28、固态变压器：拓扑结构、设计及其在智能电网中的应用

固态变压器：拓扑结构、设计及其在智能电网中的应用

1. 引言

变压器主要用于电压匹配和/或提供负载与电源之间的隔离，在输配电系统中已使用了140多年。尽管变压器的主要组件（铁芯、绕组和绝缘材料）在性能上有了一些改进，但自1886年基于斯坦利专利的第一台商用变压器问世以来，其工作原理的理念并未改变。

随着电力电子技术的发展，中频（MF）电力变压器作为工频变压器（LFT）的替代品变得颇具吸引力。MF变压器最重要的优点是尺寸和重量的减小，它可用于电压匹配、提供双向功率流和隔离等不同目的。因此，尺寸和体积减小的新型电力系统设计可应用于车辆、船舶和飞机等，且不影响高效、安全运行等重要指标。

MF变压器在可再生能源资源的电网接口、储能和牵引系统等常见电力电子应用中的使用，使其更为普遍，并带来了新的设计规格和要求。由于这些MF变压器与合适的功率转换器一起使用，它们被称为固态变压器（SST）。这些功率转换器为SST带来了额外且重要的优势，如先进的监测和控制功能、有功/无功功率支持能力、电压调节等。因此，SST被认为是未来智能电网的重要组成部分。

SST的设计过程可分为两部分：电力电子转换器和控制设计，以及中高频变压器设计。不同的功率转换器拓扑，包括谐振转换器、移相全桥（PSFB）转换器和双有源桥（DAB）转换器，可用于SST的功率转换阶段，以通过其软开关能力实现高功率密度和效率。为了获得高稳态和瞬态性能，人们提出了各种控制和调制策略。

变压器是SST应用的关键组件。工作频率的提高可显著改善变压器的尺寸、重量和功率密度，但也可能增加铁芯和铜（绕组）损耗。因此，铁芯材料、绕组选项、导体结构和绝缘材料非常重要。应根据所需的功率水平和密度选择铁芯材料和类型。变压器