Qattiq holat transformatori (SST) to'liq bilim tizimi

1. Asosiy ta'rif va taxalluslar

Qattiq holat transformatori (SST), akademik nomi bilan atalganQuvvatli elektron transformator (PET), shuningdek, sanoatda aqlli qattiq stansiya-yoki energiya marshrutizatori sifatida ham tanilgan.

Aslida temir yadroli transformator emas, balki modulli quvvatli elektron qurilma boʻlib, rektifikatsiya, inversiya, yuqori chastotali-izolyatsiya va quvvat sifatini tartibga solishni oʻz ichiga oladi. U an'anaviy 50 Gts quvvat-chastotali temir-yadro tuzilmasidan voz kechib, yuqori{4}}chastotali almashtirish orqali kuchlanish transformatsiyasi va izolyatsiyasini amalga oshirish uchun SiC/GaN-keng tarmoqli yarimo'tkazgichlarga tayanadi.

"Qattiq{0}}holat" atamasi aylanuvchi qismlar yoki moyga botirilgan-temir yadrolari yo'qligini bildiradi; butun qurilma butunlay qattiq{2}}yarimo'tkazgich komponentlaridan iborat bo'lib, uni suyuq yog'li-to'ldirilgan quvvat-chastota transformatorlaridan ajratib turadi.

2. Ishlash printsipi

Elektromagnit induksiya formulasidan kelib chiqadi:

Temir yadroning -kesim maydoniSish chastotasiga teskari proportsionaldirf.

An'anaviy quvvat{0}}chastota transformatorlari qattiq 50 Gts chastotada ishlaydi, bu esa katta hajmli temir yadrolarni talab qiladi.

SST ish chastotasini oshiradi20 kHz ~ 200 kHz, magnit komponentlar hajmini kichiklashtirish uchun asl o'lchamning 1/10 ~ 1/5 qismiga qisqartirish.

Asosiy uch{0}bosqichli quvvat konvertatsiya zanjiri:

AC quvvat chastotasi yuqori-kuchlanishli oʻzgaruvchan tok → boshqariladigan rektifikatsiya → yuqori-kuchlanishli shahar avtobusi

Yuqori{0}}kuchlanishli doimiy tok yuqori chastotali oʻzgaruvchan tokga aylantirildi → ixcham yuqori chastotali-transformator yordamida izolyatsiyalangan kuchlanish transformatsiyasi

Ikkilamchi tomonda yuqori-chastotali AC toʻgʻrilangan/teskari → past-chastotali AC yoki yuqori-kuchlanishli shahar chiqishi

Texnik ma'lumotlar

3. Uchta asosiy tijorat topologiyasi

(1) Uch{1}}bosqichli topologiya (Sanoatning asosiy oqimi, toʻliq{2}}funksiya turi)

Tuzilishi:AC/DC rektifikator bosqichi + DC/DC yuqori-chastotali izolyatsiyalash bosqichi + DC/AC inverter bosqichi

Kirish bosqichi: Kaskadli H-ko'prik (CHB) / MMC ko'p darajali rektifikatsiya 10 kV va 35 kV o'rta-kuchlanish tarmoqlariga moslashadi, quvvat faktorini tuzatish va garmonik bostirishni amalga oshiradi;

Izolyatsiya bosqichi: DAB (Dual Active Bridge) / CLLC rezonansli konvertor (to'liq{0}}yukni yumshoq-almashtirish va kamroq yo'qotish uchun DABni bosqichma-bosqich almashtiradi) + yuqori-chastotali nanokristal magnit yadro transformatori;

Chiqish bosqichi: AC chiqishi yoki 800 V DC avtobus chiqishiga qodir.

Afzalliklar: DC avtobuslari yuqori va past kuchlanishli tomonlarda mavjud bo‘lib, ular ikki yo‘nalishli quvvat oqimini, bir vaqtda garmonik o‘chirishni, energiyani saqlashdan foydalanishni va AC{0}}DC gibrid elektr tarmoqlariga moslashishni ta’minlaydi.

Ilovalar: 10 kV taqsimlovchi podstansiyalar, AI hisoblash markazlari uchun elektr ta'minoti, o'rnatilgan fotovoltaik-saqlovchi-zaryad stantsiyalari.

(2) Ikki-bosqichli topologiya (engil vaznli, arzon-xarajatlar sxemasi)

Ikkita tur: yuqori{0}}kuchlanish tomonida DC shinasi yoki past-kuchlanish tomonida doimiy shinam. Tuzilishi: AC/DC rektifikatsiyasi + bir bosqichli-izolyatsiyalangan DC/DC konvertatsiyasi.

Bosqichli inverter{0}}to'g'ridan-to'g'ri to'g'ridan-to'g'ri to'g'ridan-to'g'ri to'g'ridan-to'g'ri chiqarish uchun o'tkazib yuborilgan, bu oddiyroq tuzilish va kamroq yo'qotish bilan ajralib turadi.

Kamchilik: tarmoqdagi buzilishlar past kuchlanish tomoniga osongina ulanadi, quvvat sifatini boshqarish quvvati zaif.

Ilovalar: EV ultra-tezkor zaryadlovchi qoziqlar, taqsimlangan sanoat energiya ombori, past kuchlanishli mikrotarmoqlar-.

(3) Bir bosqichli matritsali AC-AC topologiyasi (so‘nggi{3}}laboratoriya texnologiyasi, tijoratlashtirilmagan)

Oraliq DC kondansatkichlari yo'q. Matritsa konvertori toʻgʻridan-toʻgʻri quvvat{1}}chastotali ACni yuqori-chastotali ACga aylantiradi, soʻngra yuqori chastotali-transformatordan oʻtgandan soʻng quvvat-chastotali AC quvvatini tiklaydi.
Minimal komponentlar va nazariy jihatdan eng yuqori quvvat zichligi. Biroq, doimiy bufer havolalarisiz, tarmoq tebranishlari quvvat qurilmalarini buzishga moyildir va boshqaruv algoritmlari juda murakkab. Faqat aerokosmik tadqiqotlarda tasdiqlangan.

4. Asosiy apparat tarkibi

Quvvatli yarim o'tkazgichlar: Asosiy qurilmalar 1200 V / 1700 V SiC MOSFETlar; 3,3 kV SiC chiplari 35 kV yuqori-kuchlanish stsenariylariga xizmat qiladi. Silikon{6}}asosidagi IGBTlar yuqori kommutatsiya yoʻqotilishi tufayli oʻrta kuchlanishli SSTdan bosqichma-bosqich chiqariladi.

Yuqori-chastotali Magnit komponentlar: Nanokristalli, amorf qotishma, Mn-Zn ferrit yadrolari (kremniy po'lat plitalar o'rnini bosuvchi) ultra-past yuqori-chastota yo'qotilishi.

Boshqarish tizimi: Voltaj/oqim almashish, millisekundlik-darajali kuchlanishni tartibga solish va nosozliklarni blokirovka qilish uchun ikki-yadroli DSP+FPGA arxitekturasi.

Sovutish tizimi: Yuqori quvvatli-modellar uchun immersion suyuqlik sovutish / plastinka suvini sovutish; kichik va o'rta birliklar uchun havo sovutish.

Modulli birlik: Sanoat{0}}standart ISOP (Input Series Chiqish Parallel) modulli arxitekturasi. Past-kuchli SiC bloklari 10 kV yuqori kuchlanishga bardosh berish uchun ketma-ket ulanadi; noto'g'ri modullarni tizimni o'chirmasdan chetlab o'tish mumkin.

5. Taqqoslash: qattiq holat transformatori va an’anaviy quvvat-chastota transformatori

6. -Chuqur amaliy stsenariylar

(1) Yangi quvvat tizimi va elektr tarmog'i tomoni

Moslashuvchan qattiq podstansiya-

Shaharlardagi eskirgan quti{0}}transformatorlarni almashtiradi. Yagona SST kuchlanishni tartibga solish, uch fazali nomutanosiblikni davolash, garmonik filtrlash va nosozliklarni izolyatsiyalash, eski turar-joylarda tez-tez past kuchlanish va haddan tashqari neytral oqim kabi muammolarni hal qilishni birlashtiradi. U nosozliklarni 0,8 soniya ichida ajratadi, an'anaviy transformatorlar esa 12 soniyadan ko'proq vaqtni oladi.

Offshore shamol energiyasini kuchaytiruvchi platformalar

Offshore platformalar cheklangan joy va yuqori qurilish xarajatlariga ega. SST hajmini 70% ga qisqartiradi, bu esa dengizda muhandislik qurilishi va yuk ko'tarish xarajatlarini kamaytirish uchun katta quvvat{2}}chastotali transformator kabinalarini yo'q qiladi. Dengizdagi shamol turbinalaridan toʻgʻridan-toʻgʻri toʻgʻridan-toʻgʻri SSTga ulangan boʻlishi mumkin.

Ochiq-tarmoq mikrotarmoqlari

Olis orollar, chegara postlari va dala fotovoltaik bazalari uchun fotovoltaik chiqishning vaqti-vaqti bilan o'zgarishini avtomatik barqarorlashtirish uchun PV + energiyani saqlash + SST tarmoqdan tashqari{2}}konteynerli energiya tizimlarini hosil qiladi.

(2) Hisoblash markazlari va ma'lumotlar markazlari (eng tez tijoratlashtirilgan trek)

SST NVIDIA va Huawei AIDC klasterlari. 10 kV shahar quvvati toʻgʻridan-toʻgʻri SST ga ulanadi va GPU kabinalari uchun 800 V doimiy toʻlqinga aylanadi.

5-bosqichli konversiya havolalarini (10 kV quti transformator → 400 V AC UPS → ko'p bosqichli rektifikatsiya) yo'q qilib, umumiy quvvat ta'minoti samaradorligini 91% dan 97,5% gacha oshiradi.

Kabel oqimi keskin pasayib, mis iste'moli 55% ga qisqardi, bu esa ma'lumotlar zallarida 30% ko'proq hisoblash kabinalarini joylashtirish imkonini beradi.

Oʻrnatilgan{0}}energiya saqlash interfeyslari quvvatni uzluksiz almashtirish va elektr uzilishlar vaqtida hisoblashning nolga teng boʻlishi uchun batareyalarni DC avtobuslariga ulaydi.

Sharqiy Guian{0}}ma'lumotlar G'arbiy-computing Cluster, Tencent Qingyuan Computing Base va Alibaba Zhangbei Computing Park'da pilot loyihalar amalga oshirilmoqda.

(3) Transport sanoati

Tezyurar poyezdlar va EMU uchun-bortdagi tortish transformatorlari

Bortdagi quvvat-chastotadagi tortish transformatorlarini yuqori-chastotali SST bilan almashtirish-vosita ogʻirligini 40% ga kamaytiradi, gʻildirak-temiryoʻlning eskirishini va poyezdning energiya sarfini kamaytiradi. Tormozlash paytida qayta tiklangan elektr energiyasi tarmoqqa qaytarilishi yoki qo'shni poezdlarga etkazib berilishi mumkin, bu esa umumiy quvvat sarfini 10% ~ 15% ga kamaytiradi.

Metro tizimlari uchun moslashuvchan quvvat manbai

Guanchjou va Shenzhendagi metro liniyalari metro ishi natijasida kelib chiqadigan garmonik ifloslanishni yo'q qilish va tormoz energiyasini qayta ishlash, metro podstansiyalari maydonini ikki baravar kamaytirish uchun SST tortish elektr ta'minoti uchuvchilarini amalga oshiradi.

Kemalar uchun port qirg'oq quvvati

Dunyo bo'ylab kemalar turli kuchlanish va chastota standartlarini (6 kV/10 kV, 50 Gts/60 Gts) qabul qiladi. SST turli mamlakatlar kemalari uchun uzluksiz tarmoq ulanishini amalga oshirish va kema quvvat tizimlariga zarar etkazuvchi-ulangan elektr kuchlanishlarining oldini olish uchun o'zboshimchalik bilan kuchlanish va chastotaga moslashadi.

(4) Sanoat nozik quvvat manbai

Yarimo'tkazgich sanoati uchun gofret ishlab chiqarish va litografiya ustaxonalari

Litografiya va etching uskunalari kuchlanish buzilishiga juda sezgir; 0,5% kuchlanishning o'zgarishi gofretning parchalanishiga olib keladi. SST chaqmoq urishi va yoy buzilishlarini tarmoqdan faol ravishda ajratadi va umumiy garmonik buzilish (THD) < 2% bilan toza quvvat beradi.

Metallurgiya kamon pechlari va yirik-sanoat energiya ombori

Po‘lat zavodlari ishlamay qolgan vaqtda elektr energiyasini-to‘playdi, eng yuqori cho‘qqilarda esa zaryadsizlanadi. Yuqori kuchlanishli energiyani saqlash uchun ikki tomonlama SST konvertatsiyasi bilan birgalikda sanoat elektr energiyasi sarfi kamayadi.

7. Sanoatlashtirishning to'siqlari

Narx to'sig'i
Yuqori kuchlanishli SiC quvvat modullari- qimmatligicha qolmoqda. 10 kV kuchlanishli SSTning umumiy narxi teng{5}}quvvat quvvati-chastota transformatoridan 3-6 baravar ko'p bo'lib, oddiy turar-joy taqsimlash tarmoqlari uchun iqtisodiy foyda yo'q.

Yuqori-chastotali izolyatsiyalash muammosi
Yuqori{0}}chastotali elektr maydonlar qisman zaryadsizlanishini osonlik bilan ishga tushiradi, yuqori kuchlanish ostida izolyatsiya materiallarining qarishini tezlashtiradi va umumiy xizmat muddatini cheklaydi, bu yuqori kuchlanishli SST uchun eng katta texnik qiyin-.

Zaif qisqa tutashuv{0}}qurilmalarning chidamliligi
Quvvat-chastota transformatorlari qisqa tutashuvning bir necha soniya-ta'siriga bardosh beradi, SiC yarimo'tkazgichlari esa qisqa tutashuv sharoitida mikrosekundlarda yonib ketadi-. Boshqaruv tizimlariga ko'p-ortiqcha himoya va chetlab o'tish modullari o'rnatilishi kerak, bu esa tizimning murakkabligini oshiradi.

Yomon yorug'lik{0}}yuklash samaradorligi
Yukning nominal quvvati 30% dan past bo'lsa, kommutatsiya yo'qolishi SST quvvat yo'qotilishidan ustun turadi va samaradorlik 93% dan pastga tushadi. Aksincha, quvvat{3}}chastota transformatorlari engil yuk ostida 98% dan yuqori samaradorlikni saqlaydi, bu esa SSTni doimiy ravishda past yuklangan qishloq tarqatish stansiyalari uchun yaroqsiz qiladi.

Ishlash va texnik xizmat ko'rsatish tizimi yetilmagan
An'anaviy transformatorlar etuk va keng tarqalgan texnik xizmat ko'rsatish tizimlariga ega. SST quvvat elektroniği, o'rnatilgan boshqaruv va yuqori{1}}chastotali magnit texnologiyasini birlashtirib, texnik xizmat ko'rsatuvchi xodimlarga yuqori texnik talablarni qo'yadi.

8. Kelajakdagi rivojlanish tendentsiyalari

Qurilmani yangilash: 3,3 kV va 6,5 ​​kV yuqori-kV kuchlanishli SiC qurilmalarini bosqichma-bosqich qabul qilish ketma-ket{3}}ulangan bloklar sonini kamaytiradi va 10 kV/35 kV SST tuzilishini soddalashtiradi; GaN qurilmalari yuqori{6}}quvvat oʻrtacha{7}}kuchlanishli ilovalarga kiradi.

Topologiyani takrorlash: CLLC rezonans topologiyasi engil yuk ostida yuqori DAB yo'qotish muammosini hal qilish uchun DABni har tomonlama almashtiradi. Nazorat qilishdagi qiyinchiliklar bartaraf etilgach, engil aerokosmik stsenariylarda bir{1}}bosqichli AC-AC topologiyasi qo‘llaniladi.

Yuqori integratsiya: Quvvat, haydovchi va sensor komponentlari qurilma hajmini yanada kamaytirish uchun o'rnatilgan SiC IPEM modullariga o'ralgan.

Ilovalarni farqlash

Oddiy shahar va qishloq taqsimlash tarmoqlari an'anaviy quvvat-chastota transformatorlarini saqlab qoladi;

Hisoblash markazlari, ultra{0}}tezkor quvvatlantirish stansiyalari, offshor shamol energiyasi va temir yo‘l tranziti 2028 yildan 2032 yilgacha- keng miqyosda SST ommalashishiga guvoh bo‘ladi.

Tarmoq uchun dastur: Bir nechta SST mintaqaviy elektr tarmoqlarida fotovoltaik, energiya saqlash va zaryadlovchi yuklarni muvofiqlashtirish uchun energiya internet klasterini tashkil qiladi.