固態(tài)變壓器設(shè)計(jì)解鎖更快的電動(dòng)汽車充電速度
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電動(dòng)汽車快速充電站的快速建設(shè) 正在考驗(yàn)當(dāng)今電網(wǎng)的極限。由于單個(gè)充電器的電量為 350 至 500 千瓦（或更多），這使得電動(dòng)汽車的充電時(shí)間現(xiàn)在在功能上相當(dāng)于汽油或柴油汽車的加滿時(shí)間，滿充電站可以達(dá)到兆瓦級(jí)的需求。這足以給中壓配電網(wǎng)帶來壓力，中壓配電網(wǎng)是連接高壓輸電線路和為家庭和企業(yè)最終用戶提供服務(wù)的低壓線路的電網(wǎng)部分。
直流快速充電站往往集中在城市中心、高速公路沿線和車隊(duì)倉庫中。由于負(fù)載在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中分布不均勻，因此特定的變電站會(huì)過度工作，即使總電網(wǎng)容量額定可以容納負(fù)載。 隨著越來越多的充電站、電力需求更大的上線，克服這個(gè)問題需要電力電子設(shè)備不僅緊湊高效，而且能夠管理本地存儲(chǔ)和可再生能源輸入。
電動(dòng)汽車充電中的固態(tài)變壓器
固態(tài)變壓器 （SST） 是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)現(xiàn)代化以滿足汽車電氣化和可再生能源發(fā)電需求的最有前途的技術(shù)之一。SST 執(zhí)行與傳統(tǒng)變壓器相同的基本功能——升壓或降壓。但它使用半導(dǎo)體、碳化硅或氮化鎵開關(guān)的高頻轉(zhuǎn)換以及數(shù)字控制來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，而不是單獨(dú)使用無源磁耦合。SST 的設(shè)置使其能夠動(dòng)態(tài)控制潮流。
幾十年來，充電基礎(chǔ)設(shè)施一直依賴線頻變壓器 （LFT），即電動(dòng)汽車電池所需的交流電到直流電的外部轉(zhuǎn)換之前或之后，將中壓交流電降壓到低壓交流電的大型鐵和銅組件。一個(gè)典型的 LFT 可以包含多達(dá)幾百公斤的銅繞組和幾噸鐵。所有這些金屬都成本高昂，而且越來越難以采購(gòu)。這些系統(tǒng)可靠，但體積龐大且效率低下，尤其是當(dāng)能量在本地存儲(chǔ)和車輛之間流動(dòng)時(shí)。SST 比它們?cè)O(shè)計(jì)要取代的 LFT 更小、更輕。
“我們的解決方案實(shí)現(xiàn)了與單端口轉(zhuǎn)換器相同的半導(dǎo)體器件數(shù)量，同時(shí)提供多個(gè)獨(dú)立控制的直流輸出。”–Shashidhar Mathapati，臺(tái)達(dá)電子
但迄今為止開發(fā)的大多數(shù)多端口 SST 都過于復(fù)雜或成本高昂（是 LFT 前期成本的 5 到 10 倍）。這種差異，加上 SST 對(duì)輔助電池組的依賴，這增加了更多費(fèi)用并降低了可靠性，解釋了為什么固態(tài)的明顯優(yōu)勢(shì)尚未激勵(lì)人們從 LFT 轉(zhuǎn)向該技術(shù)。
如何提高固態(tài)變壓器的效率
在 8 月 20 日發(fā)表在 IEEE Transactions on Power Electronics 上的一項(xiàng)研究中，位于班加羅爾的印度科學(xué)研究所和臺(tái)達(dá)電子印度公司的研究人員提出了一種基于級(jí)聯(lián) H 橋 （CHB） 的多端口 SST，以消除這些妥協(xié)?！拔覀兊慕鉀Q方案實(shí)現(xiàn)了與單端口轉(zhuǎn)換器相同的半導(dǎo)體器件數(shù)量，同時(shí)提供多個(gè)獨(dú)立控制的直流輸出，”臺(tái)達(dá)電子首席技術(shù)官 Shashidhar Matapati 說?！斑@意味著沒有額外的電池存儲(chǔ)，沒有額外的半導(dǎo)體器件，也沒有額外的中壓絕緣?！?/p>
該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè) 1.2 千瓦的實(shí)驗(yàn)室原型來驗(yàn)證設(shè)計(jì)，在額定負(fù)載下實(shí)現(xiàn)了 95.3% 的效率。他們還模擬了一個(gè)全尺寸 11 千伏、400 千瓦的系統(tǒng)，分為兩個(gè) 200 千瓦的端口。
該系統(tǒng)的核心是位于轉(zhuǎn)換器低壓側(cè)的多繞組變壓器。這種配置避免了對(duì)昂貴、笨重的中壓絕緣的需求，并允許在沒有輔助電池的情況下在端口之間進(jìn)行功率平衡。作者在論文中寫道：“以前基于 CHB 的多端口設(shè)計(jì)需要多個(gè)電池組或電容器網(wǎng)絡(luò)來平衡負(fù)載?！蔽覀円呀?jīng)證明，您可以通過更簡(jiǎn)單、更輕、更可靠的變壓器布置來實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果?！?/p>
一種新的調(diào)制和控制策略在電網(wǎng)接口處保持單位功率因數(shù)，這意味著來自電網(wǎng)的電流不會(huì)因在源極和負(fù)載之間來回振蕩而浪費(fèi)，而無需做任何功。作者描述的SST還允許每個(gè)直流端口獨(dú)立運(yùn)行。實(shí)際上，連接到充電器的每輛車都能夠接收適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏?，而不?huì)影響相鄰端口或干擾電網(wǎng)連接。
使用串聯(lián)的碳化硅開關(guān)，該系統(tǒng)可以在保持高效率的同時(shí)處理中壓輸入。11 kV 電網(wǎng)連接每相只需要 12 個(gè)級(jí)聯(lián)模塊，大約是一些模塊化多電平轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的一半。更少的模塊最終意味著更低的成本、更簡(jiǎn)單的控制和更高的可靠性。
盡管仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，但該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)新一代緊湊、經(jīng)濟(jì)高效的快速充電集線器。通過消除對(duì)中間電池存儲(chǔ)的需求（這增加了成本、復(fù)雜性和維護(hù)），所提出的拓?fù)淇梢匝娱L(zhǎng)電動(dòng)汽車充電站的運(yùn)行壽命。
據(jù)研究人員稱，該轉(zhuǎn)換器不僅僅用于電動(dòng)汽車充電。任何需要中壓到多端口低壓轉(zhuǎn)換的應(yīng)用（例如數(shù)據(jù)中心、可再生能源集成或工業(yè)直流電網(wǎng)）都可以受益。
對(duì)于面臨兆瓦級(jí)需求的公用事業(yè)和充電提供商來說，這種簡(jiǎn)化的固態(tài)變壓器可以幫助使電動(dòng)汽車革命更加友好，并為等待充電的司機(jī)提供更快的速度。
研究人員開發(fā)了一種更便宜、更小的固態(tài)變壓器的原型，可以有利于電動(dòng)汽車充電。Harisyam PV、Saichand Kasicheyanula 等人。
評(píng)論