Tahkistransformaatori (SST) täielik teadmiste süsteem

1. Põhidefinitsioon ja varjunimed

Solid State Transformer (SST), akadeemilise nimegaJõuelektrooniline transformaator (PET), mida tööstuses tuntakse ka intelligentse pooljuht-alajaama või energiaruuterina.

Põhimõtteliselt ei ole see raud{0}}südamikku trafo, see on modulaarne toiteelektrooniline seade, mis integreerib alaldi, inversiooni, kõrgsagedusliku isolatsiooni-ja toitekvaliteedi reguleerimise. See tugineb SiC/GaN laia-ribavahega pooljuhtidele, et teostada pingeteisendust ja isolatsiooni kõrgsagedus-lülitamise teel, loobudes traditsioonilisest 50 Hz võimsus-sagedusega raud-südamiku struktuurist.

Mõiste "tahke{0}}olek" ei viita pöörlevatele osadele ega õli{1}}kastetud rauasüdamikele; kogu seade koosneb täielikult tahkis-pooljuhtkomponentidest, mis eristab seda vedelõliga-täidetud võimsus-sagedustrafodest.

2. Tööpõhimõte

Tuletatud elektromagnetilise induktsiooni valemist:

Rauasüdamiku ristlõikepind-Son pöördvõrdeline töösagedusegaf.

Traditsioonilised toite{0}}sagedustrafod töötavad fikseeritud 50 Hz sagedusel ja vajavad mahukaid raudsüdamikke.

SST suurendab töösagedust kuni20 kHz ~ 200 kHz, vähendades miniatuurseks muutmiseks magnetiliste komponentide mahtu 1/10 ~ 1/5 võrra algsest suurusest.

Peamine kolme{0}}etapilise võimsuse muundamise ahel:

Vahelduvvoolu sagedus kõrge{0}}pingega vahelduvvool → juhitav alaldus → kõrge{1}}pinge alalisvoolu siin

Kõrge-alalispinge inverteeritud kõrge-sagedusega vahelduvvooluks → isoleeritud pinge teisendus kompaktse kõrgsagedus-trafo abil

Kõrge-sagedusega vahelduvvoolu sekundaarküljel alaldatud/pööratud → madal-sagedusega vahelduvvoolu või kõrge-pingega alalisvoolu väljund

Tehnilised andmed

3. Kolm peamist kaubanduslikku topoloogiat

(1) Kolme-astmeline topoloogia (tööstuslik põhivool, täis-funktsiooni tüüp)

Struktuur:Vahelduv-/alalisvoolualaldi aste + alalis-/alalisvoolu kõrgsagedus{1}}eraldusaste + alalis-/alalisvoolu inverteri aste

Sisendaste: kaskaadne H-sild (CHB) / MMC mitme-taseme alaldus kohandub 10 kV ja 35 kV keskpinge{4}}võrkudega, rakendades võimsusteguri korrigeerimist ja harmooniliste summutust;

Isolatsiooniaste: DAB (Dual Active Bridge) / CLLC resonantsmuundur (asendades järk-järgult DAB-i täis-koormuse pehme-lülitamiseks ja väiksemaks kadudeks) + kõrgsageduslik-nanokristalliline magnetsüdamiku trafo;

Väljundaste: AC väljund või 800 V DC siini väljund.

Eelised: alalisvoolu siinid on olemas nii kõrge kui ka madalpinge poolel, võimaldades kahesuunalist vooluvoogu, samaaegset harmooniliste summutamist, juurdepääsu energia salvestamisele ja kohandumist vahelduvvoolu-alalisvoolu hübriidelektrivõrkudega.

Rakendused: 10 kV jaotusalajaamad, tehisintellekti arvutuskeskuste toiteallikas, integreeritud fotogalvaanilised-salvestus-laadimisjaamad.

(2) Kahe-etapiline topoloogia (kerge ja madalate kuludega{2}}skeem)

Kaks tüüpi: alalisvoolu siin kõrge-pinge poolel või alalisvoolusiin madalpinge poolel-. Struktuur: AC/DC alaldi + ühe-astme isoleeritud DC/DC muundamine.

Järel-astmega inverter on välja jäetud, et väljastada otse alalisvoolu, millel on lihtsam struktuur ja väiksem kadu.

Puuduseks: võrguhäired ühenduvad kergesti madala-pingepoolega, nõrk toitekvaliteedi reguleerimisvõime.

Rakendused: EV ultra-kiirlaadimisvaiad, hajutatud tööstuslikud energiasalvestid, madalpinge-mikrovõrgud.

(3) Üheastmeline-maatriksi vahelduvvoolu-vahelduvvoolu topoloogia (tipptasemel-laboritehnoloogia, ei turustata)

Vahepealsed alaliskondensaatorid puuduvad. Maatriksmuundur teisendab toite-sagedusega vahelduvvoolu otse kõrgsageduslikuks-vahelduvvooluks, seejärel taastab pärast kõrgsagedusliku-trafo läbimist voolu-sagedusliku vahelduvvoolu.
Minimaalsed komponendid ja teoreetiliselt suurim võimsustihedus. Kuid ilma alalisvoolupuhvri linkideta kipuvad võrgu kõikumised toiteseadmeid lagunema ja juhtimisalgoritmid on äärmiselt keerulised. Kontrollitud ainult kosmoseuuringutes.

4. Riistvara põhikoostis

Võimsuspooljuhid: Põhiseadmed on 1200 V / 1700 V SiC MOSFETid; 3,3 kV SiC kiibid teenindavad 35 kV kõrge{4}pinge stsenaariume. Räni{6}}põhised IGBT-d eemaldatakse järk-järgult kesk-pinge SST-st suure lülituskadude tõttu.

Kõrgsageduslikud{0}}magnetkomponendid: nanokristalliline, amorfne sulam, Mn-Zn-ferriitsüdamikud (asendavad räniteraslehti) üli-madala suure-sageduskaoga.

Juhtimissüsteem: kahetuumaline-DSP+FPGA arhitektuur pinge/voolu jagamiseks, millisekundi-taseme pinge reguleerimine ja rikete blokeerimine.

Jahutussüsteem: sukelvedelikjahutus / plaatvesijahutus suure võimsusega mudelitele; õhkjahutus väikestele ja keskmistele seadmetele.

Modulaarne üksus: tööstusharu-standardne ISOP (Input Series Output Parallel) modulaarne arhitektuur. Madalpingelised SiC-seadmed on ühendatud järjestikku, et taluda 10 kV kõrgepinget; vigastest moodulitest saab mööda minna ilma süsteemi väljalülitamata.

5. Võrdlus: pooljuhttrafo vs traditsiooniline võimsus{1}}sagedustrafo

6. -Põhjalikud rakendusestsenaariumid

(1) Uus toitesüsteem ja elektrivõrgu pool

Paindlik pooljuht{0}}alajaam

Asendab linnades vananenud kast{0}}tüüpi trafosid. Üks SST ühendab pinge reguleerimise, kolmefaasilise tasakaalustamatuse töötlemise, harmooniliste filtreerimise ja rikete isoleerimise, lahendades sellised probleemid nagu sagedane madalpinge ja liigne neutraalvool vanades elamurajoonides. See isoleerib tõrked 0,8 sekundi jooksul, samas kui traditsioonilistel trafodel kulub rohkem kui 12 sekundit.

Avamere tuuleenergia võimendusplatvormid

Avamereplatvormidel on piiratud ruum ja kõrged ehituskulud. SST vähendab mahtu 70%, kaotades suured võimsus-sagedustrafode kabiinid, et vähendada avamere ehitus- ja tõstekulusid. Avamere tuuleturbiinide alalisvoolu väljundi saab astmelise-edastuse jaoks otse ühendada SST-ga.

Väljas{0}}grid mikrovõrgud

Kaugete saarte, piiriäärsete eelpostide ja fotogalvaaniliste välibaaside jaoks moodustavad PV + energiasalvesti + SST võrgust eraldatud toitesüsteemid, mis stabiliseerivad automaatselt vahelduvaid fotogalvaanilise väljundi kõikumisi.

(2) Arvutuskeskused ja andmekeskused (kiireim kaubanduslik rada)

SST-st saab standardne 800 V kõrge-pingega alalisvoolu toiteallika lahendus NVIDIA ja Huawei AIDC klastrite jaoks. 10 kV munitsipaaltoide ühendatakse otse SST-ga ja muundatakse 800 V alalisvooluks GPU-kappide jaoks.

Kõrvaldab 5-astmelised konversioonilingid (10 kV kastrafo → 400 V vahelduvvoolu UPS → mitmeastmeline alaldus), tõstes üldise toiteallika efektiivsuse 91%-lt 97,5%-le.

Kaablivool langeb järsult, vase tarbimine väheneb 55%, mis võimaldab andmesaalides 30% rohkem arvutuskappe.

Sisseehitatud-energiasalvestusliidesed ühendavad akud alalisvoolu siinidega, et tagada sujuv toitelülitus ja voolukatkestuse ajal arvuti seisakuid.

Pilootprojektid käivad Guian East{0}}data West-arvutusklastris, Tencent Qingyuan Computing Base'is ja Alibaba Zhangbei arvutuspargis.

(3) Transporditööstus

Kiirrongide-veojõu{0}}trafod ja EMUd

Parda-jõu-sageduslike veojõutrafode asendamine kõrgsagedusliku-SST-ga vähendab sõiduki massi 40%, vähendab ratta-rööpa kulumist ja rongi energiatarbimist. Pidurdamisel regenereeritud elektrienergiat saab suunata tagasi võrku või tarnida naaberrongidele, vähendades üldist energiatarbimist 10–15%.

Paindlik toiteallikas metroosüsteemidele

Guangzhou ja Shenzheni metrooliinid viivad läbi SST veojõu toiteallika piloote, et kõrvaldada metroo tööst põhjustatud harmooniline reostus ja ringlusse võtta pidurdusenergiat, vähendades metrooalajaamade põrandapinda poole võrra.

Sadama kaldavool laevadele

Laevad üle maailma kasutavad erinevaid pinge- ja sagedusstandardeid (6 kV/10 kV, 50 Hz/60 Hz). SST kohandub suvalise pinge ja sagedusega, et luua erinevate riikide laevade jaoks sujuv võrguühendus ja vältida võrguga ühendatud liigpingeid, mis kahjustavad laeva elektrisüsteeme.

(4) Tööstuslik täppistoiteallikas

Vahvlite valmistamise ja litograafia töökojad pooljuhttööstusele

Litograafia- ja söövitusseadmed on pingehäirete suhtes äärmiselt tundlikud; 0,5% pinge kõikumine põhjustab vahvlite lammutamist. SST isoleerib aktiivselt pikselöögid ja kaarehäired võrgust, pakkudes puhast voolu, mille täielik harmooniline moonutus (THD) on < 2%.

Metallurgilised kaarahjud ja{0}}suur tööstuslik energiasalvesti

Terasetehased salvestavad elektrit-tipptundidel ja tühjenevad tipptundidel. Koos SST kahesuunalise muundamisega kõrgepingeenergia salvestamiseks{2}} vähenevad tööstuslikud elektrikulud.

7. Industrialiseerimise kitsaskohad

Kulutõke
Kõrgepinge{0}}SiC toitemoodulid jäävad kalliks. 10 kV SST kogumaksumus on 3–6 korda suurem kui võrdse -võimsusega võimsusega-sagedustrafol, millest tavaliste elamujaotusvõrkude jaoks puudub majanduslik kasu.

Kõrgsagedus{0}}isolatsiooni väljakutse
Kõrgsageduslikud-elektriväljad käivitavad kergesti osalise tühjenemise, kiirendades isolatsioonimaterjalide vananemist kõrge pinge all ja piirates üldist kasutusiga, mis on kõrgepinge SST suurim tehniline probleem.

Seadmete nõrk lühis{0}}taluvus
Võimsus-sagedustrafod taluvad mitu sekundit-lühise mõju, samas kui SiC-pooljuhid põlevad lühise{2}}tingimustes mikrosekundite jooksul läbi. Juhtsüsteemidesse tuleb paigaldada mitme-liigse kaitse ja möödaviigumoodulid, mis muudab süsteemi keerukamaks.

Kehv valgus{0}}koormuse efektiivsus
Kui koormus on väiksem kui 30% nimivõimsusest, domineerib SST võimsuskadu lülituskadu ja efektiivsus langeb alla 93%. Seevastu võimsus-sagedustrafod säilitavad väikese koormuse korral efektiivsuse üle 98%, mistõttu SST ei sobi maapiirkondades püsivalt madala koormusega jaotusjaamadele.

Ebaküps kasutus- ja hooldussüsteem
Traditsioonilistel trafodel on küpsed ja laialt levinud hooldussüsteemid. SST integreerib jõuelektroonika, sisseehitatud juhtimise ja kõrgsagedusliku-magnettehnoloogia, mis seab hoolduspersonalile kõrgemad tehnilised nõuded.

8. Tuleviku arengusuunad

Seadme uuendamine: 3,3 kV ja 6,5 ​​kV kõrge -pingega SiC seadmete järkjärguline kasutuselevõtt vähendab järjestikku-ühendatud seadmete arvu ja lihtsustab 10 kV/35 kV SST struktuuri; GaN-seadmed tungivad kõrge-võimsusega keskpinge{7}}rakendustesse.

Topoloogia iteratsioon: CLLC resonantstopoloogia asendab DAB-i igakülgselt, et lahendada väikese koormuse korral tekkiva suure DAB-kao probleem. Kui juhtimisprobleemid on lahendatud, rakendatakse kergete kosmoselennukite stsenaariumides üheastmelise AC-AC-topoloogiat.

Kõrge integreeritus: Toite-, ajami- ja andurikomponendid on pakendatud integreeritud SiC IPEM-moodulitesse, et seadme helitugevust veelgi vähendada.

Rakenduste eristamine

Tavalised linna- ja maapiirkonna jaotusvõrgud säilitavad traditsioonilised toite{0}}sagedustrafod;

Arvutuskeskused, ülikiired laadimisjaamad,{0}}mere tuuleenergia ja raudteetransiit on aastatel 2028–2032 ulatusliku-SST populariseerimise tunnistajaks.

Võrgurakendus: mitu SST-d moodustavad energia-interneti klastri, et koordineerida fotogalvaanilist, energiasalvestus- ja laadimiskoormust piirkondlikes elektrivõrkudes.