Transformer 已经在电力网络中扮演了超过一个世纪的骨干角色，但如今对可再生能源、电动汽车和更智能电网的需求正在暴露它们的局限性。 固态Transformer（Solid-State Transformer）应运而生——紧凑、高效、智能的电力解决方案，有望彻底改变电力分配和管理的方式。

推动电网现代化的努力正在暴露一个拥有百年历史的“主力军”——Transformer的关键缺陷。源于 Michael Faraday 在 1831 年对电磁感应的开创性发现，大约在 1885 年建造的第一个 Transformer 系统彻底改变了电力传输，本质上是通过提高电压来实现高效的长距离传输，然后降低电压以实现安全的本地使用。在过去的一个世纪里，最具代表性的创新是，包括从单相系统到三相系统的过渡，以提高效率并降低长距离电力传输的成本。 现代发展包括超过 800 kV 的超高压设计，以及用于长距离、低损耗能量传输的高压直流 (DC) 转换器 Transformer 的创新。 如今的 Transformer 正在融合一些先进技术，例如，用于提高效率的宽禁带半导体，用于扩展性的模块化设计，以及像合成酯这种环保型绝缘材料，以解决环境问题。

然而，尽管最近进行了创新，但传统的 Transformer 仍然不太适合满足现代电网的动态需求。 尽管它们的基本设计提供了一种经济高效且可靠的转换电压和绝缘水平的方法，但它们针对具有简单结构的集中式单向电力系统进行了优化。 正如固态 Transformer (SST) 和电力电子技术专家 David Pascualy 向 POWER 解释的那样，它们局限性的核心在于，“普通的标准 Transformer 无法与电网通信”。

他表示，如果没有先进的电力电子设备或传感器，传统的 Transformer 无法主动调节电压、减轻谐波失真或动态响应电网扰动。 此外，它们缺乏与数字控制系统和电网通信协议的集成，这使得它们无法支持智能电网运行，例如无功功率 (VAR) 调节、参与电网需求响应计划、预测性维护或实时优化。

Pascualy 指出，传统的 Transformer 在低频率（50/60 Hz）下运行，需要庞大的铁芯和绕组，这限制了可扩展性、降低了效率，并使它们对于空间受限的应用（例如城市变电站或海上风电平台）来说不切实际。 它们对油基绝缘和冷却的依赖也带来了环境风险，需要大量的维护，并使它们在极端天气条件或波动的负载下容易发生故障。

SST：一种新型 Transformer

为了解决这些限制，自 20 世纪 60 年代以来，人们一直在对固态 Transformer (SST) 进行研究。 通用电气公司的工程师 William McMurray 于 1968 年首次提出了“电子 Transformer”的概念，该设计引入了高频交流-交流 (AC/AC) 转换器。 该设计允许使用电力电子元件进行电压转换，标志着一种背离传统低频 Transformer 的尝试，并展示了高频运行如何实现更紧凑和高效的设计。 该概念后来通过 J. L. Brooks 的 1980 年 SST等贡献进行了改进，电力研究所 (EPRI) 在 1995 年推出了智能通用 Transformer (IUT)。 IUT 整合了诸如双向功率流、电压调节和无缝 AC/DC 转换等功能。

Pascualy 认为，材料和设计的最新进展继续显著提高 SST 的性能和适用性。 当今的宽禁带半导体（例如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)）可实现更高的开关频率、更低的能量损耗和改进的散热管理。 采用先进磁性材料（如铁氧体或非晶合金）构造的高频 Transformer (HFT) 进一步有助于减小尺寸和重量，同时保持高功率密度和最小的能量损失。 此外，诸如多电平转换器和双有源桥等模块化拓扑增强了运行灵活性，使 SST 能够有效地处理不同的电压水平和运行条件。 他说，结合先进的冷却技术和智能控制算法，这些创新使它们成为现代电网应用的强大工具。

什么是固态 Transformer？

与依赖重型铁芯和低频运行的传统 Transformer 不同，固态 Transformer (SST) 使用多级架构和高频 Transformer (HFT) 来显著提高尺寸、效率和功能。 本质上，SST 功能与三个核心阶段相关（图 1）。

  1. 输入级（AC-DC 转换）。 这一级将低频交流电 (AC) 转换为直流电 (DC)，为高效的电源管理奠定了基础。 宽禁带半导体（如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)）是这一过程的核心，可提供更低的开关损耗、更高的热稳定性和以更高频率运行的能力。 这些创新使 SST 能够实现具有增强功率密度的紧凑型设计。 输入级还提供无功功率补偿，这有望与电网无缝集成，并在动态条件下稳定电力传输。
  2. 隔离级（高频 DC-DC 转换）。 在这一级中，HFT 隔离并调整高压侧和低压侧之间的电压水平。 通过利用先进的磁性材料（如铁氧体和非晶合金），HFT 可最大限度地减少铁芯损耗，同时保持较高的热稳定性和功率密度。 HFT 以数万赫兹到数百万赫兹的频率运行，与传统 Transformer 相比，显著减小了尺寸和重量，使其成为城市变电站或海上风电平台等空间受限环境的理想之选。
  3. 输出级（DC-AC 转换）。 这一级根据应用将 DC 重新转换为 AC 或将其保留为 DC。 输出级支持双向功率流，可实现分布式能源 (DER)、储能系统和可再生能源的无缝集成。 这一级中的精确电压和电流调节可提高电网的稳定性和效率，从而将 SST 定位为现代电网中的智能节点。

1. 固态 Transformer (SST) 基础设施的概述，展示了模块化设计、高频 Transformer 和先进的电力电子设备，以实现紧凑、高效和双向的功率流。 注：AC = 交流电；DC = 直流电；HV = 高压；LV = 低压。 来源：Agarwala 等人，2024 年。 与传统 Transformer 相比，SST 设计显著包含一些高级功能，包括模块化配置（如多电平转换器和双有源桥），从而增强了可扩展性和运行灵活性。 同时，集成的传感器和智能控制算法可以实现实时监控、电压调节、谐波滤波和故障隔离。 SST 还支持电网通信协议，从而确保与可再生能源系统和 DER 的无缝集成。 然而，值得注意的是，SST 的功能和适用性在很大程度上取决于其配置，而这决定了其在各种情况下的性能。 单级配置。 该设计涉及直接 AC-AC 转换，而没有 DC 链路。 虽然经济高效、重量轻且适合基本的电压转换，但它缺乏无功功率补偿和可再生能源集成所需的高级功能。 此配置可能非常适合需要简单降压电压转换的农村和工业环境中的应用。 两级配置。 在 Transformer 的高压（初级）侧或低压（次级）侧上都包含 DC 链路，从而实现更高级的功能。 例如，这些功能包括无功功率补偿、改进的电压调节以及与 DER 和储能的集成。 此配置更适合电动汽车 (EV) 快速充电站，在这些充电站中，DC 转换至关重要，并且适合需要可靠的电压调节和储能集成的可再生能源微电网。 三级配置。 在高压侧和低压侧上都具有双 DC 链路。 虽然复杂且成本高昂，但此配置可提供最高级别的运行灵活性、双向功率流、强大的无功功率管理以及无缝 DER 连接。 通常设想的应用包括城市变电站、海上风电平台和数据中心，这些数据中心通常需要紧凑、高效且高度可控的电源管理。

试点项目和有前景的应用

正如 Pascualy 所指出的，随着为电网配备更强大、更智能和更动态的解决方案的紧迫性日益增加，人们对 SST 的兴趣也越来越浓厚。 但虽然 SST 很有前景，但它们在很大程度上仍处于研发阶段。 他指出，SST 的“试点项目和商业化前研究才刚刚出现”。 “一些大型电力公司正在为其设计的某些方面开发 SST。”

到目前为止，正在进行一些试点项目和商业产品，这些项目和产品证明了它们的潜力，主要侧重于电动汽车 (EV) 充电以及太阳能和风能的集成。 总部位于新加坡的初创公司 Amperesand 由来自 ABB、通用电气、西门子和维斯塔斯的行业资深人士创立，该公司已准备好在 2025 年年中开始为期一年的价值验证试验，以展示其 SST 技术在新加坡港口的能力。 这项试验与风险投资公司 PSA unboXed 合作进行，将评估 Amperesand 的模块化、基于 SiC 的 SST 系统，这些系统为 PSA 的电动底盘车队提供高效、紧凑和双向的充电解决方案。 该公司在 10 月份表示：“模块化和可扩展的设计使 PSA 能够更灵活地管理其电动汽车充电设施，从而经济地在设施的高容量充电器之间分配电力。”

与此同时，台湾电力电子制造商台达电子于 2022 年 10 月展示了一种 400 千瓦的超快速 EV 充电器，该充电器利用 SiC MOSFET 技术的 SST 技术，直接从 13.8 kVA 的中压输入运行。 在美国能源部资助的支持下，这项创新是与通用汽车和弗吉尼亚理工大学等合作伙伴共同开发的。 台达电子表示，它消除了传统的 Transformer，将效率提高到 96.5%，并与可再生能源和储能系统无缝集成。 Pascualy 是先进电力电子公司 Alderbuck Energy Inc. 的首席商务官 CCO，该公司正在与行业合作伙伴开发多级 SST 技术原型。 EPRI 在 2023 年评估了一种新型 SST 设计，该设计可以取代现有的 25 kVA 配电 Transformer，同时还具有电压调节功能。

Pascualy 指出，SST 的大多数研发似乎主要集中在中压到低压转换，通常是从 13.2 kV 到 15 kV 范围内降至较低电压，以用于各种终端用途应用（图 2）。 他表示，近期重点将“真正放在配电级别”，即使 SST 具有扩展到更高电压传输的潜力。 他说，鉴于 SST 能够充当 AC 电网和 DC 供电的数据中心之间更高效和更集成的接口，因此数据中心代表了另一个密切关注 SST 的关键行业。

2. 固态 Transformer (SST) 可以在现代配电网络中实现高效的双向功率流、可再生能源集成和增强的电压调节。 注：MV = 中压。 来源：Shadfar 等人，2021 年，《国际电气能源系统交易》

几个需要克服的障碍

Pascualy 说，虽然进展令人鼓舞，但在该技术能够在电力行业实现主流采用之前，必须克服几个障碍。 一个关键的挑战是成本。 由于其先进的材料、复杂的设计以及对基于半导体的电力电子设备的依赖，SST 比传统的 Transformer 更昂贵，但是由于它们提供的附加功能（在标准 Transformer 中是不可能实现的），它们带来了很高的价值。

与所有新型电力技术一样，实现规模经济并降低制造成本对于使 SST 成为公用事业公司和电网运营商的可行选择至关重要。 可靠性和现场性能也是关键因素，SST 及其多级设计和先进的控制功能将需要经过广泛的测试和验证，以确保它们能够承受实际电网运行的严酷考验。 “你不可能弄清楚现场会发生的一切。 而且你有不同的用例，这些用例会产生不同类型的结果，”Pascualy 说。 “所以，我认为这只是一个成熟的问题。”

第一个关键步骤可能会随着混合 SST 的更广泛部署而到来，混合 SST 集成了传统 Transformer 和高级 SST 的功能，以实现模块化和高效的设计。 混合 SST 预计具有多个电压转换级，例如 AC-DC 和 DC-AC，并且可以包括高压和低压 DC 链路，但目前在很大程度上无法通过商业途径获得。 在 Transformer 弹性与先进组件 (TRAC) 计划下，在 DOE 拨款的支持下，德克萨斯大学奥斯汀分校到目前为止已经开发并展示了一种 500 kVA 的混合固态 Transformer (HSST)，该 Transformer 将基于双有源桥的 SST 技术与传统的干式 Transformer 相结合。 该项目探索了现代电网应用的高级功能，如电压调节、故障检测和动态状态估计。 北卡罗来纳州立大学的 FREEDM 系统中心正在进行更多研究，重点是 SST 等创新，以增强可再生能源的集成和电网效率。

虽然 SST 技术全面商业化仍然面临挑战，但 Pascualy 对其彻底改变电网现代化的潜力持乐观态度。 “电网现在受到了很多关注，但我们正在向其中添加更多内容，”他说。 他预测，技术公司、公用事业公司和研究机构之间的合作对于推动 SST 的广泛采用至关重要。

—** Sonal Patel** 是 POWER 的高级编辑 (@sonalcpatel ,@POWERmagazine ).