सॉलिड स्टेट ट्रांसफार्मर (एसएसटी) संपूर्ण ज्ञान प्रणाली

1. मूल परिभाषा एवं उपनाम

सॉलिड स्टेट ट्रांसफार्मर (एसएसटी), अकादमिक नामपावर इलेक्ट्रॉनिक ट्रांसफार्मर (पीईटी), जिसे उद्योग में इंटेलिजेंट सॉलिड स्टेट सबस्टेशन या एनर्जी राउटर के रूप में भी जाना जाता है।

मूलतः आयरन कोर ट्रांसफार्मर नहीं, यह एक मॉड्यूलर पावर इलेक्ट्रॉनिक उपकरण है जो सुधार, उलटा, उच्च आवृत्ति अलगाव और पावर गुणवत्ता विनियमन को एकीकृत करता है। यह उच्च आवृत्ति स्विचिंग के माध्यम से वोल्टेज परिवर्तन और अलगाव का एहसास करने के लिए SiC/GaN वाइड {{3} बैंडगैप सेमीकंडक्टर्स पर निर्भर करता है, पारंपरिक 50 हर्ट्ज पावर {{6} फ्रीक्वेंसी आयरन {{7} कोर संरचना को त्याग देता है।

शब्द "ठोस अवस्था" इंगित करता है कि कोई घूमने वाला भाग या तेल में डूबा हुआ लोहे का कोर नहीं है; पूरे उपकरण में पूरी तरह से ठोस अर्धचालक घटक होते हैं, जो इसे तरल तेल से भरे ऊर्जा {{4} आवृत्ति ट्रांसफार्मर से अलग करते हैं।

2. कार्य सिद्धांत

विद्युत चुम्बकीय प्रेरण सूत्र से व्युत्पन्न:

लौह क्रोड का क्रॉस-{0}}अनुभागीय क्षेत्रSपरिचालन आवृत्ति के व्युत्क्रमानुपाती होता हैf.

पारंपरिक शक्ति -आवृत्ति ट्रांसफार्मर निश्चित 50 हर्ट्ज़ पर काम करते हैं, जिसके लिए भारी लोहे के कोर की आवश्यकता होती है।

एसएसटी ऑपरेटिंग आवृत्ति को बढ़ा देता है20 किलोहर्ट्ज़ ~ 200 किलोहर्ट्ज़, लघुकरण के लिए चुंबकीय घटकों की मात्रा को मूल आकार के 1/10 ~ 1/5 तक सिकोड़ना।

मुख्यधारा तीन - चरण बिजली रूपांतरण श्रृंखला:

एसी विद्युत आवृत्ति उच्च-वोल्टेज प्रत्यावर्ती धारा → नियंत्रित सुधार → उच्च-वोल्टेज डीसी बस

उच्च {{0}वोल्टेज डीसी को उच्च {{1}आवृत्ति प्रत्यावर्ती धारा में उलटा → कॉम्पैक्ट उच्च {{2}आवृत्ति ट्रांसफार्मर द्वारा पृथक वोल्टेज परिवर्तन

द्वितीयक पक्ष पर उच्च -आवृत्ति एसी को सुधारा/उलटा किया गया → निम्न{{1}आवृत्ति एसी या उच्च-वोल्टेज डीसी आउटपुट

तकनीकी डाटा

3. तीन मुख्य वाणिज्यिक टोपोलॉजी

(1) तीन चरण टोपोलॉजी (औद्योगिक मुख्यधारा, पूर्ण फ़ंक्शन प्रकार)

संरचना:एसी/डीसी रेक्टिफायर स्टेज + डीसी/डीसी हाई-फ़्रीक्वेंसी आइसोलेशन स्टेज + डीसी/एसी इन्वर्टर स्टेज

इनपुट चरण: कैस्केडेड एच {{0} ब्रिज (सीएचबी) / एमएमसी मल्टी - लेवल रेक्टिफिकेशन 10 केवी और 35 केवी माध्यम {{4} वोल्टेज ग्रिड के अनुकूल होता है, पावर फैक्टर सुधार और हार्मोनिक दमन को लागू करता है;

अलगाव चरण: डीएबी (डुअल एक्टिव ब्रिज) / सीएलएलसी गुंजयमान कनवर्टर (पूरी तरह से लोड सॉफ्ट{{1}स्विचिंग और कम नुकसान के लिए डीएबी को धीरे-धीरे बदलना) + उच्च आवृत्ति नैनोक्रिस्टलाइन चुंबकीय कोर ट्रांसफार्मर;

आउटपुट चरण: एसी आउटपुट या 800 वी डीसी बस आउटपुट में सक्षम।

लाभ: डीसी बसें उच्च और निम्न वोल्टेज दोनों पक्षों पर मौजूद हैं, जो द्विदिशात्मक बिजली प्रवाह, एक साथ हार्मोनिक दमन, ऊर्जा भंडारण पहुंच और एसी -डीसी हाइब्रिड पावर ग्रिड के अनुकूलन को सक्षम करती हैं।

अनुप्रयोग: 10 केवी वितरण सबस्टेशन, एआई कंप्यूटिंग केंद्रों के लिए बिजली आपूर्ति, एकीकृत फोटोवोल्टिक {{1}भंडारण {{2}चार्जिंग स्टेशन।

(2) दो चरण टोपोलॉजी (हल्के कम लागत वाली योजना)

दो प्रकार: उच्च वोल्टेज पक्ष पर डीसी बस या निम्न वोल्टेज पक्ष पर डीसी बस। संरचना: एसी/डीसी सुधार + एकल चरण पृथक डीसी/डीसी रूपांतरण।

पोस्ट{0}}स्टेज इन्वर्टर को सीधे डीसी आउटपुट के लिए छोड़ दिया गया है, जिसमें सरल संरचना और कम नुकसान शामिल है।

कमी: ग्रिड की गड़बड़ी आसानी से कम वोल्टेज पक्ष, कमजोर बिजली गुणवत्ता विनियमन क्षमता से जुड़ जाती है।

अनुप्रयोग: ईवी अल्ट्रा{{0}फास्ट चार्जिंग पाइल्स, वितरित औद्योगिक ऊर्जा भंडारण, कम {{1}वोल्टेज माइक्रोग्रिड।

(3) सिंगल {{1}स्टेज मैट्रिक्स एसी -एसी टोपोलॉजी (अत्याधुनिक प्रयोगशाला प्रौद्योगिकी, व्यावसायीकरण नहीं)

कोई मध्यवर्ती डीसी कैपेसिटर नहीं। मैट्रिक्स कनवर्टर सीधे पावर {{1}आवृत्ति एसी को उच्च आवृत्ति एसी में परिवर्तित करता है, फिर उच्च आवृत्ति ट्रांसफार्मर से गुजरने के बाद पावर {{3}आवृत्ति एसी को पुनर्स्थापित करता है।
न्यूनतम घटक और सैद्धांतिक रूप से उच्चतम शक्ति घनत्व। हालाँकि, डीसी बफर लिंक के बिना, ग्रिड में उतार-चढ़ाव बिजली उपकरणों को तोड़ देता है, और नियंत्रण एल्गोरिदम बेहद जटिल होते हैं। केवल एयरोस्पेस अनुसंधान में सत्यापित।

4. कोर हार्डवेयर संरचना

विद्युत अर्धचालक: मुख्यधारा के उपकरण 1200 वी/1700 वी सीआईसी एमओएसएफईटी हैं; 3.3 kV SiC चिप्स 35 kV उच्च {{4}वोल्टेज परिदृश्यों में काम करते हैं। उच्च स्विचिंग हानि के कारण सिलिकॉन आधारित आईजीबीटी को मध्यम वोल्टेज एसएसटी से चरणबद्ध तरीके से हटा दिया जाता है।

उच्च-आवृत्ति चुंबकीय घटक: नैनोक्रिस्टलाइन, अनाकार मिश्र धातु, एमएन {{0}Zn फेराइट कोर (सिलिकॉन स्टील शीट की जगह) अल्ट्रा {{1} कम उच्च - आवृत्ति हानि के साथ।

नियंत्रण प्रणाली: वोल्टेज/करंट शेयरिंग, मिलीसेकंड{2}}लेवल वोल्टेज रेगुलेशन और फॉल्ट ब्लॉकिंग के लिए डुअल {{0}कोर डीएसपी+एफपीजीए आर्किटेक्चर।

शीतलन प्रणाली: उच्च क्षमता वाले मॉडलों के लिए विसर्जन तरल शीतलन / प्लेट जल शीतलन; छोटी और मध्यम इकाइयों के लिए एयर कूलिंग।

मॉड्यूलर इकाई: उद्योग-मानक आईएसओपी (इनपुट सीरीज आउटपुट पैरेलल) मॉड्यूलर आर्किटेक्चर। कम -वोल्टेज SiC इकाइयां 10 केवी उच्च वोल्टेज का सामना करने के लिए श्रृंखला में जुड़ी हुई हैं; सिस्टम शटडाउन के बिना दोषपूर्ण मॉड्यूल को बायपास किया जा सकता है।

5. तुलना: सॉलिड स्टेट ट्रांसफॉर्मर बनाम पारंपरिक पावर-फ़्रीक्वेंसी ट्रांसफॉर्मर

6. गहन अनुप्रयोग परिदृश्य

(1) नई विद्युत प्रणाली एवं पावर ग्रिड साइड

लचीला ठोस-स्टेट सबस्टेशन

शहरों में पुराने बॉक्स प्रकार के ट्रांसफार्मर को बदलना। एक एकल एसएसटी वोल्टेज विनियमन, तीन चरण असंतुलन उपचार, हार्मोनिक फ़िल्टरिंग और दोष अलगाव को एकीकृत करता है, जो पुराने आवासीय जिलों में लगातार कम वोल्टेज और अत्यधिक तटस्थ वर्तमान जैसी समस्याओं को हल करता है। यह 0.8 सेकंड के भीतर दोषों को अलग कर देता है, जबकि पारंपरिक ट्रांसफार्मर को 12 सेकंड से अधिक समय लगता है।

अपतटीय पवन ऊर्जा बूस्टर प्लेटफार्म

अपतटीय प्लेटफार्मों में सीमित स्थान और उच्च निर्माण लागत होती है। एसएसटी ने वॉल्यूम में 70% की कटौती की है, जिससे अपतटीय इंजीनियरिंग निर्माण और उत्थापन लागत को कम करने के लिए बड़ी शक्ति आवृत्ति ट्रांसफार्मर केबिन को खत्म कर दिया गया है। अपतटीय पवन टरबाइनों से डीसी आउटपुट को चरणबद्ध तरीके से ट्रांसमिशन के लिए सीधे एसएसटी से जोड़ा जा सकता है।

ऑफ-ग्रिड माइक्रोग्रिड

सुदूर द्वीपों, सीमा चौकियों और फ़ील्ड फोटोवोल्टिक अड्डों के लिए, पीवी + ऊर्जा भंडारण + एसएसटी रुक-रुक कर होने वाले फोटोवोल्टिक आउटपुट उतार-चढ़ाव को स्वचालित रूप से स्थिर करने के लिए कंटेनरीकृत ऑफ ग्रिड पावर सिस्टम बनाता है।

(2) कंप्यूटिंग केंद्र और डेटा केंद्र (सबसे तेज़ व्यावसायीकृत ट्रैक)

एसएसटी एनवीआईडीआईए और हुआवेई एआईडीसी क्लस्टर के लिए मानक 800 वी उच्च वोल्टेज डीसी बिजली आपूर्ति समाधान बन जाता है। केवी नगरपालिका बिजली सीधे एसएसटी से जुड़ती है और जीपीयू कैबिनेट के लिए 800 वी डीसी में परिवर्तित हो जाती है।

5-स्टेज रूपांतरण लिंक (10 केवी बॉक्स ट्रांसफार्मर → 400 वी एसी यूपीएस → मल्टी-स्टेज सुधार) को समाप्त करता है, जिससे समग्र बिजली आपूर्ति दक्षता 91% से बढ़कर 97.5% हो जाती है।

केबल करंट में तेजी से गिरावट आई, तांबे की खपत में 55% की कटौती हुई, जिससे डेटा हॉल में 30% अधिक कंप्यूटिंग कैबिनेट तैनात किए गए।

अंतर्निहित ऊर्जा भंडारण इंटरफ़ेस ब्लैकआउट के दौरान निर्बाध पावर स्विचिंग और शून्य कंप्यूटिंग डाउनटाइम के लिए बैटरियों को डीसी बसों से जोड़ता है।

पायलट परियोजनाएँ गुइयन ईस्ट {{0}डेटा वेस्ट {{1}कंप्यूटिंग क्लस्टर, टेनसेंट क्विंगयुआन कंप्यूटिंग बेस और अलीबाबा झांगबेई कंप्यूटिंग पार्क में चल रही हैं।

(3) परिवहन उद्योग

उच्च गति वाली ट्रेनों और ईएमयू के लिए ऑन{0}बोर्ड ट्रैक्शन ट्रांसफार्मर

ऑन बोर्ड पावर {{1} फ्रीक्वेंसी ट्रैक्शन ट्रांसफार्मर को हाई {2} फ्रीक्वेंसी एसएसटी से बदलने से वाहन का वजन 40% कम हो जाता है, व्हील रेल घिसाव कम हो जाता है और ट्रेन की ऊर्जा खपत कम हो जाती है। ब्रेकिंग के दौरान पुनर्जीवित विद्युत ऊर्जा को ग्रिड में वापस भेजा जा सकता है या आसन्न ट्रेनों को आपूर्ति की जा सकती है, जिससे कुल बिजली खपत में 10% ~ 15% की कटौती होती है।

मेट्रो प्रणालियों के लिए लचीली बिजली आपूर्ति

गुआंगज़ौ और शेन्ज़ेन में मेट्रो लाइनें मेट्रो संचालन के कारण होने वाले हार्मोनिक प्रदूषण को खत्म करने और ब्रेकिंग ऊर्जा को रीसायकल करने के लिए एसएसटी ट्रैक्शन पावर सप्लाई पायलट करती हैं, जिससे मेट्रो सबस्टेशनों का फर्श क्षेत्र आधा हो जाता है।

जहाजों के लिए बंदरगाह तट की शक्ति

दुनिया भर में जहाज विभिन्न वोल्टेज और आवृत्ति मानकों (6 केवी/10 केवी, 50 हर्ट्ज/60 हर्ट्ज) को अपनाते हैं। एसएसटी विभिन्न देशों के जहाजों के लिए निर्बाध ग्रिड कनेक्शन का एहसास करने और जहाज बिजली प्रणालियों को नुकसान पहुंचाने वाले ग्रिड से जुड़े उछाल से बचने के लिए मनमाने वोल्टेज और आवृत्ति को अनुकूलित करता है।

(4) औद्योगिक परिशुद्धता विद्युत आपूर्ति

सेमीकंडक्टर उद्योग के लिए वेफर निर्माण और लिथोग्राफी कार्यशालाएँ

लिथोग्राफी और नक़्क़ाशी उपकरण वोल्टेज गड़बड़ी के प्रति बेहद संवेदनशील हैं; 0.5% वोल्टेज उतार-चढ़ाव के कारण वेफर स्क्रैपिंग हो जाएगी। एसएसटी सक्रिय रूप से बिजली के हमलों और आर्क गड़बड़ी को ग्रिड से अलग करता है, कुल हार्मोनिक विरूपण (टीएचडी) <2% के साथ स्वच्छ बिजली की आपूर्ति करता है।

धातुकर्म आर्क भट्टियां और बड़े पैमाने पर औद्योगिक ऊर्जा भंडारण

स्टील प्लांट ऑफ-पीक आवर्स के दौरान बिजली का भंडारण करते हैं और पीक पीरियड के दौरान डिस्चार्ज करते हैं। उच्च वोल्टेज ऊर्जा भंडारण के लिए एसएसटी द्विदिशीय रूपांतरण के साथ संयुक्त, औद्योगिक बिजली व्यय कम हो जाता है।

7. औद्योगीकरण की बाधाएँ

लागत बाधा
उच्च -वोल्टेज SiC पावर मॉड्यूल महंगे रहते हैं। 10 केवी एसएसटी की कुल लागत समान {{5}क्षमता वाले पावर{{6}आवृत्ति ट्रांसफार्मर की 3~6 गुना है, जिसमें सामान्य आवासीय वितरण नेटवर्क के लिए आर्थिक लाभ की कमी है।

उच्च-आवृत्ति इन्सुलेशन चुनौती
उच्च आवृत्ति वाले विद्युत क्षेत्र आसानी से आंशिक निर्वहन को ट्रिगर करते हैं, उच्च वोल्टेज के तहत इन्सुलेट सामग्री की उम्र बढ़ने में तेजी लाते हैं और समग्र सेवा जीवन को सीमित करते हैं, जो उच्च {{1} वोल्टेज एसएसटी के लिए सबसे बड़ी तकनीकी कठिनाई है।

उपकरणों की कमजोर शॉर्ट सर्किट सहन क्षमता
पावर{{0}आवृत्ति ट्रांसफार्मर कई सेकंड के शॉर्ट-सर्किट प्रभाव को बनाए रखते हैं, जबकि SiC अर्धचालक शॉर्ट-सर्किट स्थितियों के तहत माइक्रोसेकंड के भीतर जल जाते हैं। सिस्टम की जटिलता को बढ़ाते हुए, नियंत्रण प्रणालियों में बहु-अतिरिक्त सुरक्षा और बाईपास मॉड्यूल स्थापित किए जाने चाहिए।

ख़राब रोशनी-लोड क्षमता
जब लोड 30% रेटेड पावर से कम होता है, तो स्विचिंग लॉस एसएसटी पावर लॉस पर हावी हो जाता है और दक्षता 93% से नीचे गिर जाती है। इसके विपरीत, बिजली आवृत्ति ट्रांसफार्मर हल्के भार के तहत 98% से ऊपर दक्षता बनाए रखते हैं, जिससे एसएसटी लगातार कम भार वाले ग्रामीण वितरण स्टेशनों के लिए अनुपयुक्त हो जाता है।

अपरिपक्व संचालन एवं रखरखाव प्रणाली
पारंपरिक ट्रांसफार्मर में परिपक्व और व्यापक रखरखाव प्रणाली होती है। एसएसटी पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, एम्बेडेड नियंत्रण और उच्च आवृत्ति चुंबकीय प्रौद्योगिकी को एकीकृत करता है, जिससे रखरखाव कर्मियों पर उच्च तकनीकी आवश्यकताएं लागू होती हैं।

8. भविष्य के विकास के रुझान

डिवाइस अपग्रेड: धीरे-धीरे 3.3 केवी और 6.5 केवी उच्च वोल्टेज SiC उपकरणों को अपनाने से श्रृंखला से जुड़ी इकाइयों की संख्या कम हो जाती है और 10 केवी/35 केवी एसएसटी की संरचना सरल हो जाती है; GaN उपकरण उच्च{{6}पावर माध्यम{{7}वोल्टेज अनुप्रयोगों में प्रवेश करते हैं।

टोपोलॉजी पुनरावृत्ति: हल्के भार के तहत उच्च डीएबी हानि की समस्या को हल करने के लिए सीएलएलसी अनुनाद टोपोलॉजी डीएबी को व्यापक रूप से प्रतिस्थापित करती है। एक बार नियंत्रण संबंधी कठिनाइयाँ हल हो जाने के बाद, एकल {{1}स्टेज एसी -एसी टोपोलॉजी को हल्के एयरोस्पेस परिदृश्यों में लागू किया जाएगा।

उच्च एकीकरण: डिवाइस की मात्रा को और कम करने के लिए पावर, ड्राइव और सेंसर घटकों को एकीकृत SiC IPEM मॉड्यूल में पैक किया गया है।

अनुप्रयोग भेदभाव

सामान्य शहरी और ग्रामीण वितरण नेटवर्क पारंपरिक बिजली आवृत्ति ट्रांसफार्मर को बनाए रखेंगे;

2028 से 2032 तक कंप्यूटिंग केंद्र, अल्ट्रा-फास्ट चार्जिंग स्टेशन, अपतटीय पवन ऊर्जा और रेल पारगमन में बड़े पैमाने पर एसएसटी लोकप्रियता देखी जाएगी।

नेटवर्किंग अनुप्रयोग: एकाधिक एसएसटी क्षेत्रीय पावर ग्रिड के भीतर फोटोवोल्टिक, ऊर्जा भंडारण और चार्जिंग लोड को समन्वयित करने के लिए एक ऊर्जा इंटरनेट क्लस्टर बनाते हैं।