محول الحالة الصلبة (SST) نظام المعرفة الكامل

1. التعريف الأساسي والأسماء المستعارة

محول الحالة الصلبة (SST)، اسمه أكاديميامحول الطاقة الإلكتروني (PET)، والمعروفة أيضًا باسم المحطة الفرعية الذكية-أو جهاز توجيه الطاقة في الصناعة.

في الأساس ليس محولًا حديديًا-، بل هو عبارة عن جهاز إلكتروني للطاقة يدمج التصحيح والعكس وعزل التردد العالي- وتنظيم جودة الطاقة. إنه يعتمد على SiC/GaN -أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة لتحقيق تحويل الجهد وعزله من خلال تبديل التردد العالي-، والتخلي عن البنية الأساسية التقليدية بقدرة 50 هرتز-حديد التردد-.

يشير مصطلح "الحالة الصلبة-" إلى عدم وجود أجزاء دوارة أو قلوب حديدية مغمورة بالزيت-؛ يتكون الجهاز بأكمله بالكامل من مكونات أشباه الموصلات ذات الحالة الصلبة-، مما يميزه عن محولات التردد-الطاقة المملوءة-بالزيت السائل.

2. مبدأ العمل

مشتقة من صيغة الحث الكهرومغناطيسي:

مساحة المقطع-العرضي للنواة الحديديةSيتناسب عكسيا مع تردد التشغيلf.

تعمل محولات التردد- التقليدية للطاقة بتردد ثابت يبلغ 50 هرتز، مما يتطلب قلوبًا حديدية ضخمة.

يعزز SST تردد التشغيل إلى20 كيلو هرتز ~ 200 كيلو هرتز، تقليص حجم المكونات المغناطيسية إلى 1/10 ~ 1/5 من الحجم الأصلي للتصغير.

سلسلة تحويل الطاقة الرئيسية ذات الثلاث-المراحل:

تردد طاقة التيار المتردد -تيار متردد عالي الجهد ← تصحيح متحكم فيه ← ناقل تيار مستمر عالي الجهد -

-فولتية عالية من التيار المستمر معكوسة إلى -تيار متردد عالي التردد ← تحويل جهد معزول بواسطة محول - مدمج عالي التردد

-تيار متردد عالي التردد على الجانب الثانوي مصحح/مقلوب → تيار متردد منخفض -متردد أو مخرج تيار مستمر بجهد عالي-

البيانات الفنية

3. ثلاثة طبولوجيا تجارية رئيسية

(1) هيكل ثلاثي-مراحل (نوع الوظيفة الصناعية السائدة، نوع الوظيفة-) الكامل)

بناء:مرحلة مقوم التيار المتردد/التيار المستمر + مرحلة عزل التردد العالي للتيار المستمر/التيار المستمر- + مرحلة عاكس التيار المستمر/التيار المتردد

مرحلة الإدخال: تصحيح المستويات المتتالية -جسر H (CHB) / MMC المتعدد- يتكيف مع شبكات الجهد المتوسط ​​10 كيلو فولت و35 كيلو فولت -، وتنفيذ تصحيح معامل القدرة والقمع التوافقي؛

مرحلة العزل: DAB (جسر نشط مزدوج) / محول الرنين CLLC (يستبدل DAB تدريجيًا بتبديل -الحمل الناعم- الكامل وخسارة أقل) + -محول قلب مغناطيسي بلوري نانوي عالي التردد؛

مرحلة الإخراج: قادرة على إخراج التيار المتردد أو إخراج ناقل تيار مستمر 800 فولت.

المزايا: توجد حافلات التيار المستمر على جانبي الجهد العالي والمنخفض، مما يتيح تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه، والقمع التوافقي المتزامن، والوصول إلى تخزين الطاقة، والتكيف مع شبكات الطاقة الهجينة التي تعمل بالتيار المستمر -التيار المستمر.

التطبيقات: محطات توزيع فرعية بقدرة 10 كيلو فولت، وإمدادات الطاقة لمراكز حوسبة الذكاء الاصطناعي، ومحطات شحن -تخزين-كهروضوئية متكاملة.

(2) هيكل ذو مرحلتين-(نظام تكلفة خفيف الوزن ومنخفض-)

هناك نوعان: ناقل التيار المستمر على جانب الجهد-العالي أو ناقل التيار المستمر على جانب الجهد- المنخفض. الهيكل: تصحيح AC/DC + تحويل DC/DC معزول بمرحلة واحدة -.

تم حذف عاكس المرحلة-اللاحق لإخراج التيار المباشر مباشرةً، ويتميز ببنية أبسط وخسارة أقل.

العيب: تقترن اضطرابات الشبكة بسهولة بجانب الجهد المنخفض-وضعف القدرة على تنظيم جودة الطاقة.

التطبيقات: أكوام الشحن السريع للغاية-للمركبات الكهربائية، وتخزين الطاقة الصناعية الموزعة، وشبكات صغيرة ذات جهد منخفض-.

(3) مصفوفة -مصفوفة أحادية المرحلة -هيكلية تيار متردد (تقنية معملية متطورة، غير قابلة للتسويق)

لا توجد مكثفات تيار مستمر متوسطة. يقوم محول المصفوفة بتحويل طاقة التيار المتردد - مباشرة إلى تيار متردد عالي التردد-، ثم يستعيد طاقة التردد -التيار المتردد بعد تمرير محول التردد العالي-.
الحد الأدنى من المكونات وأعلى كثافة طاقة من الناحية النظرية. ومع ذلك، بدون وصلات المخزن المؤقت للتيار المستمر، تميل تقلبات الشبكة إلى تعطل أجهزة الطاقة، وتكون خوارزميات التحكم معقدة للغاية. تم التحقق منها فقط في أبحاث الفضاء الجوي.

4. تكوين الأجهزة الأساسية

أشباه موصلات الطاقة: الأجهزة الرئيسية هي 1200 فولت / 1700 فولت SiC MOSFETs؛ تخدم شرائح SiC بجهد 3.3 كيلو فولت سيناريوهات الجهد العالي -35 كيلو فولت. يتم التخلص التدريجي من IGBTs القائمة على السيليكون- من الجهد المتوسط ​​-SST بسبب فقدان التبديل العالي.

-مكونات مغناطيسية عالية التردد: بلورات نانوية، سبيكة غير متبلورة، نواة من الفريت Mn-Zn (استبدال صفائح السيليكون الفولاذية) مع فقدان تردد فائق-منخفض ومرتفع-.

نظام التحكم: بنية DSP+FPGA ثنائية النواة- لمشاركة الجهد/التيار، وتنظيم الجهد على مستوى - بالمللي ثانية وحجب الأخطاء.

نظام التبريد: التبريد السائل الغاطس / لوحة التبريد بالمياه لنماذج الطاقة العالية-؛ تبريد الهواء للوحدات الصغيرة والمتوسطة.

وحدة معيارية: البنية المعيارية الصناعية-ISOP (سلسلة الإدخال والإخراج المتوازي). يتم توصيل وحدات SiC ذات الجهد المنخفض- على التوالي لتحمل الجهد العالي 10 كيلو فولت؛ يمكن تجاوز الوحدات المعيبة دون إيقاف تشغيل النظام.

5. المقارنة: محولات الحالة الصلبة مقابل محولات التردد التقليدية -.

6.-سيناريوهات التطبيق المتعمقة

(1) نظام الطاقة الجديد وجانب شبكة الطاقة

محطة فرعية ذات حالة صلبة- مرنة

يحل محل محولات النوع -المربعة القديمة في المدن. يدمج SST واحد تنظيم الجهد، ومعالجة عدم الاتزان -ثلاث مراحل، والتصفية التوافقية وعزل الأخطاء، وحل المشكلات مثل الجهد المنخفض المتكرر والتيار المحايد الزائد في المناطق السكنية القديمة. فهو يعزل العيوب خلال 0.8 ثانية، بينما المحولات التقليدية تستغرق أكثر من 12 ثانية.

منصات تعزيز طاقة الرياح البحرية

تتميز المنصات البحرية بمساحة محدودة وتكاليف بناء عالية. تعمل تقنية SST على خفض الحجم بنسبة 70%، مما يؤدي إلى التخلص من كبائن محولات التردد-الكبيرة لتقليل تكاليف الإنشاءات الهندسية البحرية والرفع. يمكن توصيل خرج التيار المستمر من توربينات الرياح البحرية مباشرة بـ SST من أجل النقل التدريجي-للأعلى.

خارج الشبكة-شبكات صغيرة

بالنسبة للجزر النائية والمواقع الحدودية والقواعد الكهروضوئية الميدانية، تشكل أنظمة الطاقة الكهروضوئية + تخزين الطاقة + SST أنظمة طاقة خارج الشبكة- لتحقيق الاستقرار التلقائي لتقلبات إنتاج الطاقة الكهروضوئية المتقطعة.

(2) مراكز الحوسبة ومراكز البيانات (أسرع مسار تجاري)

أصبح SST هو الحل القياسي لإمدادات الطاقة ذات الجهد العالي-بجهد 800 فولت لمجموعات NVIDIA وHuawei AIDC. 10 كيلو فولت، وتتصل الطاقة البلدية بـ SST مباشرة وتتحول إلى 800 فولت تيار مستمر لخزائن وحدة معالجة الرسومات.

يزيل وصلات تحويل المراحل 5- (محول صندوقي 10 كيلو فولت ← UPS تيار متردد 400 فولت ← تصحيح متعدد المراحل)، مما يرفع كفاءة إمداد الطاقة الإجمالية من 91% إلى 97.5%.

انخفض تيار الكابل بشكل حاد، وانخفض استهلاك النحاس بنسبة 55%، مما سمح بنشر المزيد من خزائن الحوسبة في قاعات البيانات بنسبة 30%.

تعمل واجهات تخزين الطاقة المضمنة- على توصيل البطاريات بنواقل التيار المستمر من أجل التبديل السلس للطاقة وعدم توقف الحوسبة عن العمل أثناء انقطاع التيار الكهربائي.

يتم تشغيل المشاريع التجريبية في مجموعة الحوسبة Guian East-data West-، وTencent Qingyuan Computing Base وAlibaba Zhangbei Computing Park.

(3) صناعة النقل

-محولات الجر للقطارات عالية السرعة ووحدات EMU

يؤدي استبدال -محولات الجر ذات التردد-على اللوحة بمحولات -SST عالية التردد إلى تقليل وزن السيارة بنسبة 40%، مما يؤدي إلى خفض تآكل القضبان-للعجلات واستهلاك طاقة القطار. يمكن تغذية الطاقة الكهربائية التي يتم توليدها أثناء الكبح مرة أخرى إلى الشبكة أو توفيرها للقطارات المجاورة، مما يقلل من استهلاك الطاقة الإجمالي بنسبة 10% إلى 15%.

إمدادات الطاقة المرنة لأنظمة المترو

تقوم خطوط المترو في قوانغتشو وشنتشن بتنفيذ عمليات تجريبية لإمدادات طاقة الجر SST للقضاء على التلوث التوافقي الناجم عن تشغيل المترو وإعادة تدوير طاقة الكبح، مما يؤدي إلى خفض المساحة الأرضية لمحطات المترو الفرعية إلى النصف.

قوة ميناء الشاطئ للسفن

تعتمد السفن في جميع أنحاء العالم معايير مختلفة للجهد والتردد (6 كيلو فولت/10 كيلو فولت، 50 هرتز/60 هرتز). تتكيف تقنية SST مع الجهد الكهربي والتردد التعسفي لتحقيق اتصال شبكي سلس للسفن من مختلف البلدان وتجنب الزيادات المفاجئة في الشبكة - التي تلحق الضرر بأنظمة طاقة السفينة.

(4) مصدر الطاقة الصناعية الدقيقة

ورش تصنيع الرقاقات والطباعة الحجرية لصناعة أشباه الموصلات

معدات الطباعة الحجرية والحفر حساسة للغاية لاضطراب الجهد؛ سيؤدي تقلب الجهد بنسبة 0.5٪ إلى إلغاء الرقاقة. تعمل تقنية SST على عزل ضربات البرق واضطرابات القوس من الشبكة، مما يوفر طاقة نظيفة مع تشويه توافقي إجمالي (THD) <2%.

أفران القوس المعدني وتخزين الطاقة الصناعية-على نطاق واسع

تقوم مصانع الصلب بتخزين الكهرباء خارج ساعات الذروة-وتفريغها خلال فترات الذروة. ومن خلال الجمع بين التحويل ثنائي الاتجاه بتقنية SST لتخزين الطاقة ذات الجهد العالي-، يتم تقليل نفقات الكهرباء الصناعية.

7. اختناقات التصنيع

حاجز التكلفة
تظل وحدات الطاقة ذات الجهد العالي-من كربيد السيليكون باهظة الثمن. تبلغ التكلفة الإجمالية لمحول ترددات SST بقدرة 10 كيلو فولت ما بين 3 إلى 6 أضعاف تكلفة محول تردد-قدرة متساوية-، ويفتقر إلى الفوائد الاقتصادية لشبكات التوزيع السكنية العادية.

-تحدي العزل عالي التردد
تؤدي المجالات الكهربائية عالية التردد- بسهولة إلى التفريغ الجزئي، مما يؤدي إلى تسريع تقادم المواد العازلة تحت الجهد العالي والحد من عمر الخدمة الإجمالي، وهي أكبر صعوبة فنية في -الجهد العالي SST.

دائرة قصر -ضعيفة تتحمل قدرة الأجهزة
تتحمل محولات التردد-الطاقة عدة ثوانٍ من تأثير الدائرة القصيرة-، بينما تحترق أشباه موصلات SiC خلال ميكروثانية تحت ظروف الدائرة القصيرة-. يجب تثبيت وحدات الحماية والتجاوز المتعددة-في أنظمة التحكم، مما يزيد من تعقيد النظام.

ضعف كفاءة التحميل-في الإضاءة
عندما يكون الحمل أقل من 30% من الطاقة المقدرة، فإن فقدان التبديل يهيمن على فقدان الطاقة SST وتنخفض الكفاءة إلى أقل من 93%. وفي المقابل، تحافظ محولات تردد الطاقة- على كفاءة تزيد عن 98% تحت الحمل الخفيف، مما يجعل SST غير مناسب لمحطات التوزيع الريفية ذات الأحمال المنخفضة بشكل مستمر.

نظام التشغيل والصيانة غير الناضج
تمتلك المحولات التقليدية أنظمة صيانة ناضجة وواسعة النطاق. تعمل تقنية SST على دمج إلكترونيات الطاقة والتحكم المضمن والتقنية المغناطيسية عالية التردد-، مما يفرض متطلبات فنية أعلى على موظفي الصيانة.

8. اتجاهات التنمية المستقبلية

ترقية الجهاز: يؤدي الاعتماد التدريجي لأجهزة SiC ذات الجهد العالي 3.3 كيلو فولت و6.5 كيلو فولت - إلى تقليل عدد الوحدات المتصلة المتسلسلة - وتبسيط بنية 10 كيلو فولت/35 كيلو فولت SST؛ تخترق أجهزة GaN تطبيقات الجهد العالي-المتوسطة-.

تكرار الطوبولوجيا: تحل طوبولوجيا الرنين CLLC محل DAB بشكل شامل لحل مشكلة فقدان DAB المرتفع تحت الحمل الخفيف. بمجرد حل صعوبات التحكم، سيتم تطبيق طوبولوجيا التيار المتردد -المرحلة الواحدة-التيار المتردد في سيناريوهات الطيران الخفيف الوزن.

التكامل العالي: يتم تجميع مكونات الطاقة والمحرك والمستشعر في وحدات SiC IPEM المدمجة لتقليل حجم الجهاز بشكل أكبر.

تمايز التطبيق

ستحتفظ شبكات التوزيع الحضرية والريفية العادية بمحولات التردد-التقليدية؛

ستشهد مراكز الحوسبة ومحطات الشحن فائقة السرعة-وطاقة الرياح البحرية والنقل بالسكك الحديدية انتشارًا واسع النطاق لتقنية SST في الفترة من 2028 إلى 2032.

تطبيق الشبكات: تشكل SSTs المتعددة مجموعة إنترنت للطاقة لتنسيق الطاقة الكهروضوئية وتخزين الطاقة وشحن الأحمال داخل شبكات الطاقة الإقليمية.