้โหลดเบา เมื่อแก้ไขปัญหาการควบคุมแล้ว โทโพโลยี AC-ขั้นเดียว-จะถูกนำไปใช้ในสถานการณ์การบินและอวกาศน้ำหนักเบา

บูรณาการสูง: ส่วนประกอบกำลัง ไดรฟ์ และเซ็นเซอร์ได้รับการบรรจุไว้ในโมดูล SiC IPEM ในตัว เพื่อลดระดับเสียงของอุปกรณ์เพิ่มเติม

ความแตกต่างของแอปพลิเคชัน

เครือข่ายการจำหน่ายในเมืองและชนบททั่วไปจะยังคงใช้เครื่องแปลงความถี่-แบบดั้งเดิม

ศูนย์คอมพิวเตอร์ สถานีชาร์จ-ที่รวดเร็วเป็นพิเศษ พลังงานลมนอกชายฝั่ง และการขนส่งทางรถไฟ จะได้เห็นการแพร่หลายของ SST ขนาดใหญ่-ในช่วงปี 2028 ถึง 2032

แอปพลิเคชั่นเครือข่าย: SST หลายแห่งก่อตัวเป็นคลัสเตอร์อินเทอร์เน็ตพลังงานเพื่อประสานงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ การจัดเก็บพลังงาน และโหลดการชาร์จภายในโครงข่ายไฟฟ้าระดับภูมิภาค