무접점 변압기(SST) 완전한 지식 시스템

1. 기본 정의 및 별칭

학문적으로 명명된 SST(Solid State Transformer)전력전자변압기(PET), 업계에서는 지능형 반도체 변전소 또는 에너지 라우터라고도 알려져 있습니다.-

본질적으로 철심 변압기는 아니지만 정류, 반전, 고주파수 격리 및 전력 품질 조절을 통합한 모듈식 전력 전자 장치입니다.- 이 제품은 SiC/GaN 넓은-밴드갭 반도체를 사용하여 고주파수 스위칭을 통해 전압 변환 및 절연을 구현하고, 기존의 50Hz 전력-주파수 철-코어 구조를 포기합니다.

"고체-상태"라는 용어는 회전 부품이나 오일-침수 철심이 없음을 나타냅니다. 전체 장치는 고체-반도체 부품으로만 구성되어 있으며, 이는 액체 오일-충전 전력-주파수 변환기와 구별됩니다.

2. 작동 원리

전자기 유도 공식에서 파생:

철심의-단면적S작동 주파수에 반비례합니다f.

기존의 전력{0}}주파수 변압기는 고정된 50Hz에서 작동하므로 부피가 큰 철심이 필요합니다.

SST는 작동 주파수를20kHz ~ 200kHz, 소형화를 위해 자성 부품의 부피를 원래 크기의 1/10 ~ 1/5로 줄입니다.

주류 3{0}}단계 전력 변환 체인:

AC 전력 주파수 고{0}}전압 교류 → 제어 정류 → 고-전압 DC 버스

고{0}}전압 DC를 고주파-교류 전류로 반전 → 소형 고주파 변압기에 의한 절연 전압 변환-

2차 측의 고주파-AC 정류/반전 → 저주파-AC 또는 고{2}}전압 DC 출력

기술 데이터

3. 세 가지 주요 상용 토폴로지

(1) 3{1}}단계 토폴로지(산업 주류, 전체{2}}기능 유형)

구조:AC/DC 정류기 스테이지 + DC/DC 고주파-주파수 절연 스테이지 + DC/AC 인버터 스테이지

입력단: 계단식 H-브리지(CHB) / MMC 다중-레벨 정류는 10kV 및 35kV 중간{4}}전압 그리드에 적응하여 역률 보정 및 고조파 억제를 구현합니다.

절연 단계: DAB(듀얼 액티브 브리지)/CLLC 공진 변환기(완전-부하 소프트-스위칭 및 손실 감소를 위해 DAB를 점진적으로 대체) + 고주파-주파수 나노결정 자기 코어 변압기;

출력단: AC 출력 또는 800V DC 버스 출력이 가능합니다.

장점: DC 버스는 고전압 측과 저전압 측 모두에 존재하여 양방향 전력 흐름, 동시 고조파 억제, 에너지 저장 액세스 및 AC-DC 하이브리드 전력망에 대한 적응을 가능하게 합니다.

응용: 10kV 배전 변전소, AI 컴퓨팅 센터용 전원 공급 장치, 통합 태양광-저장-충전소.

(2) 2-단계 토폴로지(경량 저비용-방식)

두 가지 유형: 고-전압 측 DC 버스 또는 저전압 측 DC 버스- 구조: AC/DC 정류 + 단일-단 절연 DC/DC 변환.

후단 인버터를 생략하여 DC를 직접 출력하므로 구조가 단순하고 손실이 적습니다.

약점: 그리드 교란은 낮은-전압 측, 약한 전력 품질 조절 용량과 쉽게 결합됩니다.

응용: EV 초고속 충전 파일-, 분산 산업용 에너지 저장 장치, 저전압 마이크로그리드-.

(3) 단일-스테이지 매트릭스 AC-AC 토폴로지(최첨단-실험실 기술, 상용화되지 않음)

중간 DC 커패시터가 없습니다. 매트릭스 변환기는 전력-주파수 AC를 고주파-AC로 직접 변환한 다음 고주파-주파수 변압기를 통과한 후 전력-주파수 AC를 복원합니다.
최소한의 구성 요소와 이론적으로 가장 높은 전력 밀도. 그러나 DC 버퍼 링크가 없으면 그리드 변동으로 인해 전력 장치가 파손되는 경향이 있으며 제어 알고리즘이 매우 복잡해집니다. 항공우주 연구에서만 검증되었습니다.

4. 핵심 하드웨어 구성

전력 반도체: 주류 장치는 1200V/1700V SiC MOSFET입니다. 3.3kV SiC 칩은 35kV 고{4}}전압 시나리오를 지원합니다. 실리콘- 기반 IGBT는 높은 스위칭 손실로 인해 중간-전압 SST에서 단계적으로 폐지됩니다.

고주파-주파 자기 부품: 나노결정질, 비정질 합금, Mn-Zn 페라이트 코어(실리콘 강판 대체)로 초-고-주파수 손실이 발생합니다.

제어 시스템: 전압/전류 공유, 밀리초-수준의 전압 조정 및 오류 차단을 위한 듀얼-코어 DSP+FPGA 아키텍처입니다.

냉각 시스템: 고전력 모델용 침수형 액체 냉각/판수 냉각-; 중소형 장치를 위한 공기 냉각.

모듈러 유닛: 업계-표준 ISOP(입력 시리즈 출력 병렬) 모듈식 아키텍처. 저-전압 SiC 장치는 직렬로 연결되어 10kV 고전압을 견딜 수 있습니다. 결함이 있는 모듈은 시스템을 종료하지 않고도 우회할 수 있습니다.

5. 비교: 솔리드 스테이트 변압기와 기존 전력{1}}주파수 변압기

6.-심층적인 적용 시나리오

(1) 신전력계통 및 전력망측

유연한 무접점-변전소

도시의 오래된 박스-형 변환기를 대체합니다. 단일 SST는 전압 조정, 3상 불균형 처리, 고조파 필터링 및 오류 격리를 통합하여 오래된 주거 지역에서 빈번하게 발생하는 저전압 및 과도한 중성 전류와 같은 문제를 해결합니다. 기존 변압기는 12초 이상 걸리는 반면, 결함을 0.8초 이내에 격리합니다.

해상풍력 부스터 플랫폼

해양 플랫폼은 제한된 공간과 높은 건설 비용을 특징으로 합니다. SST는 부피를 70% 줄이고 대형 전력{2}}주파수 변압기 캐빈을 제거하여 해양 엔지니어링 건설 및 인양 비용을 절감합니다. 해상 풍력 터빈의 DC 출력은 승압 전송을 위해 SST에 직접 연결할 수 있습니다.

오프그리드-마이크로그리드

외딴 섬, 국경 전초기지 및 현장 태양광 기지의 경우 PV + 에너지 저장 + SST는 간헐적인 태양광 출력 변동을 자동으로 안정화하기 위해 컨테이너형 오프{2}}그리드 전력 시스템을 형성합니다.

(2) 컴퓨팅 센터 및 데이터 센터 (가장 빠른 상용화 트랙)

SST는 NVIDIA 및 Huawei AIDC 클러스터를 위한 표준 800V 고전압 DC 전원 공급 장치 솔루션이 됩니다.. 10 kV 도시 전력은 SST에 직접 연결되어 GPU 캐비닛용 800V DC로 변환됩니다.

5-단 변환 링크(10kV 박스 변압기 → 400V AC UPS → 다단 정류)를 제거하여 전체 전원 공급 장치 효율을 91%에서 97.5%로 높입니다.

케이블 전류가 급격히 떨어지고 구리 소비가 55% 감소하여 데이터 홀에 배치할 컴퓨팅 캐비닛이 30% 더 많아졌습니다.

내장된-에너지 저장 인터페이스는 배터리를 DC 버스에 연결하여 정전 중에도 원활한 전원 전환과 컴퓨팅 중단 시간을 방지합니다.

Guian East-data West-컴퓨팅 클러스터, Tencent Qingyuan Computing Base 및 Alibaba Zhangbei Computing Park에서 파일럿 프로젝트가 실행되고 있습니다.

(3) 운송산업

고속 열차 및 EMU용 온보드 견인 변압기-

온보드 전력-주파수 견인 변압기를 고주파 SST로 교체하면 차량 중량이 40% 감소하고 휠{4}}마모와 열차 에너지 소비가 줄어듭니다. 제동 시 재생된 전기 에너지는 그리드로 다시 공급되거나 인접한 열차에 공급되어 전체 전력 소비를 10%~15% 절감할 수 있습니다.

메트로 시스템을 위한 유연한 전원 공급 장치

광저우와 선전의 지하철 노선에서는 지하철 운행으로 인한 고조파 오염을 제거하고 제동 에너지를 재활용하여 지하철 변전소의 바닥 면적을 절반으로 줄이기 위해 SST 견인 전원 공급 장치 시험을 실시합니다.

선박용 항만 전력

전 세계 선박은 다양한 전압 및 주파수 표준(6kV/10kV, 50Hz/60Hz)을 채택합니다. SST는 임의의 전압과 주파수에 적응하여 다양한 국가의 선박에 대한 원활한 그리드 연결을 실현하고 그리드-연결 서지가 선박 전원 시스템을 손상시키는 것을 방지합니다.

(4) 산업용 정밀 전원 공급 장치

반도체 산업을 위한 웨이퍼 제조 및 리소그래피 워크숍

리소그래피 및 에칭 장비는 전압 교란에 매우 민감합니다. 0.5%의 전압 변동으로 인해 웨이퍼 폐기가 발생합니다. SST는 그리드에서 낙뢰 및 아크 교란을 적극적으로 격리하여 총 고조파 왜곡(THD) < 2%의 청정 전력을 공급합니다.

야금용 아크로 및 대규모-규모 산업용 에너지 저장 장치

철강 공장은 사용량이 적은 시간에-전기를 저장하고 사용량이 많은 시간대에 방전합니다. 고전압 에너지 저장을 위한 SST 양방향 변환과 결합하여 산업용 전기 비용이 절감됩니다.

7. 산업화 병목 현상

비용 장벽
고-전압 SiC 전력 모듈은 여전히 ​​비쌉니다. 10kV SST의 전체 비용은 동일-용량 전력-주파수 변압기의 3~6배에 달하며 일반 주거용 배전망에 대한 경제적 이점이 부족합니다.

고주파-절연 문제
고주파-전계는 쉽게 부분 방전을 유발하여 고전압 하에서 절연재의 노화를 가속화하고 전체 서비스 수명을 제한합니다. 이는 고전압 SST의 가장 큰 기술적 난제입니다.-

장치의 약한-단락 저항 용량
전력-주파수 변압기는 몇 초 동안 단락 충격을 견디는 반면, SiC 반도체는 단락 조건에서 수 마이크로초 내에 소진됩니다.- 다중-중복 보호 및 바이패스 모듈을 제어 시스템에 설치해야 하므로 시스템 복잡성이 증가합니다.

낮은 조명-부하 효율성
부하가 정격 전력의 30%보다 낮으면 스위칭 손실이 SST 전력 손실을 지배하고 효율이 93% 미만으로 떨어집니다. 대조적으로, 전력-주파수 변압기는 경부하에서 98% 이상의 효율을 유지하므로 SST는 지속적으로 낮은 부하를 갖는 시골 배전소에 적합하지 않습니다.

미성숙한 운영 및 유지관리 시스템
기존 변압기는 성숙하고 광범위한 유지 관리 시스템을 보유하고 있습니다. SST는 전력 전자 장치, 내장 제어 및 고주파 자기 기술을 통합하여 유지 관리 담당자에게 더 높은 기술 요구 사항을 부과합니다.

8. 향후 개발 동향

장치 업그레이드: 3.3kV 및 6.5kV 고{2}}전압 SiC 장치의 점진적인 채택으로 직렬 연결 장치의 수를 줄이고-10kV/35kV SST의 구조를 단순화합니다. GaN 장치는 고전력-전력 중전압-애플리케이션에 침투합니다.

토폴로지 반복: CLLC 공진 토폴로지는 DAB를 포괄적으로 대체하여 경부하에서 높은 DAB 손실 문제를 해결합니다. 제어 문제가 해결되면 단일{1}}스테이지 AC-AC 토폴로지가 경량 항공우주 시나리오에 적용될 것입니다.

높은 통합: 전원, 드라이브 및 센서 구성 요소가 통합 SiC IPEM 모듈에 패키지되어 장치 볼륨을 더욱 줄입니다.

애플리케이션 차별화

일반 도시 및 농촌 배전망은 전통적인 전력-주파수 변압기를 유지합니다.

2028년부터 2032년까지 컴퓨팅 센터, 초고속 충전소,-해상 풍력 발전, 철도 운송 분야에서 SST가 대규모로 대중화될 것입니다.-

네트워킹 애플리케이션: 여러 SST가 에너지 인터넷 클러스터를 형성하여 지역 전력망 내에서 태양광, 에너지 저장 및 충전 부하를 조정합니다.