宽禁带科技论|固态变压器：概念、拓扑及其在智能电网中的应用综述

本篇为大家介绍的是伊朗塞姆南大学Asghar Akbari Foroud团队在固态变压器（SST）技术领域发表了一篇综述文章。相关成果以“Solid-state transformers: An overview of the concept, topology, and its applications in the smart grid”为题，发表在《International Transactions on Electrical Energy Systems》上。该文系统阐述了固态变压器的概念、拓扑及其在智能电网中的多样化应用，并特别指出宽禁带半导体（尤其是4H-SiC）是突破SST高频、高压性能瓶颈的关键技术。

研究背景

传统工频变压器成本低、可靠性高，但无法满足智能电网对双向功率流、电能质量调节和可再生能源灵活接入的新需求。基于电力电子变换器的固态变压器（SST）应运而生，它不仅能完成电压变换和隔离，还能提供无功补偿、电压调节、谐波滤除、故障隔离等多种增值服务，是未来智能电网的核心使能设备。

图1 传统变压器与固态变压器的概念演进路线

图1展示了四个阶段：无源低频变压器→串联电压补偿变压器→交流串联斩波变压器→固态变压器。SST是电力电子技术与传统变压器相结合的产物，具备智能管理和电能质量调节能力。

图文导读

宽禁带半导体：SST高频化的核心驱动力

设计高可靠性、高效率的SST，必须使用能够在高频和高压条件下工作的功率半导体器件。 传统的硅基IGBT、IGCT等虽然能耐受高电压，但其开关频率通常无法超过1 kHz。原因在于：在硬开关过程中，频率升高会带来开关损耗的急剧增加，同时产生严重的电磁干扰。而SST的核心优势——体积和重量的减小，恰恰依赖于高频变压器。如果开关频率被限制在1 kHz以内，变压器的磁芯体积和绕组匝数无法有效降低，SST便失去了相对于工频变压器的竞争力。

宽禁带半导体材料（如4H-SiC）正是为解决这一矛盾而生。 与硅相比，SiC具有更高的临界击穿电场、更宽的带隙以及更高的热导率。这些特性使得SiC器件能够：

• 在相同电压等级下实现更低的导通电阻；
• 在更高的结温下稳定工作（>200°C，而硅通常限于150°C）；
• 在更高的开关频率下保持较低的开关损耗。

论文引用的研究表明：在1 kV、2 kHz以上频率条件下，SiC MOSFET表现最佳；若SST对体积和功率密度有严格要求，则SiC MOSFET在10–15 kV以下电压等级最为适用。宽禁带器件的高频优势直接转化为变压器体积重量的数量级下降——当开关频率从几百Hz提升到几十kHz时，高频变压器体积可缩小至工频变压器的几十分之一。

SST的基本概念与拓扑

SST由三部分组成：输入级变换器（工频AC→高频AC）、高频隔离变压器（HFT）、输出级变换器（高频AC→工频AC）。与低频变压器不同，SST能实现双向功率流、交直流混合母线、输出与输入频率解耦。

图2 SST的三种基本拓扑结构。

图2 SST的三种拓扑：(A)单级（无直流母线）；(B)两级（次级侧直流母线）；(C)两级（初级侧直流母线）；(D)三级（双侧直流母线）。 级数越多，可控性越强，但开关数量和成本也越高。

单级结构（矩阵变换器）成本低、损耗小，但无直流母线，无法进行无功补偿、无法接入直流源，扰动会直接传递。

两级结构增加了直流母线，可实现无功补偿、独立频率和功率因数、输入电流调节等功能，但零电压开关困难，开关损耗较高。

三级结构拥有高压和低压直流母线，功能最全面：可独立调节高压直流母线、直接接入中压直流电网或大型储能、低压直流母线稳定性好，可直接为直流负载供电。

表1 不同SST拓扑结构的功能支持能力对比

表1列出了单级、两级、三级结构在16项功能上的表现，从表中可以清晰地看到：单级结构在大多数功能上为“差”或“无”，两级结构表现为“良好”到“非常好”，而三级结构则几乎在所有功能上都达到了“良好”或“非常好”。特别值得注意的是，“高压直流母线调节”和“模块化实现”两项功能只有三级结构能够支持。该表为工程师根据不同应用场景选择合适的SST拓扑提供了直接依据。

表2 不同SST拓扑的开关损耗比较

表2 基于6500 V高压侧和600 V低压侧开关器件数量进行了仿真计算。单级结构损耗最低，但功能最弱；两级结构损耗最高；三级结构在功能与损耗之间取得了较好的平衡。论文指出，如果采用宽禁带器件，开关损耗可进一步大幅降低，同时允许更高的开关频率。文中引用的实验室样机采用三级结构并配合SiC MOSFET，实现了96.75%的整体效率。

图3 一种两级SST的串-并联布局结构。

图3 展示了多个SST单元在高压侧串联、低压侧并联的配置方式。串联连接用于分摊高压，使每个单元只承受一部分电压，从而可以使用电压等级较低但开关性能更好的器件；并联连接用于增加电流容量，实现大功率传输。 这种串-并联架构是解决单个功率器件耐压和通流能力不足的有效手段，也是SST模块化设计的基础。

高频变压器的设计挑战

高频变压器是SST中替代传统工频变压器的核心部件，其设计面临三大挑战。

1. 磁芯材料选择。 传统硅钢片在高频下涡流损耗急剧增大，不适用于SST。非晶和纳米晶材料兼具较高的饱和磁通密度和较低的高频损耗，是当前大功率SST高频变压器的主流选择。

2. 绕组结构。 螺绕式结构简单、成本低，是最常见的方案；同轴式泄漏磁通易于控制和预测，但制造难度大，匝数比选择受限，尤其低压侧大电流绕组难以实现。论文指出，对于高功率、高频应用，可以通过多个磁芯的组合连接来实现所需的功率容量。

3. 热与绝缘设计。 由于SST体积紧凑，无法像传统变压器那样使用油浸绝缘和散热，因此必须采用风冷或水冷散热，以及环氧树脂等固体绝缘材料。热管理设计需要综合考虑铜损、铁损、开关损耗以及散热通道的气流/水流分布，是SST工程化中的难点之一。

SST vs. 传统变压器

论文对SST和传统低频变压器（LFT）进行了系统的比较。

SST的优势：

• 体积和重量大幅减小
• 电能质量主动调节
• 双向功率流
• 直流母线接口
• 故障隔离与限流
• 频率和相位解耦。

SST当前面临的挑战：

• 成本较高
• 效率略低
• 可靠性待验证

图4 SST同时实现无功补偿与有源谐波滤波。

图4用一个简化的电路框图展示了SST如何同时实现两种功能。高压侧变换器通过控制有功和无功电流分量，可独立调节功率因数；同时注入反向谐波电流，使网侧电流保持正弦。两者可同时进行，无需额外设备。

图5 传统配电系统在三相故障下的响应

图6 SST配电系统在三相故障下的响应

这两张图通过仿真波形对比了两种系统在相同故障条件下的表现。传统系统必须依靠断路器快速切除故障线路，但切除过程中不可避免会造成供电中断。SST主动限流可防止故障扩散，非故障线路可继续运行，供电可靠性显著提升。图片对比清晰地展示了SST作为智能设备在故障限流和供电连续性方面的巨大优势。

SST在智能电网中的多样化应用

图7 传统充电站结构与SST充电站结构的对比

• 牵引系统：瑞士铁路SST机车，效率从88–92%提升至>95%，功率密度从0.2–0.35提升到0.5–0.75 kVA/kg。SiC器件的高频高压特性在此发挥关键作用。
• 海上风电：轻量化减小平台尺寸，同时实现单位功率因数运行。
• 微电网：SST作为三端口功率路由器，协调光伏、储能、负载的能量流动。
• 数据中心：同时提供交直流电源，减少转换环节，并滤除电网杂质。
• 故障限流：SST将短路电流限制在额定值的2倍以内，成为天然的故障电流限制器。
• 电能质量综合调节：可作为统一电能质量调节器（UPQC），解决电压暂降、谐波、闪变等问题。

结论与展望

SST是未来智能电网的关键使能技术，能够提供传统变压器无法实现的多种增值服务。当前面临的成本、损耗和可靠性问题，正随着宽禁带半导体的快速发展而逐步解决。SiC MOSFET的高频、高压、高温特性使得SST的开关频率可提升至几十kHz甚至更高，进一步减小体积、降低损耗。随着宽禁带器件成本的下降和可靠性的提升，SST有望在配电系统中逐步替代传统工频变压器，推动智能电网从概念走向现实。

原文详情：

Shadfar H, Ghorbani Pashakolaei M, Akbari Foroud A. Solid-state transformers: An overview of the concept, topology, and its applications in the smart grid. Int Trans Electr Energ Syst. 2021;31(9):e12996. https://doi.org/10.1002/2050-7038.12996

论文链接：
https://doi:10.1002/2050-7038.12996

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