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電力是人類發展的根本推動力。它允許不斷發展的技術進步，同時隨著需求的增加擴大其使用范圍。為了發電，已經利用了資源相對豐富的幾種形式的能源，例如水力發電，化石燃料和核能。然而，歷史上主要的經濟和可持續性因素已將能源消耗平衡推向了可再生能源的開發。實際上，由于這些替代類型的一次能源以不受控制的天氣所定義的可變速率可用，因此其與電網的集成必須實現高水平的控制復雜性，以便在不損害電網安全的情況下最大化發電量。

傳統電力系統的功能拓撲已經為從大型發電廠到負載消耗中心的便捷路線服務。此外，配電系統大多數情況下是徑向設計的，盡管在計劃外斷開的情況下也有可能將電路傳輸到其他饋線，盡管事實上設想將電網從發電機垂直傳輸到負載，但要應對可再生能源的到來，它仍然面臨著重大挑戰：能量流的雙向性。該特性旨在提供可再生能源，以不同規模和位置分布在整個網絡中，其代價是增加了配電系統中互連的數量，引入了新設備并重新設計了現有的實施方式。這種模式已經基本設想智能電網，不僅因為能量轉移，而且增加的智能系統必須有能力控制這種分布式場景。此外，在自然災害和大型電廠停電的情況下，智能電網還可以促進電網生存。因此，可持續性和安全性是必須適合智能電網的概念。

盡管到目前為止，整個電力系統中的分布式能源都具有技術優勢，但要使其穩定并符合運行和質量標準，還必須做很多工作。已經有幾種方法來研究可靠性改進，穩定性能，通信技術，以及其他幾個組織轉化。作為說明，在電力系統保護的操作要求下，容錯系統必須不僅基于自身的度量而且還基于其接近程度來區分故障事件的類型。因此，在這種情況下，集成通信系統至關重要。另一方面，電能質量問題必須得到補償，因為會出現由于利用基于電力電子技術的新型開關技術而引起的其他類型的現象。因此，即使在罕見的極低概率事件期間，保持電壓，頻率和信號的清潔度也將成為新的電能設備中的必要條件。如果滿足所有這些條件，則網絡運營商可以確保更復雜的電源系統的穩定性。未來的智能電網是具有更高水平的可靠性和效率的智能電網。

正因如此，電力電子解決方案便在全球范圍內的迅速發展帶來了一個普遍的問題，那就是采用非線性負載。這一事實對電力系統的質量產生了重大影響，并因此對能源效率產生了重大影響，因為非線性負載充當了諧波電流的來源，諧波電流會流向其他負載甚至是來源，從而導致其運行中的性能不佳。如今，常規變壓器僅限于管理（升高或降低）電壓水平，但是它們不能處理電能質量事件，例如諧波，驟降，驟升等。因此，需要結合通用的智能設備來應對先前針對智能電網環境所描述的挑戰。所以，本章節要跟大家分享的是：現代電力系統中的固態變壓器（SST）這一話題。

一、固態變壓器的發展歷史簡述

電力電子變壓器(最初叫做固態變壓器)的概念早在 20 世紀 70 年代初就被提出。1970 年，美國 GE 的 W.Mc Murray 在他申請的一項ZL中首先提出了一種包含高頻變壓器的電力電子拓撲電路。1980 年，美國海軍在一個項目中提出了一種由 AC/AC 的降壓變壓器構成的固態變壓器。1995 年，美國電力科學研究院(EPRI)提出了另一種 AC/AC 結構的降壓變換器型電力電子變壓器拓撲結構。這種拓撲由于是直接交交型變換結構，中間沒有使用高頻變壓器，因而成本較低，且開關器件數也較少。但由于該結構中不存在變壓器，因而其原方和副方之間并不能實現電氣隔離。

1996 年，日本人 Koosuke Harada 提出了一種智能變壓器的概念，這種變壓器主要是通過高頻技術來提升變壓器鐵芯材料的利用率，并以此減小系統的體積。另外，該變壓器還通過電力電子變換技術及控制技術實了功率因數校正、恒壓和恒流等功能。其研究成果在一個200V/3k VA 的實驗裝置上得到了實現，開關頻率達到了 15k Hz，但仍存在效率稍低的缺點，大概在 80%～90%左右。

20 世紀 90 年代末，電力電子技術的快速發展加快了電力電子變壓器領域研究的前進步伐，國外在電力電子變壓器的研究上也取得了一定的進展。特別是在工業配電系統中，一些新的電力電子變壓器的研究方案也在這時得以提出，并進行了實驗驗證。美國德州 A&M 大學的 Moonshik Kang 和 Enjeti 首先提出了一種基于直接 AC/AC 變換的電力電子變壓器的結構，此后 1999 年 Ronan 和Sudnoff 提出了一種三級結構組成的電力電子變壓器拓撲結構，它主要由輸入級、隔離級和輸出級這三部分組成，這種方案的特點在于輸入級可以采用多級的功率模塊進行串聯，因而輸入電壓可以被均分到每個模塊上，從而降低了單個功率模塊上所承受的電壓應力。

簡單的變壓器是由閉合的導磁體和二個繞組組成，其中一個繞組與交流電源相連接，稱為初級繞組Np，另一個繞組可以與負載相連接，稱為次級繞組Ns。

如果初級繞組與交流電壓Ui的電源相連接，變壓器處于空載，在初級繞組中產生交變電源Io， Io稱為空載電流。這個電流建立了沿磁芯磁路而閉合的交變磁通，磁通同時穿過初級繞組和次級繞組，在初級繞組中產生自感電動勢E1，次極產生互感電動勢E2，則E1：E2=Np：Ns。Np為初級繞組匝數，Ns為次級繞組匝數。

變壓器在電子線路中起著升壓、降壓、隔離、整流、變頻、倒相、阻抗匹配、逆變、儲能、濾波等作用。

固態變壓器從20世紀60年代概念提出，經歷高頻技術、直接交交結構、智能化控制等關鍵階段，現已成為電力電子領域的重要技術之一，并在全球范圍內實現規?；瘧谩?/p>

二、固態變壓器的介紹

固態變壓器，英文全稱：Solid-State Transformer，簡稱：SST，同時固態變壓器又可稱作：電子電力變壓器，英文全稱：Electronic Power Transformer，簡稱：EPT，也有被稱為：智能變壓器，其英文全稱：Smart Transformer，簡稱：ST。固態變壓器（SST）是一種將電力電子變換技術和基于電磁感應原理的高頻電能變換技術相結合，實現將一種電力特征的電能轉變為另一種電力特征的電能的靜止電氣設備。

它也是電力電子技術與傳統電磁感應變壓技術相結合的產物，是未來智能電網的關鍵設備之一，它徹底顛覆了我們對傳統變壓器僅用于“變壓”的單一印象。

固態變壓器（SST）是一種基于電力電子變流器實現能量變換和控制的新型變電裝置。傳統變壓器主要依靠工頻（50/60 Hz）的電磁感應來改變電壓，結構簡單但功能單一。固態變壓器（SST）則是一個復雜的“電力電子系統”，它將輸入的高壓交流電（AC）或直流電（DC）通過多次高頻（kHz 甚至 MHz 級別）的轉換，最終得到所需的輸出電壓，并在這個過程中實現高級的控制功能。

三、固態變壓器（SST）的基本工作原理

簡單來說，傳統變壓器是依靠電磁感應原理，在50/60 Hz工頻下工作的。而固態變壓器（SST）則是首先工頻交流信號經電力電子變換器變換為高頻方波信號(如AC-DC-AC或AC-DC-DC-AC結構)，信號通過高頻隔離變壓器傳輸，再經電力電子變換器將高頻方波信號還原成工頻交流信號，最后該過程可以通過控制器對電力電子變換裝置進行適當的控制來完成。具體基本工作原理如下：

?1、高頻電力電子轉換?

固態變壓器（SST）首先將輸入的交流電（AC）通過整流器轉換為直流電（DC），然后通過高頻逆變器將直流電轉換為高頻交流電（通常為幾千赫茲到幾兆赫茲）。高頻交流電通過高頻變壓器進行電壓變換，最后再通過整流器將高頻交流電轉換為所需的直流或交流輸出。

?2、高頻變壓器?

與傳統工頻變壓器（50/60 Hz）不同，固態變壓器（SST）使用高頻變壓器。由于變壓器的體積與頻率成反比，高頻變壓器可以顯著減小體積和重量，同時提高功率密度。

?3、智能控制與調節?

固態變壓器（SST）通過先進的電力電子控制技術（如PWM調制、數字信號處理等）實現電壓、電流和功率的精確調節，支持雙向能量流動（如可再生能源并網）、無功補償和故障保護等功能。

?4、功能擴展?

固態變壓器（SST）不僅可以實現電壓變換，還能集成多種功能，如電能質量改善（諧波抑制、電壓暫降補償）、分布式能源接口（光伏、儲能系統接入）和智能電網交互。

同時，固態變壓器（SST）的核心在于其三級拓撲結構（這是最常見的結構，也稱“AC/DC/AC”）：

四、固態變壓器（SST）工作原理、關鍵技術和研發概況專項分享

以下就是本章節要跟大家分享的主要內容，希望有興趣或是同行的朋友可以一起多多交流學習：

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五、固態變壓器（SST）的核心優勢

由上面講到的固態變壓器（SST）的基本原理，可以看出其相對于傳統變壓器，固態變壓器（SST）有以下幾點核心優勢：

1、高效率

與傳統變壓器相比，固態變壓器（SST）的使用效率更高，通?？蛇_到98%以上，這主要是由于其采用的半導體器件可以實現高效、無損耗的電能轉換。

2、節能環保

固態變壓器（SST）不僅效率更高，而且與傳統變壓器相比可以實現更加精確的能量控制和管理，從而避免電能在轉換過程中的能量浪費，減少二氧化碳排放，提高能源利用效率。

3、穩定性好

固態變壓器（SST）具有較好的穩定性和可靠性，不僅能夠適應各種環境變化和動態負載條件，而且能夠實現靈活、可編程的控制方式，從而滿足不同應用場景的需求。

4、體積小、重量輕

相較于傳統變壓器，固態變壓器（SST）具有體積小、重量輕等優點，這在一些對空間有限制和對體積、重量有要求的應用場合具有很大的優勢。

5、有利于建設智能電網

固態變壓器（SST）可以實現高精度的電能測量和數據通信，更容易實現電力系統分布式控制和管理，有利于基于智能電網的能源管理和優化。

綜上所述，固態變壓器（SST）具有高效、節能、穩定靈活等優點，有望在電力系統中扮演更為重要的角色，服務于更加高效、可靠、智能的電力系統。

六、固態變壓器（SST）的缺點

近幾十年來，電力系統發展迅速，且呈現出幾大特點:

1、電力系統從剛開始的跨市連接到現在的跨省級、跨區域連接，規模越來越大，如何保證超大規模力系統的安全性和穩定性是需要嚴肅考慮的問題。

2、能源危機日趨嚴重，因此，可再生能源分布式發電系統如光伏發電、風力發電等越來越受到重視，而分布式發電系統接入電網又會引發一系列控制問題。

3、用電負荷多樣性增加，非線性負荷越來越多，而非線性負荷產生的諧波會對電網產生影響，使得電能質量問題日益突出。面對電力系統新的挑戰，傳統電力變壓器作為電力系統輸配電中基本的電力設備，其過于單一的功能也越來越不能滿足現代電力系統的需求。

目前，傳統變壓器采用油浸式變壓器，雖然傳統變壓器工作效率高、可靠性高且價格低廉，但是傳統變壓器也有不可忽視的缺點，包括:

1、體積大、過于笨重。

2、電網側與負載側沒有實現隔離，因此電網側和負載側的擾動和故障會互相耦合。電網側發生電壓跌落和閃變會耦合到負載側，同樣，負載側的諧波也會耦合到電網側，污染電網，影響電網的穩定性。

3、負載側電壓受負載影響較大，負載發生很大的變化時，負載側電壓波動大。

4、沒有直流接口和儲能的能力。

5、若變壓器發生漏油，會造成環境污染。

隨著電力電子器件的飛速發展，電力電子技術在電力系統中應用的越來越多。現代系統中，許多機械式、電磁式設備都在被新型電力電子設備替代，使得電力系統能夠更好地實現自動化、智能化和靈活化。例如，高壓直流輸電( HVDC )、靜止無功補償裝置(( SVC )、有源電力濾波器(APF)、電能質量控制器(UPQC)、統一潮流控制器(UPFC)等電力電子設備廣泛運用于輸電和配電中。考慮到當今電力系統的特點和傳統變壓器的不可避免的缺點，那么是否也可以將電力電子技術運用到電力變壓器中，因此固態變壓器（SST）應運而生。

七、固態變壓器（SST）的應用領域

固態變壓器（SST）由于其高效、可靠、靈活等優點，可以廣泛應用于以下領域：

1、電力系統

在傳統變壓器的升級換代中，固態變壓器（SST）具有很大的發展潛力和市場前景。固態變壓器（SST）可以實現高效、穩定的電能轉換以及智能化控制和管理，有望進一步提高電力系統的可靠性、適應性和智能化水平。

2、電動汽車充電站

固態變壓器（SST）可以實現高效、準確的電能轉換和控制，在電動汽車領域中越來越多地應用于電池充電技術。固態變壓器（SST）具有快速響應、車輛峰值功率的平滑控制，同時還具有能夠實現電能回饋的快速電動變壓器等特點，有望成為未來電動汽車充電領域的關鍵技術之一。

3、高速列車

固態變壓器（SST）可以用于高速列車的牽引電力系統中，能夠實現高效、可靠的電源轉換和變壓器控制，以及對動態負載變化的快速響應。固態變壓器（SST）可以提高高速列車的動力性能、冷卻效率和重量控制等方面的優勢。

4、新能源領域

太陽能、風能等新能源的發電系統中，可以采用固態變壓器（SST）實現電能的高效轉換和可靠控制，從而提高新能源發電的可靠性和接入水平，有助于解決新能源接入電網方面的問題。

5、數據中心

基于固態變壓器（SST）進行的中壓供電和設施級直流配電，用設施級直流配電取代常規交流配電，以減少損耗并提高可靠性。

6、海上風電

基于固態變壓器（SST）通過高頻變壓器進行的交流增壓和隔離，配備固態變壓器的緊湊型高效海上變電站，即可實現遠距離高壓直流輸電。

7、海底電網

基于固態變壓器（SST）的無平臺/浮子直流輸電，通過緊湊型重量優化的固態變壓器配置，即可實現更遠距離的海底作業。

8、電轉氣

利用多余風能/太陽能進行電解和氫氣儲存的固態變壓器（SST）配置，適合從大功率交流電到低壓直流電轉換的緊湊型固態變壓器（SST）配置。

9、智能電網和電動汽車充電

直流微電網用固態變壓器（SST）配置，無需低壓直流轉換，因此效率更高且成本更低。基于固態變壓器（SST）用于雙向中壓接口的配置，為高效能源管理、削峰填谷和電網穩定建立能源樞紐。

10、飛機和軍艦電氣化

基于固態變壓器（SST）用于電動飛機推進的超導配電系統，采用緊湊和重量優化的固態變壓器（SST）進行電力傳輸，提供了設計靈活性。基于固態變壓器（SST）的船用直流配電，采用固態變壓器（SST）的直流配電可將能源效率提高20%。

綜上所述，固態變壓器（SST）適用于電力系統、電動汽車充電站、高速列車、新能源發電等領域，具有廣泛的應用前景和市場潛力。

八、固態變壓器（SST）典型拓撲及控制方式

1、高頻耦合的AC/AC電路

上世紀七十年代，美國GE公司的W.McMurray提出一種基于高頻藕合的AC/AC電路結構。

電路工作的基本原理為:采用移相控制的方式，原方開關S1和s2互補導通，

工作在高頻狀態，輸入的低頻交流或直流信號被逆變為高頻信號，經高頻變壓器耦合到副方，副方開關S3和S4通斷與S1和S2同步，觸發相位上相差角度，控制移相角即可控制變換器輸出電壓幅值。當移相角等于0時，變換后的副方電壓波形與原方電壓相同;當移相角不等于0時，輸出電壓波形呈現一定規律的正弦變化，在變壓器副方配置輸出濾波，方可得到正弦波形的電壓。作為現代電力電子變壓器的早期雛形，該設計思想也是后期固態變壓器（SST）發展的基礎。

2、三級結構的固態變壓器（SST）

20世紀末，出現了一種針對電力電子變壓器的三級結構，由Runan和Sudnoff兩人提出，該變壓器由高壓級(輸入級)、隔離級和低壓級(輸出級)構成。這是固態變壓器（SST）領域首次嘗試三級結構拓撲，受制于當時的功率器件耐壓水平，高壓側多采用多個模塊串聯分壓，各級模塊內部相互獨立。輸入級模塊為整流器，可實現單位功率因數，該級將輸入的交流變換為直流;隔離級將直流信號經過直一交一直變換后還原為直流，隔離級的輸出直流并聯后送入輸出級，輸出級將直流逆變為所需工頻交流后輸出。此種結構較好地滿足了降壓變原方高電壓小電流和副方低電壓大電流的要求。但該固態變壓器（SST）的局限性在于其只能實現功率的單向流動，且對無功的調整不夠靈活。

九、固態變壓器（SST）的未來展望

固態變壓器（SST）基本都采用三級型 (直流固態變壓器除外)，都使用了高頻變壓器和DAB結構，主要是因為高頻變壓器的體積小，傳輸效率高，以及DAB能實現能量雙向流動。

雖然固態變壓器（SST）較傳統變壓器有很多優勢，但損耗大、可靠性低、成本高和短路特性等都是固態變壓器（SST）的弱點。但是固態變壓器（SST）由于擁有傳統電力變壓器所不具備的強大功能和諸多優點，隨著電力電子器件技術的發展和電力電子變換技術的進步，固態變壓器（SST）造價會逐漸降低，可靠性會逐步提高，效率會不斷提升，取代傳統變壓器成為可能，而控制靈活、功能強大的特點也使得固態變壓器（SST）具有更廣闊的應用前景。

十、寫在最后面的話

固態變壓器（SST）不是傳統變壓器的簡單升級，它是一種電力電子化的能量路由器。它將傳統的變壓、隔離功能與現代的電能質量控制、功率流管理功能高度集成，以其小型化、高效率、柔性和智能化的特點，成為構建未來能源互聯網和智能電網不可或缺的核心技術。

當前，固態變壓器（SST） 正憑借"98%+ 效率+ 800 V直岀+綠電即插即用"二大賣點，成為 A| 算力Q中心供電架構的“終極形態”。2025 年起，隨著 SiC 模塊成本下降、800V GPU服務器規模出貨，預計數據中心 固態變壓器（SST） 將在 2026-2027 年進入爆發期，并逐步外溢到超充、儲能、微網等場景。

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審核編輯 黃宇