固態(tài)變壓器設(shè)計為電動汽車快充解鎖新可能

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電動汽車快充站的快速建設(shè)正不斷考驗當(dāng)今電網(wǎng)的承載極限。單個充電樁的功率可達350至500千瓦（甚至更高），這使得電動汽車的充電時長在實際使用中已能與汽油車或柴油車的加油時長相當(dāng)；而整個充電站的用電需求更是能達到兆瓦級。這樣的負荷足以給中壓配電網(wǎng)帶來壓力 —— 中壓配電網(wǎng)是電網(wǎng)中連接高壓輸電線路與低壓線路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而低壓線路主要為家庭和企業(yè)等終端用戶供電。

直流快充站往往集中分布在城市中心、高速公路沿線以及車隊停車場。由于這些負荷在電網(wǎng)中分布不均，即便電網(wǎng)的整體容量理論上足以承載這些負荷，部分變電站仍會處于超負荷運行狀態(tài)。隨著更多高功率需求的充電站投入使用，要解決這一問題，就需要依靠具備特定性能的電力電子設(shè)備：它們不僅要體積小巧、能效出眾，還需能夠管理本地儲能設(shè)備與可再生能源輸入。

要實現(xiàn)電網(wǎng)現(xiàn)代化，以滿足車輛電動化與可再生能源發(fā)電的需求，固態(tài)變壓器（SST）是最具前景的技術(shù)之一。固態(tài)變壓器與傳統(tǒng)變壓器的基本功能相同，均用于升高或降低電壓；但它并非僅依靠無源磁耦合實現(xiàn)這一功能，而是通過半導(dǎo)體、搭配碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）開關(guān)的高頻轉(zhuǎn)換技術(shù)，以及數(shù)字控制來完成。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得固態(tài)變壓器能夠動態(tài)控制電力流向。

數(shù)十年來，充電基礎(chǔ)設(shè)施一直依賴工頻變壓器（LFT）—— 這種由鐵和銅構(gòu)成的大型設(shè)備，會先將中壓交流電降壓為低壓交流電（降壓過程可在交流電轉(zhuǎn)換為電動汽車電池所需的直流電之前或之后進行）。一臺典型的工頻變壓器可能包含數(shù)百公斤的銅繞組和數(shù)噸重的鐵芯。這些金屬不僅成本高昂，其原材料獲取難度也在不斷加大。這類工頻變壓器系統(tǒng)雖可靠性較強，但體積龐大且能效偏低，尤其當(dāng)能量在本地儲能設(shè)備與車輛之間傳輸時，這一問題更為明顯。而作為工頻變壓器的替代方案，固態(tài)變壓器（SST）的體積和重量都要小得多、輕得多。

但迄今為止，已研發(fā)的多數(shù)多端口固態(tài)變壓器（SST）要么結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，要么成本過高 —— 其初始成本是工頻變壓器（LFT）的5至10倍。這種成本差距，再加上固態(tài)變壓器還需依賴輔助電池組（這既會增加額外開支，又會降低系統(tǒng)可靠性），正是為何固態(tài)變壓器雖具備顯著優(yōu)勢，卻仍未推動行業(yè)從工頻變壓器轉(zhuǎn)向該技術(shù)的原因。

8月20日發(fā)表于《IEEE電力電子會刊》（IEEE Transactions on Power Electronics）的一項研究中（https://ieeexplore.ieee.org/document/11131460），位于班加羅爾的印度科學(xué)研究所與Delta Electronics India的研究人員，提出了一種基于級聯(lián)H橋（CHB）的多端口固態(tài)變壓器（SST）設(shè)計，可規(guī)避上述缺陷。Delta Electronics India首席技術(shù)官Shashidhar Mathapati表示：“我們的解決方案所用的半導(dǎo)體器件數(shù)量，與單端口變流器相同，但能提供多個可獨立控制的直流輸出端口。這意味著無需額外的儲能電池、無需增加半導(dǎo)體器件，也無需額外的中壓絕緣設(shè)計。”

該團隊搭建了一個1.2千瓦的實驗室原型機以驗證此設(shè)計，在額定負載下實現(xiàn)了95.3%的能效。他們還對一套全尺寸系統(tǒng)進行了建模 —— 該系統(tǒng)電壓為11千伏、功率為400千瓦，分為兩個200千瓦的端口。

該系統(tǒng)的核心是一臺位于變流器低壓側(cè)的多繞組變壓器。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計無需使用成本高昂、體積龐大的中壓絕緣部件，且無需輔助電池即可實現(xiàn)端口間的功率平衡。研究人員在論文中寫道：“以往基于級聯(lián)H橋（CHB）的多端口設(shè)計，需要借助多個電池組或電容網(wǎng)絡(luò)來平衡負載；而我們的方案證明，通過更簡潔、更輕便且可靠性更高的變壓器結(jié)構(gòu)，就能達到相同的負載平衡效果。”

研究團隊還提出了一種新的調(diào)制與控制策略，可使電網(wǎng)接口處的功率因數(shù)維持在1（即單位功率因數(shù)） —— 這意味著電網(wǎng)輸出的電流不會在電源與負載之間無功往返振蕩，從而避免了電能浪費。此外，該研究所述的固態(tài)變壓器（SST）還支持每個直流端口獨立運行。從實際應(yīng)用來看，這意味著接入充電樁的每輛汽車都能獲得適配的電壓與電流，既不會影響相鄰端口的運行，也不會對電網(wǎng)連接造成干擾。

通過采用串聯(lián)的碳化硅（SiC）開關(guān)，該系統(tǒng)既能處理中壓輸入，又能保持較高能效。若接入11千伏電網(wǎng)，每相僅需12個級聯(lián)模塊 —— 這一數(shù)量約為部分模塊化多電平變流器（MMC）設(shè)計的一半。模塊數(shù)量減少，最終會帶來三大優(yōu)勢：成本更低、控制更簡單、可靠性更高。

盡管該設(shè)計目前仍處于實驗室階段，但它有望催生出新一代體積小巧、性價比高的快充樞紐。由于無需配置中間儲能電池（這類電池會增加成本、提升系統(tǒng)復(fù)雜度并產(chǎn)生維護需求），這種創(chuàng)新拓撲結(jié)構(gòu)或能延長電動汽車充電站的運行壽命。

研究人員表示，這款變流器的應(yīng)用場景并非僅限于電動汽車充電。任何需要將中壓轉(zhuǎn)換為多端口低壓的場景 —— 例如數(shù)據(jù)中心、可再生能源并網(wǎng)、工業(yè)直流電網(wǎng)等 —— 都能從中受益。

對于面臨兆瓦級用電需求的公用事業(yè)公司與充電運營商而言，這種精簡型固態(tài)變壓器不僅能讓電動汽車革命對電網(wǎng)更友好，還能縮短等待充電的司機的耗時。