Sistema ta' Għarfien Tlesti ta' Transformer ta' Stat Solidu (SST).

1. Definizzjoni Bażika & Psewdonimi

Solid State Transformer (SST), jismu akkademikamentTransformer Elettroniku tal-Enerġija (PET), magħrufa wkoll bħala substation ta' stat solidu-intelliġenti jew router tal-enerġija fl-industrija.

Essenzjalment mhux transformer tal-qalba tal-ħadid-, huwa apparat elettroniku ta 'enerġija modulari li jintegra rettifika, inverżjoni, iżolament ta'-frekwenza għolja u regolazzjoni tal-kwalità tal-enerġija. Jiddependi fuq semikondutturi tal-bandgap SiC/GaN wiesgħa-biex jirrealizza t-trasformazzjoni u l-iżolament tal-vultaġġ permezz ta 'swiċċjar ta'-frekwenza għolja, u jabbanduna l-istruttura tal-qalba tal-qawwa-frekwenza tal-ħadid-tradizzjonali ta' 50 Hz.

It-terminu "stat-solidu" jindika l-ebda partijiet li jduru jew qlub tal-ħadid-mgħaddsa fiż-żejt; l-apparat kollu jikkonsisti kompletament minn komponenti ta' semikondutturi ta' stat solidu-, li jiddistingwuh minn transformers tal-frekwenza ta' qawwa-mimlijin bi żejt likwidu-.

2. Prinċipju ta 'Ħidma

Derivat mill-formula ta 'induzzjoni elettromanjetika:

Iż-żona tal--sezzjoni trasversali tal-qalba tal-ħadidShuwa inversament proporzjonali għall-frekwenza operattivaf.

It-trasformaturi tal-frekwenza tal-qawwa-tradizzjonali joperaw f'50 Hz fiss, li jeħtieġu qlub tal-ħadid goffi.

SST isaħħaħ il-frekwenza operattiva għal20 kHz ~ 200 kHz, li jiċkien il-volum tal-komponenti manjetiċi għal 1/10 ~ 1/5 tad-daqs oriġinali għall-minjaturizzazzjoni.

Katina ta' konverżjoni tal-enerġija ta' tliet-stadji prinċipali:

Frekwenza tal-enerġija AC vultaġġ għoli-kurrent alternanti → rettifika kkontrollata → vultaġġ għoli-bus DC

Vultaġġ għoli-DC maqlub f'kurrent alternanti ta'-frekwenza għolja → trasformazzjoni ta' vultaġġ iżolat permezz ta' transformer ta'-frekwenza għolja kompatt

-Frekwenza għolja AC fuq in-naħa sekondarja rettifikata/invertita → frekwenza baxxa-AC jew vultaġġ għoli-output DC

Data Teknika

3. Tliet Topoloġiji Kummerċjali Ewlenin

(1) Topoloġija bi tliet-stadji (Mainstream Industrijali, Tip ta'-funzjoni sħiħa)

Struttura:Stadju tar-Rettifikatur AC/DC + Stadju tal-Iżolament ta'-frekwenza għolja DC/DC + Stadju tal-Inverter DC/AC

Stadju ta 'input: Rettifika ta' multi-livell ta' H-kaskata (CHB) / MMC tadatta għal grilji ta 'vultaġġ medju- ta' 10 kV & 35 kV, li timplimenta korrezzjoni tal-fattur tal-enerġija u soppressjoni armonika;

Stadju ta 'iżolament: DAB (Dual Active Bridge) / konvertitur reżonanti CLLC (gradwalment tissostitwixxi DAB għal -tagħbija sħiħa-swiċċjar artab u telf aktar baxx) + transformer tal-qalba manjetika nanokristallina ta' frekwenza għolja-;

Stadju tal-ħruġ: kapaċi output AC jew output bus 800 V DC.

Vantaġġi: DC buses jeżistu kemm fuq naħat ta 'vultaġġ għoli kif ukoll baxx, li jippermettu fluss ta' enerġija bidirezzjonali, soppressjoni armonika simultanja, aċċess għall-ħażna tal-enerġija, u adattament għal grilji tal-enerġija ibridi AC-DC.

Applikazzjonijiet: Substations ta' distribuzzjoni ta' 10 kV, provvista ta' enerġija għal ċentri ta' kompjuters AI, stazzjonijiet integrati ta'-ħażna-fotovoltajċi għall-iċċarġjar.

(2) Topoloġija f'żewġ-stadji (Iskema -Ħfief bi spiża baxxa)

Żewġ tipi: DC bus fuq in-naħa ta'-vultaġġ għoli jew DC bus fuq in-naħa ta'-vultaġġ baxx. Struttura: Rettifika AC/DC + konverżjoni DC/DC iżolata ta '-stadju wieħed.

L-inverter ta' wara l--stadju jitħalla barra biex joħroġ DC direttament, li fih struttura aktar sempliċi u telf aktar baxx.

Żvantaġġ: disturbi tal-grilja faċilment jgħaqqdu man-naħa ta' vultaġġ baxx-, kapaċità dgħajfa ta' regolazzjoni tal-kwalità tal-enerġija.

Applikazzjonijiet: Munzelli ta' ċċarġjar ultra-veloċi tal-EV, ħażna ta' enerġija industrijali distribwita, mikrogrids ta'-vultaġġ baxx.

(3) Topoloġija tal-AC-AC Matriċi ta'-stadju wieħed (Teknoloġija tal-laboratorju tal--aktar avvanzata, mhux kummerċjalizzata)

Ebda capacitors intermedji DC. Il-konvertitur tal-matriċi jikkonverti direttament l-enerġija-AC ta' frekwenza f'-AC ta' frekwenza għolja, imbagħad jerġa' jġib lura l-enerġija-AC ta' frekwenza wara li jgħaddi t-transformer ta'-frekwenza għolja.
Komponenti minimi u teoretikament l-ogħla densità ta 'enerġija. Madankollu, mingħajr DC buffer links, il-varjazzjonijiet tal-grilja għandhom it-tendenza li jkissru l-apparati tal-enerġija, u l-algoritmi ta 'kontroll huma estremament kumplessi. Verifikat biss fir-riċerka aerospazjali.

4. Kompożizzjoni tal-Ħardwer tal-Qofol

Semikondutturi tal-Enerġija: L-apparati mainstream huma 1200 V / 1700 V SiC MOSFETs; Ċipep SiC ta' 3.3 kV iservu xenarji ta' vultaġġ għoli-35 kV. L-IGBTs ibbażati fuq is-silikon-jitneħħew gradwalment minn SST ta'-vultaġġ medju minħabba telf għoli ta' swiċċjar.

Komponenti Manjetiċi ta'-frekwenza għolja: Nanokristallin, liga amorfa, Qlub tal-ferrite Mn-Zn (li jissostitwixxu folji tal-azzar tas-silikon) b'telf ta' frekwenza ultra{-għoli-.

Sistema ta' Kontroll: Arkitettura doppja-qalba DSP+FPGA għall-kondiviżjoni tal-vultaġġ/kurrent, regolazzjoni tal-vultaġġ fil-livell ta' millisecond-u mblukkar tal-ħsarat.

Sistema tat-tkessiħ: Tkessiħ bil-likwidu ta 'immersjoni / tkessiħ ta' l-ilma tal-pjanċa għal mudelli ta '-qawwa għolja; tkessiħ bl-arja għal unitajiet żgħar u medji.

Unità Modulari: Industrija-arkitettura modulari standard ISOP (Input Series Output Parallel). L-unitajiet SiC ta '-vultaġġ baxx huma konnessi f'serje biex jifilħu vultaġġ għoli ta' 10 kV; moduli difettużi jistgħu jiġu bypassed mingħajr għeluq tas-sistema.

5. Tqabbil: Transformer tal-Istat Solidu vs Transformer tal-frekwenza tal-Qawwa Tradizzjonali-

6. -Xenarji ta' Applikazzjoni fil-fond

(1) New Power System & Power Grid Side

Substation ta' stat solidu-flessibbli

Jissostitwixxi transformers tat-tip kaxxa-skaduti fl-ibliet. SST wieħed jintegra r-regolazzjoni tal-vultaġġ, it-trattament ta 'żbilanċ bi tliet-fażijiet, filtrazzjoni armonika u iżolament tal-ħsarat, issolvi problemi bħal vultaġġ baxx frekwenti u kurrent newtrali eċċessiv f'distretti residenzjali qodma. Tiżola l-ħsarat fi żmien 0.8 sekondi, filwaqt li t-trasformaturi tradizzjonali jieħdu aktar minn 12-il sekonda.

Pjattaformi tal-booster tal-enerġija mir-riħ lil hinn mix-xtut

Pjattaformi offshore għandhom spazju limitat u spejjeż ta 'kostruzzjoni għoljin. L-SST inaqqas il-volum b'70%, u jelimina l-kabini tat-trasformaturi tal-frekwenza tal-qawwa-kbar biex jitnaqqsu l-ispejjeż tal-kostruzzjoni u l-irfigħ tal-inġinerija offshore. L-output DC minn turbini tar-riħ lil hinn mix-xtut jista' jkun imqabbad direttament ma' SST għal trażmissjoni step-up.

Mikrogrids barra-grid

Għal gżejjer remoti, postijiet ta' fruntiera u bażijiet fotovoltajċi fuq il-post, PV + ħażna ta' enerġija + SST jifforma sistemi ta' enerġija f'kontenituri off-grid biex jistabbilizzaw awtomatikament varjazzjonijiet intermittenti tal-produzzjoni fotovoltajka.

(2) Ċentri tal-Kompjuting u Ċentri tad-Dejta (l-iktar binarju kummerċjalizzat mgħaġġel)

SST isir is-soluzzjoni standard ta 'provvista ta' enerġija DC ta 'vultaġġ għoli ta' 800 V - għal clusters NVIDIA & Huawei AIDC . 10 kV enerġija muniċipali tikkonnettja ma 'SST direttament u tikkonverti f'800 V DC għall-kabinetti GPU.

Jelimina links ta 'konverżjoni ta' 5-stadji (transformer tal-kaxxa ta '10 kV → 400 V AC UPS → rettifika f'diversi stadji), li żżid l-effiċjenza ġenerali tal-provvista tal-enerġija minn 91% għal 97.5%.

Il-kurrent tal-kejbil jonqos drastikament, il-konsum tar-ram maqtugħ b'55%, li jippermetti 30% aktar kabinetti tal-kompjuter skjerati fis-swali tad-dejta.

Interfaces tal-ħażna tal-enerġija mibnija-tgħaqqad il-batteriji ma' karozzi tal-linja DC għal swiċċjar bla xkiel tal-enerġija u ħin ta' waqfien tal-kompjuters żero waqt qtugħ ta' dawl.

Proġetti pilota qed jaħdmu fil-Guian East-data West-computing Cluster, Tencent Qingyuan Computing Base u Alibaba Zhangbei Computing Park.

(3) Industrija tat-Trasport

Transformers ta' trazzjoni-abbord għal ferroviji ta'-veloċità għolja u EMUs

Is-sostituzzjoni ta'-trasformaturi ta' trazzjoni ta' frekwenza-abbord b'SST ta'-frekwenza għolja tnaqqas il-piż tal-vettura b'40 %, u tnaqqas l-użu tar-roti-ferroviji u l-konsum tal-enerġija tal-ferrovija. L-enerġija elettrika riġenerata waqt l-ibbrejkjar tista 'tittieħed lura lill-grilja jew tiġi fornuta lill-ferroviji li jmissu magħhom, u tnaqqas il-konsum ġenerali tal-enerġija b'10% ~ 15%.

Provvista ta 'enerġija flessibbli għal sistemi tal-metro

Il-linji tal-metro f'Guangzhou u Shenzhen iwettqu piloti ta 'provvista ta' enerġija ta 'trazzjoni SST biex jeliminaw it-tniġġis armoniku ikkawżat mit-tħaddim tal-metro u jirriċiklaw l-enerġija tal-ibbrejkjar, u jnaqqsu bin-nofs l-erja tal-art tas-substazzjonijiet tal-metro.

Qawwa tax-xatt tal-port għall-vapuri

Vapuri madwar id-dinja jadottaw standards differenti ta 'vultaġġ u frekwenza (6 kV/10 kV, 50 Hz/60 Hz). SST jadatta għal vultaġġ u frekwenza arbitrarji biex jirrealizza konnessjoni tal-grilja bla xkiel għal vapuri ta 'diversi pajjiżi u jevita żidiet ta' grilja-konnessi li jagħmlu ħsara lis-sistemi tal-enerġija tal-vapuri.

(4) Provvista ta 'Enerġija ta' Preċiżjoni Industrijali

Workshops tal-fabbrikazzjoni tal-wejfer u tal-litografija għall-industrija tas-semikondutturi

It-tagħmir tal-litografija u tal-inċiżjoni huma estremament sensittivi għad-disturb tal-vultaġġ; fluttwazzjoni tal-vultaġġ ta '0.5% tikkawża skrappjar tal-wejfer. SST iżola b'mod attiv l-attakki tas-sajjetti u t-tfixkil tal-ark mill-grilja, u jipprovdi enerġija nadifa b'distorsjoni armonika totali (THD) < 2%.

Fran tal-ark metallurġiku u ħażna tal-enerġija industrijali fuq skala kbira-

L-impjanti ta' l-azzar jaħżnu l-elettriku matul il-ħinijiet off-peak u jaqilgħu l-elettriku matul il-perjodi l-aktar għolja. Flimkien ma 'konverżjoni bidirezzjonali SST għal ħażna ta' enerġija ta '-vultaġġ għoli, in-nefqa tal-elettriku industrijali titnaqqas.

7. Industrijalizzazzjoni Bottlenecks

Ostakolu tal-Ispejjeż
Moduli ta' enerġija SiC ta' vultaġġ għoli-għadhom għaljin. L-ispiża ġenerali ta 'SST ta' 10 kV hija 3 ~ 6 darbiet dik ta 'transformer ta' frekwenza ta '-qawwa ta' kapaċità- ugwali, nieqes minn benefiċċji ekonomiċi għal netwerks ta 'distribuzzjoni residenzjali ordinarji.

Isfida ta' -Insulazzjoni ta' frekwenza għolja
Kampi elettriċi ta' frekwenza għolja-faċilment iqanqlu skarigu parzjali, jaċċelleraw it-tixjiħ tal-materjali iżolanti taħt vultaġġ għoli u jillimitaw il-ħajja tas-servizz ġenerali, l-akbar diffikultà teknika għal SST ta' vultaġġ għoli-.

Kapaċità Dgħajfa ta' -Short Relax ta' Apparat
It-trasformaturi tal-frekwenza tal-qawwa- isostnu diversi sekondi ta' impatt ta' ċirkwit-short, filwaqt li s-semikondutturi tas-SiC jinħarqu fi żmien mikrosekondi taħt kundizzjonijiet ta'-ċirkwit qasir. Protezzjoni multi-ridondanti u moduli bypass għandhom jiġu installati f'sistemi ta 'kontroll, u jżidu l-kumplessità tas-sistema.

Effiċjenza ta' -Tagħbija Fqira
Meta t-tagħbija tkun inqas minn 30% tal-qawwa nominali, it-telf tal-bidla jiddomina t-telf tal-enerġija SST u l-effiċjenza tinżel taħt it-93%. B'kuntrast, it-trasformaturi tal-frekwenza tal-qawwa-jżommu l-effiċjenza 'l fuq minn 98% taħt tagħbija ħafifa, u jagħmlu SST mhux adattat għal stazzjonijiet ta' distribuzzjoni rurali b'tagħbijiet persistenti baxxi.

Sistema ta' Operazzjoni u Manutenzjoni Immaturi
It-trasformaturi tradizzjonali għandhom sistemi ta 'manutenzjoni maturi u mifruxa. SST jintegra l-elettronika tal-enerġija, il-kontroll inkorporat u t-teknoloġija manjetika ta'-frekwenza għolja, li timponi rekwiżiti tekniċi ogħla fuq il-persunal tal-manutenzjoni.

8. Xejriet ta' Żvilupp Ġejjieni

Taġġorna l-Apparat: L-adozzjoni gradwali ta 'apparat SiC ta' vultaġġ għoli ta '3.3 kV & 6.5 kV tnaqqas in-numru ta' unitajiet konnessi serje- u tissimplifika l-istruttura ta '10 kV/35 kV SST; L-apparati GaN jippenetraw applikazzjonijiet ta' vultaġġ għoli-qawwa medja-.

Topoloġija Iterazzjoni: Topoloġija reżonanti CLLC tissostitwixxi DAB b'mod komprensiv biex issolvi l-problema ta 'telf għoli ta' DAB taħt tagħbija ħafifa. Ladarba d-diffikultajiet ta' kontroll jiġu solvuti, it-topoloġija ta' AC-stadju wieħed-AC tiġi applikata f'xenarji aerospazjali ħfief.

Integrazzjoni Għolja: Il-komponenti tal-enerġija, tas-sewqan u tas-sensuri huma ppakkjati f'moduli SiC IPEM integrati biex ikomplu jitnaqqas il-volum tal-apparat.

Differenzjar tal-Applikazzjoni

Netwerks ta' distribuzzjoni urbani u rurali ordinarji se jżommu t-trasformaturi tal-frekwenza tal-enerġija-tradizzjonali;

Ċentri tal-kompjuters, stazzjonijiet tal-iċċarġjar ultra-veloċi, enerġija mir-riħ lil hinn mix-xtut u transitu ferrovjarju se jaraw popolarizzazzjoni tal-SST fuq skala kbira-mill-2028 sal-2032.

Applikazzjoni tan-Netwerking: SSTs multipli jiffurmaw raggruppament tal-internet tal-enerġija biex jikkoordinaw it-tagħbijiet fotovoltajċi, tal-ħażna tal-enerġija u tal-iċċarġjar fi ħdan grids tal-enerġija reġjonali.