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海上風(fēng)電直流收集系統(tǒng):基于級(jí)聯(lián)多電平固態(tài)變壓器的 35kV 至 100kV 電壓跳躍與高頻隔離技術(shù)

楊茜 ? 來(lái)源:jf_33411244 ? 作者:jf_33411244 ? 2026-03-20 08:10 ? 次閱讀
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傾佳楊茜-死磕固變-海上風(fēng)電直流收集系統(tǒng):基于級(jí)聯(lián)多電平固態(tài)變壓器的 35kV 至 100kV 電壓跳躍與高頻隔離技術(shù)

1. 現(xiàn)代海上風(fēng)電組網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)與挑戰(zhàn)

隨著全球向凈零排放目標(biāo)的加速邁進(jìn),海上風(fēng)電(Offshore Wind Power)已成為未來(lái)可持續(xù)電力供應(yīng)的核心支柱。與陸上風(fēng)電相比,海上環(huán)境具有風(fēng)速更高、風(fēng)況更穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì),全球可開(kāi)發(fā)的浮動(dòng)式和固定式海上風(fēng)電資源預(yù)估超過(guò) 4 TW 。然而,隨著海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模向吉瓦(GW)級(jí)邁進(jìn),且選址逐漸向深遠(yuǎn)海(距離海岸 50 公里至 100 公里以上)轉(zhuǎn)移,傳統(tǒng)的工頻交流(HVAC)收集與傳輸系統(tǒng)正面臨著難以逾越的物理與經(jīng)濟(jì)瓶頸。

目前,絕大多數(shù)海上風(fēng)電場(chǎng)在場(chǎng)內(nèi)收集網(wǎng)絡(luò)(Collection Grid)層面采用的是 33kV 或 66kV 的中壓交流(MVAC)技術(shù) 。風(fēng)電機(jī)組輸出的電能通過(guò)海底交流電纜匯集至海上升壓站(Offshore Substation),在升壓站內(nèi)通過(guò)龐大、沉重的工頻變壓器(Line-Frequency Transformer, LFT)升壓至 220kV 或更高電壓后,再通過(guò)高壓交流(HVAC)或高壓直流(HVDC)電纜輸送至陸上電網(wǎng) 。

這一傳統(tǒng)架構(gòu)存在三個(gè)核心痛點(diǎn): 首先,交流海底電纜存在嚴(yán)重的電容效應(yīng)。隨著輸電距離的增加,電纜自身的充電電流會(huì)占據(jù)大量的載流量,導(dǎo)致線路的有效有功功率傳輸能力急劇下降。為了補(bǔ)償這種無(wú)功功率,必須在海上升壓站和陸上接收站安裝龐大的無(wú)功補(bǔ)償裝置(如靜止同步補(bǔ)償器 STATCOM 或并聯(lián)電抗器)。在一項(xiàng)針對(duì) 1.2 GW 海上風(fēng)電場(chǎng)的系統(tǒng)級(jí)研究中,交流電纜產(chǎn)生的無(wú)功功率高達(dá) 1074 MVAR,需要配備多臺(tái) 100 MVAR 和 160 MVAR 的電抗器以及 375 MVAR 的 STATCOM 。 其次,由于集電電壓僅為 33kV 或 66kV,在 10 MW 至 15 MW 大容量風(fēng)電機(jī)組普及的背景下,匯集電流極大,導(dǎo)致集電電纜的 I2R 熱損耗顯著增加,必須使用極大截面積的銅芯電纜,推高了系統(tǒng)成本 。 最后,最為致命的是海上升壓站的重量與體積。包含工頻變壓器、交流開(kāi)關(guān)柜(GIS)和無(wú)功補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)海上升壓站,其重量通常高達(dá) 3000 至 5000 噸,必須依賴極其昂貴且稀缺的重型起重船(Heavy-Lift Vessels, HLV)進(jìn)行吊裝 。傾佳電子力推BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET單管,SiC碳化硅MOSFET功率模塊,SiC模塊驅(qū)動(dòng)板,PEBB電力電子積木,Power Stack功率套件等全棧電力電子解決方案。?

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基本半導(dǎo)體代理商傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊,助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)!

為了徹底突破這些瓶頸,學(xué)術(shù)界與工業(yè)界提出了“中壓直流(MVDC)收集系統(tǒng)”的革命性概念,其核心在于將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的電壓等級(jí)直接從機(jī)端跳躍至 100kV 直流(或 ±50kV 雙極直流),從而完全消除場(chǎng)內(nèi)的無(wú)功環(huán)流、趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng) 。實(shí)現(xiàn)這一 35kV 至 100kV 直流電壓跳躍的關(guān)鍵,是采用基于碳化硅(SiC)高頻隔離技術(shù)的級(jí)聯(lián)多電平固態(tài)變壓器(Solid-State Transformer, SST),以此替代笨重的海上工頻升壓站,顯著減輕平臺(tái)重量并提升系統(tǒng)的耐腐蝕性與可靠性 。

2. 35kV 至 100kV 直流收集系統(tǒng)的架構(gòu)與拓?fù)湓O(shè)計(jì)

將海上風(fēng)電收集網(wǎng)絡(luò)的電壓提升至 100kV 直流,不僅能夠使集電電纜的傳輸容量成倍增加,還能與遠(yuǎn)距離高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。直流組網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮拓?fù)潇`活性、絕緣應(yīng)力、系統(tǒng)可用性(Availability)以及經(jīng)濟(jì)成本 。

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2.1 直流收集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比

在海上風(fēng)電直流收集中,存在三種主要的基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即徑向(Radial)、串聯(lián)(Series)和串并聯(lián)(Series-Parallel / Matrix)拓?fù)洹?/p>

徑向并行拓?fù)洌≧adial Topology): 這是目前在理論研究和初步工程設(shè)計(jì)中最受青睞的拓?fù)?。在徑向拓?fù)渲?,每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組通過(guò)其內(nèi)置或塔基處的獨(dú)立 DC/DC 固態(tài)變壓器,將發(fā)電機(jī)整流后的低壓直流(通常為 1.5kV 至 3kV)直接升壓至 100kV DC,并聯(lián)匯入 100kV 的集電母線 。所有陣列最終匯集至一個(gè)中央 DC/DC 轉(zhuǎn)換器,將其進(jìn)一步升壓至 ±320kV 或更高的 HVDC 輸電電壓 。該拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于各風(fēng)機(jī)之間的解耦,單一風(fēng)機(jī)的故障不會(huì)影響整個(gè)陣列的運(yùn)行。

純串聯(lián)拓?fù)洌⊿eries Topology): 在該拓?fù)渲?,風(fēng)電機(jī)組的輸出端依次串聯(lián),通過(guò)電壓累加來(lái)達(dá)到 HVDC 輸電電壓(例如,通過(guò)串聯(lián)多臺(tái)輸出 35kV 的機(jī)組,最終在末端達(dá)到數(shù)百千伏)。這種設(shè)計(jì)在理論上可以完全取消中央海上升壓站 。然而,它面臨著極其嚴(yán)苛的絕緣挑戰(zhàn):處于串聯(lián)鏈路末端的風(fēng)電機(jī)組對(duì)地絕緣必須能夠承受全額的 HVDC 傳輸電壓 。這對(duì)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部的變流器和發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)提出了目前技術(shù)難以滿足的要求。此外,一旦鏈路中某一臺(tái)風(fēng)機(jī)停機(jī),為保證電流連續(xù),必須投入復(fù)雜的旁路開(kāi)關(guān),這會(huì)引起全線電壓的劇烈波動(dòng) 。

串并聯(lián)/矩陣拓?fù)洌⊿eries-Parallel Topology): 該拓?fù)浣Y(jié)合了上述兩者的特點(diǎn)。若干臺(tái)風(fēng)機(jī)串聯(lián)形成一個(gè)子陣列,電壓累加至 100kV,隨后各個(gè)子陣列并聯(lián)匯集 。由于子陣列的最高對(duì)地電壓被限制在 100kV,風(fēng)機(jī)級(jí)的絕緣設(shè)計(jì)變得可行。同時(shí),它減少了所需的電纜總長(zhǎng)度。然而,控制多臺(tái)串聯(lián)機(jī)組之間的功率平衡極具挑戰(zhàn)性。

基于可靠性(如預(yù)期缺供電量 EENS 和發(fā)電利用率 GRA)與生命周期成本的綜合評(píng)估,大量研究表明,基于單平臺(tái) DC/DC 變流器的徑向拓?fù)湓?100kV 電壓等級(jí)下具有最佳的經(jīng)濟(jì)性與可靠性表現(xiàn) 。

2.2 100kV 電壓等級(jí)的物理優(yōu)勢(shì)

將集電電壓從傳統(tǒng)的 35kV/66kV 提升至 100kV 直流,能夠帶來(lái)多維度的物理性能躍升。在傳輸容量公式 P=V?I 中,當(dāng)電壓 V 提升至 100kV 時(shí),在輸送相同功率的情況下,線路電流 I 將大幅下降。這不僅使電纜的熱損耗(Ploss?=I2R)呈平方級(jí)下降,還允許減小海底電纜的銅/鋁芯截面積,進(jìn)而降低了電纜敷設(shè)的機(jī)械難度和材料成本 。

系統(tǒng)參數(shù) 傳統(tǒng) 33kV/66kV HVAC 100kV MVDC 收集系統(tǒng) 對(duì)比優(yōu)勢(shì)
無(wú)功功率補(bǔ)償 極高(需大型 STATCOM/電抗器) 消除無(wú)功環(huán)流,提高有功傳輸極限
電纜芯數(shù) 3芯 (三相) 2芯 (正負(fù)極或雙極) 降低電纜材料與敷設(shè)成本
系統(tǒng)損耗 包含集膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗 僅純直流電阻損耗 整體收集網(wǎng)絡(luò)效率提升至 94.9% 以上
電網(wǎng)同步需求 必須嚴(yán)格同步 無(wú)相位與頻率同步要求 發(fā)電機(jī)可運(yùn)行于最佳轉(zhuǎn)速 (MPPT)

這種從交流到直流的系統(tǒng)級(jí)跨越,其先決條件是必須存在一種能夠高效、緊湊地實(shí)現(xiàn) 35kV 至 100kV 升壓與電氣隔離的裝置。這正是固態(tài)變壓器(SST)大顯身手的領(lǐng)域。

3. 固態(tài)變壓器(SST)的級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)解析

固態(tài)變壓器(SST)又稱電力電子變壓器(PET),是一種集成了電力電子變換器和高頻變壓器(HFT/MFT)的智能電能轉(zhuǎn)換設(shè)備。與依賴電磁感應(yīng)的龐大工頻變壓器不同,SST 通過(guò)將電能轉(zhuǎn)換為高頻(數(shù)十千赫茲)進(jìn)行隔離傳輸,從而大幅縮小了變壓器磁芯的體積 。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,變壓器磁芯的截面積 Ac? 與繞組窗口面積 Aw? 的乘積(即面積乘積,Area Product)滿足以下關(guān)系:

Ac?Aw?=Ku?Jrms?Bmax?fP?

其中,P 為額定功率,Ku? 為窗口利用率,Jrms? 為電流密度,Bmax? 為最大磁通密度,f 為工作頻率 。顯然,變壓器的體積和重量與工作頻率 f 成反比。當(dāng)工作頻率從工頻 50Hz 提升至 10kHz 或 20kHz 時(shí),理論上磁性元件的體積可縮減 90% 以上 。

3.1 應(yīng)對(duì) 100kV 高壓的級(jí)聯(lián)架構(gòu)

由于目前單管寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體器件(如 SiC MOSFET)的阻斷電壓主要集中在 1200V 至 3300V 之間,甚至實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的高壓器件也僅在 10kV 至 15kV 范圍內(nèi),單個(gè)開(kāi)關(guān)管根本無(wú)法承受 100kV 的直流母線電壓 。因此,為了在海上風(fēng)電的 DC/DC 升壓環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)從機(jī)端數(shù)千伏到 100kV 的跳躍,必須采用級(jí)聯(lián)多電平(Cascaded Multilevel)結(jié)構(gòu) 。

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在眾多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)(Input-Series Output-Series, ISOS)和輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)(Input-Parallel Output-Series, IPOS)是實(shí)現(xiàn)高壓大功率變換的核心選項(xiàng) 。

雙有源橋(DAB)與串聯(lián)諧振變換器(SRC)模塊:

級(jí)聯(lián)多電平 SST 通常由數(shù)十個(gè)完全相同的子模塊(Sub-module, SM)構(gòu)成。每個(gè)子模塊內(nèi)部包含一個(gè)原邊全橋、一個(gè)中頻隔離變壓器(MFT)和一個(gè)副邊全橋。

DAB 拓?fù)洌?/strong> 通過(guò)移相控制(Phase-shift control)調(diào)節(jié)原邊和副邊橋的相位差,實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)和精確的電壓調(diào)節(jié)。DAB 模塊能夠在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)(ZVS/ZCS),但存在一定的環(huán)流損耗 。

SRC 拓?fù)洌?/strong> 特別是半周期斷續(xù)導(dǎo)通模式串聯(lián)諧振變換器(HC-DCM-SRC),在固定變比的直流集電網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出極高的效率。由于海上風(fēng)電主要為單向功率流動(dòng),SRC 拓?fù)淇梢岳闷渲C振特性實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的零電流開(kāi)關(guān)(ZCS),從而將開(kāi)關(guān)損耗降至最低 。

模塊數(shù)量的計(jì)算與冗余設(shè)計(jì): 若采用目前工業(yè)界廣泛量產(chǎn)的 1200V 碳化硅(SiC)MOSFET,為了保障器件的安全裕度與抵御宇宙射線引起的單粒子失效(Cosmic ray failure),單個(gè)子模塊的直流母線電壓通常被限制在 800V 左右 。 要在集電網(wǎng)絡(luò)側(cè)構(gòu)建 100kV 的極對(duì)地電壓,理論上需要串聯(lián)的子模塊數(shù)量 N 為:

N=800V/模塊100,000V?=125個(gè)模塊

若考慮到實(shí)際工程中的系統(tǒng)可靠性,通常會(huì)引入冗余模塊(N+k 設(shè)計(jì))。當(dāng)某個(gè)子模塊發(fā)生故障時(shí),通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)(Bypass switch)將其切除,其余健康的模塊能夠無(wú)縫接管由于該模塊切除而增加的電壓應(yīng)力,確保 100kV SST 不停機(jī)繼續(xù)運(yùn)行 。這種模塊化多電平架構(gòu)不僅解決了耐壓?jiǎn)栴},還賦予了系統(tǒng)極高的容錯(cuò)能力(Fault-tolerant capability)。

3.2 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的均壓與功率平衡控制

在 100kV 的 ISOS 級(jí)聯(lián) SST 中,確保這 100 多個(gè)子模塊之間均分電壓和功率是控制系統(tǒng)的核心挑戰(zhàn)。由于各模塊內(nèi)部元器件(如 SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻、變壓器的漏感和激磁電感、電容的容值)不可避免地存在物理容差,如果缺乏主動(dòng)控制,某些模塊的電容電壓可能會(huì)迅速飆升直至擊穿器件 。

為此,學(xué)術(shù)界開(kāi)發(fā)了復(fù)雜的層級(jí)控制策略。通常采用雙環(huán)獨(dú)立電壓平衡控制器(Dual-loop Individual Voltage Balance Controller, DIVBC)。外環(huán)控制器監(jiān)測(cè) 100kV 的總直流母線電壓,并生成總的有功功率指令;內(nèi)環(huán)控制器則監(jiān)測(cè)每個(gè)子模塊的局部電容電壓,通過(guò)引入解耦項(xiàng)微調(diào)各模塊內(nèi) DAB 的移相角 。當(dāng)某模塊電壓偏高時(shí),增大其輸出功率以消耗局部電容能量,從而強(qiáng)制拉平所有模塊的電壓。對(duì)于輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)(IPOS)拓?fù)?,由于輸入?cè)共享同一低壓直流母線,控制策略則側(cè)重于各模塊輸出電流的一致性(Current sharing) 。

4. 碳化硅(SiC)MOSFET:高頻隔離技術(shù)的物理引擎

固態(tài)變壓器在海上風(fēng)電領(lǐng)域的實(shí)用化,在很大程度上得益于第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料——碳化硅(SiC)的突破。傳統(tǒng)硅(Si)基 IGBT 雖然在高壓大電流領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位,但由于其雙極型器件的物理特性,在關(guān)斷時(shí)存在嚴(yán)重的少數(shù)載流子拖尾電流(Tail current)。這使得硅基 IGBT 的開(kāi)關(guān)頻率通常被限制在 1kHz 至 3kHz,若要進(jìn)一步提高頻率,開(kāi)關(guān)損耗將導(dǎo)致器件嚴(yán)重發(fā)熱甚至熱失控 。在此低頻下,變壓器體積的縮減極為有限。

碳化硅(SiC)具有 3.26 eV 的寬禁帶寬度,是硅(1.12 eV)的近三倍;其臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度更是硅的十倍 。這使得在相同的耐壓等級(jí)下,SiC MOSFET 可以采用更薄、摻雜濃度更高的漂移區(qū),從而極大地降低了導(dǎo)通電阻。更為關(guān)鍵的是,作為單極型器件,SiC MOSFET 完全消除了尾電流,開(kāi)關(guān)速度極快,開(kāi)關(guān)損耗極低,使其能夠在 20kHz 至 50kHz 的高頻下穩(wěn)定運(yùn)行 。

4.1 SiC 模塊的關(guān)鍵電氣參數(shù)分析:以 BASiC BMF540R12KHA3 和 BMF540R12MZA3 為例

為了深入理解 SiC 技術(shù)對(duì) 100kV SST 的支撐作用,我們可以剖析業(yè)界先進(jìn)的工業(yè)級(jí) 1200V / 540A SiC MOSFET 半橋模塊——基本半導(dǎo)體(BASiC)的 BMF540R12KHA3 和 BMF540R12MZA3 的參數(shù)特性 。這些參數(shù)直接決定了海上風(fēng)電 DC/DC 變流器的效率和熱設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵參數(shù) 符號(hào)與測(cè)試條件 BMF540R12KHA3 (62mm 封裝) BMF540R12MZA3 (Pcore?2 ED3 封裝)
最大漏源電壓 VDSS? 1200 V 1200 V
連續(xù)漏極電流 ID? 540 A (@ TC?=65°C) 540 A (@ TC?=90°C)
脈沖漏極電流 IDM? 1080 A 1080 A
靜態(tài)導(dǎo)通電阻 (典型值) RDS(on)? (@25°C,VGS?=18V) 芯片端: 2.2 mΩ / 終端: 2.6 mΩ 芯片端: 2.2 mΩ / 終端: 3.0 mΩ
靜態(tài)導(dǎo)通電阻 (高溫值) RDS(on)? (@175°C,VGS?=18V) 芯片端: 3.9 mΩ / 終端: 4.5 mΩ 芯片端: 3.8 mΩ / 終端: 5.4 mΩ
輸入/輸出電容 Ciss? / Coss? (@ 800V) 33.6 nF / 1.26 nF 33.6 nF / 1.26 nF
最大耗散功率 PD? (@ Tvj?=175°C) 1563 W / Switch 1951 W / Switch
結(jié)殼熱阻 Rth(j?c)? 0.096 K/W 0.077 K/W
絕緣測(cè)試電壓 Visol? (RMS, 50Hz, 1min) 4000 V 3400 V

從導(dǎo)通性能看,這兩款模塊的芯片級(jí) RDS(on)? 在 25°C 時(shí)僅為 2.2 mΩ,即使在 175°C 的極限結(jié)溫下,也保持在 3.8 mΩ 到 3.9 mΩ 之間 。這種卓越的高溫導(dǎo)通性能,意味著在 100kV SST 滿載運(yùn)行時(shí),數(shù)百個(gè)模塊的串聯(lián)導(dǎo)通壓降將得到嚴(yán)格控制,從而大幅降低了通態(tài)損耗。

4.2 極限開(kāi)關(guān)損耗與高頻效能

除了超低的導(dǎo)通電阻,高頻 SST 更加依賴于極低的開(kāi)關(guān)損耗。在測(cè)試條件為 VDS?=800V,ID?=540A 的惡劣工況下,BMF540R12KHA3 的開(kāi)通延遲時(shí)間(td(on)?)僅為 119 ns,關(guān)斷延遲時(shí)間(td(off)?)為 205 ns;其開(kāi)通損耗(Eon?,包含體二極管反向恢復(fù))在 25°C 時(shí)僅為 37.8 mJ,關(guān)斷損耗(Eoff?)低至 13.8 mJ 。

與之配合的是 SiC 體二極管極其優(yōu)異的反向恢復(fù)特性。在傳統(tǒng)的硅基電路中,二極管反向恢復(fù)電荷(Qrr?)會(huì)在開(kāi)通瞬間引發(fā)巨大的電流尖峰。而 BMF540R12KHA3 的反向恢復(fù)時(shí)間(trr?)僅為 29 ns,反向恢復(fù)電荷 Qrr? 僅為 2.0 μC 。

憑借這些電氣特性,若將 SiC MOSFET 應(yīng)用于 SST 的全橋電路中,可使開(kāi)關(guān)頻率提升至 20kHz 甚至更高,且整個(gè) DC/DC 變流階段的效率依然能保持在 98.1% 至 99.8% 之間 。在效率與傳統(tǒng) 50Hz 變壓器相當(dāng)?shù)那疤嵯?,隔離變壓器的重量被縮小了數(shù)倍,這是支撐海上風(fēng)電平臺(tái)輕量化的底層物理邏輯。

5. 極致的輕量化:重塑海上升壓站的經(jīng)濟(jì)學(xué)邊界

將集電電壓提升至 100kV 并采用 SST,其最直觀且最具顛覆性的核心價(jià)值在于顯著減輕平臺(tái)重量。

5.1 傳統(tǒng)海上升壓站的“重量黑洞”

在 500 MW 或 1.2 GW 的大型海上風(fēng)電場(chǎng)中,傳統(tǒng)的 HVAC 升壓站是名副其實(shí)的“鋼鐵巨獸”。其內(nèi)部包含的 220kV 或 345kV 工頻變壓器不僅本身重達(dá)數(shù)百噸,還必須配備龐大的冷卻油箱、泵組、散熱風(fēng)扇。為了在惡劣的海況下支撐這些重型旋轉(zhuǎn)和充油設(shè)備,升壓站的頂部結(jié)構(gòu)(Topside structure)必須采用極高強(qiáng)度的鋼材。研究表明,對(duì)于戶外設(shè)備(如工頻變壓器),其自身重量每增加 1 噸,往往需要額外增加 0.5 噸的頂部結(jié)構(gòu)重量來(lái)進(jìn)行支撐 。加上 GIS 開(kāi)關(guān)柜和龐大的無(wú)功補(bǔ)償電抗器,傳統(tǒng)升壓站的總重往往輕易突破 3000 噸至 5000 噸。這意味著開(kāi)發(fā)商必須租賃日租金極為昂貴的特大型重型起重船(HLV)進(jìn)行吊裝,一旦遇到惡劣天氣窗口,項(xiàng)目延期成本將呈指數(shù)級(jí)上升 。

5.2 級(jí)聯(lián) SST 帶來(lái)的“減重乘數(shù)效應(yīng)”

當(dāng) 35kV 到 100kV 的電壓跳躍由基于 SiC 的高頻 SST 承擔(dān)時(shí),系統(tǒng)的重量分布發(fā)生了革命性的變化:

變壓器本體減重: 由于工作頻率從 50Hz 提升至 20kHz,SST 內(nèi)部中頻變壓器的體積和重量相較于同等功率的工頻變壓器減少了 70% 至 80% 。

輔助設(shè)備的消除: SST 的模塊化設(shè)計(jì)允許采用更加緊湊的冷卻系統(tǒng)(如去離子水冷或浸沒(méi)式液冷),消除了龐大的外部油冷循環(huán)系統(tǒng) 。

平臺(tái)建筑體積的萎縮: 在傳統(tǒng)升壓站中,為了保護(hù)變壓器免受海洋鹽霧侵蝕,往往需要建造高達(dá)數(shù)千立方米的封閉變壓器室。采用緊湊型 SST 后,所需的封閉體積大幅減少 。

中心化升壓的可能性: 最極致的情況是,由于 SST 體積和重量極其緊湊,DC/DC 升壓模塊可以直接安裝在每臺(tái)風(fēng)機(jī)的塔基(Tower base)或機(jī)艙(Nacelle)內(nèi)。這樣,整個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)就不再需要一個(gè)龐大的中央升壓站,所有風(fēng)機(jī)直接輸出 100kV 直流電,通過(guò)陣列電纜匯聚后直接接入海底 HVDC 外輸電纜 。這種架構(gòu)被稱為“輕量化海上變電站”(Lightweight Offshore Substation / OTM),可使得項(xiàng)目的電氣配套投資(Electrical BOS)成規(guī)模地下降 。

6. 抵御深海嚴(yán)酷環(huán)境:封裝材料的腐蝕耐受力與可靠性

盡管 SiC SST 在電磁與拓?fù)淅碚撋蠠o(wú)懈可擊,但其在海上風(fēng)電實(shí)際應(yīng)用中面臨的“阿喀琉斯之踵”是嚴(yán)酷的海洋環(huán)境(C5-M 級(jí)腐蝕環(huán)境)。海上風(fēng)機(jī)處于高濕度、高鹽霧、極端溫度交變以及持續(xù)機(jī)械振動(dòng)的復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)中 。在這樣的環(huán)境中,傳統(tǒng)的半導(dǎo)體功率模塊極易因濕氣滲入和鹽霧沉積引發(fā)電化學(xué)遷移(Electrochemical Migration, ECM)、枝晶生長(zhǎng)(Dendritic growth),最終導(dǎo)致 100kV 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)的絕緣擊穿與短路爆炸 。

為確保海上 SST 具備 25 年以上的免維護(hù)壽命,SiC 模塊的封裝必須在基板材料與外殼材料上進(jìn)行深度的技術(shù)迭代,即結(jié)合 Si3?N4? 陶瓷基板PPS 高性能塑料外殼。

6.1 氮化硅(Si3?N4?)AMB 基板:破解熱應(yīng)力與機(jī)械疲勞

功率模塊內(nèi)的絕緣基板不僅需要承受極高的電氣隔離電壓,還必須將芯片產(chǎn)生的熱量高效傳導(dǎo)至底板。傳統(tǒng)模塊多采用氧化鋁(Al2?O3?)或氮化鋁(AlN)直接敷銅(DBC)基板。然而,Al2?O3? 熱導(dǎo)率過(guò)低(僅 24-26 W/m·K),無(wú)法滿足 SiC 模塊高功率密度的散熱需求;而 AlN 雖然熱導(dǎo)率高(170-180 W/m·K),但其斷裂韌性極差(僅 2.7 MPam?) 。

在海上風(fēng)電的實(shí)際工況中,風(fēng)速的劇烈波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致變流器輸出功率頻繁跳變,進(jìn)而引發(fā)劇烈的溫度循環(huán)(Thermal cycling)。由于銅底板的熱膨脹系數(shù)(CTE,約 17 ppm/K)與 SiC 芯片(約 4 ppm/K)存在巨大差異,這種熱機(jī)應(yīng)力會(huì)反復(fù)撕扯陶瓷基板 。AlN 極易在此類熱震中發(fā)生微裂紋,導(dǎo)致模塊熱阻急劇上升并最終失效。

氮化硅(Si3?N4?)陶瓷的引入徹底改變了這一局面。

卓越的機(jī)械強(qiáng)度: Si3?N4? 的抗彎強(qiáng)度高達(dá) 720-820 MPa,斷裂韌性達(dá)到驚人的 6.5-7.0 MPam? 。這種強(qiáng)悍的韌性使得它在承受極端溫度波動(dòng)(如 -55°C 至 250°C)時(shí)能夠保持完美的結(jié)構(gòu)完整性 。

活性金屬釬焊(AMB)技術(shù): 得益于 Si3?N4? 極高的機(jī)械強(qiáng)度,工藝上可以采用 AMB 技術(shù)將更厚的銅箔(例如 0.32 mm 甚至 0.8 mm)釬焊到陶瓷表面,而不會(huì)導(dǎo)致陶瓷碎裂 。更厚的銅層起到了內(nèi)部均熱板(Heat spreader)的作用。

熱阻與壽命的綜合優(yōu)化: 雖然 Si3?N4? 的本征熱導(dǎo)率(85-90 W/m·K)不及 AlN,但由于其機(jī)械強(qiáng)度允許使用厚度僅為 AlN 一半的陶瓷層(如 0.32mm 對(duì)比 0.63mm),最終組成的 Si3?N4? AMB 基板的整體熱阻(Rth?)與 AlN DBC 幾乎相當(dāng) 。BMF540R12MZA3 模塊憑借 Si3?N4? AMB 和優(yōu)化后的銅基板,實(shí)現(xiàn)了極低的結(jié)殼熱阻 Rth(j?c)?(0.077 K/W) 。

耐腐蝕性: 在化學(xué)性質(zhì)上,Si3?N4? 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)使其具備驚人的化學(xué)穩(wěn)定性,除氫氟酸外,它不與任何無(wú)機(jī)酸發(fā)生反應(yīng)。在長(zhǎng)期的海洋鹽霧暴露下,呈現(xiàn)出幾乎為零的腐蝕率 。

基板材料 熱導(dǎo)率 (W/m·K) 抗彎強(qiáng)度 (MPa) 斷裂韌性 (MPam?) 熱膨脹系數(shù) CTE (ppm/K) 海上 SiC 適用性評(píng)價(jià)
Al2?O3? (氧化鋁) 24 - 26 370 - 400 3.0 - 3.3 6.7 - 7.2 差(熱導(dǎo)率低,易熱疲勞)
AlN (氮化鋁) 170 - 180 310 - 400 2.7 4.5 - 4.6 一般(易碎裂,抗熱震差)
Si3?N4? (氮化硅) 85 - 90 720 - 820 6.5 - 7.0 2.3 - 3.1 極佳(高韌性,抗腐蝕,長(zhǎng)壽命)

6.2 PPS 工程塑料外殼:抵御海洋鹽霧的終極壁壘

如果說(shuō) Si3?N4? 解決了模塊內(nèi)部的機(jī)械疲勞與熱阻問(wèn)題,那么聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide, PPS)外殼則構(gòu)筑了抵御外部惡劣海洋環(huán)境的第一道防線。在類似 BMF540R12KHA3 等先進(jìn) SiC 模塊中,PPS 塑料被廣泛應(yīng)用于外殼封裝 。

PPS 是一種由硫原子和苯環(huán)交替連接構(gòu)成的高性能半結(jié)晶熱塑性塑料 。在海上 100kV 直流系統(tǒng)的嚴(yán)苛應(yīng)用中,它表現(xiàn)出以下不可替代的優(yōu)勢(shì):

極限的耐化學(xué)與耐鹽霧性能: PPS 具有極其卓越的化學(xué)惰性,在 200°C 以下沒(méi)有任何已知的溶劑能將其溶解 。在基于 ASTM B117 標(biāo)準(zhǔn)的鹽霧測(cè)試中(例如在 5% NaCl 鹽霧下持續(xù)暴露 1000 小時(shí)),PPS 材料不會(huì)發(fā)生任何溶脹、水解或結(jié)構(gòu)降解 。這使其成為海上潮濕、含鹽空氣中的理想絕緣屏障。

阻斷電化學(xué)遷移(ECM): 在高壓直流模塊中,水汽的吸收是致命的。傳統(tǒng)材料(如 PA66)吸水后會(huì)導(dǎo)致絕緣電阻下降,在 100kV 的強(qiáng)電場(chǎng)下極易在模塊表面形成導(dǎo)電水膜,進(jìn)而引發(fā)金屬離子的電化學(xué)遷移和枝晶短路 。而 PPS 的吸水率極低(小于 0.5%),即使在極端濕熱環(huán)境中,其介電強(qiáng)度(Dielectric strength)和體積電阻率(>1014Ω?cm)依然保持穩(wěn)定,相比跟蹤指數(shù)(CTI)穩(wěn)定在 200 以上 。

本征阻燃性(Inherent Flame Retardancy): 海上風(fēng)電變流器對(duì)防火要求極高。PPS 無(wú)需添加任何可能導(dǎo)致腐蝕的鹵素阻燃劑,自身即可達(dá)到 UL 94 V-0 的阻燃等級(jí) 。這避免了傳統(tǒng)阻燃劑在高溫下析出(Blooming)或污染內(nèi)部電氣觸點(diǎn)的問(wèn)題。

通過(guò) Si3?N4? AMB 內(nèi)部基板與 PPS 外部裝甲的協(xié)同,1200V 級(jí) SiC 功率模塊不僅能承受高頻開(kāi)關(guān)帶來(lái)的高密度熱震,更能在滿是鹽霧與濕氣的海上環(huán)境中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá) 25 年的封裝級(jí)高可靠性。

7. 100kV 級(jí)高頻絕緣與局部放電(PD)挑戰(zhàn)

盡管級(jí)聯(lián)多電平架構(gòu)能夠?qū)?100kV 的電壓應(yīng)力均攤到上百個(gè)半導(dǎo)體模塊上,但在整個(gè) SST 架構(gòu)中,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)端與風(fēng)機(jī)端電氣隔離的中頻變壓器(MFT) 必須承受全額的對(duì)地電壓。由于風(fēng)機(jī)的機(jī)艙是接地的,級(jí)聯(lián)鏈條中靠近 100kV 母線端的變壓器副邊繞組,其對(duì)地絕緣必須承受完整的 100kV 直流電勢(shì) 。

設(shè)計(jì)能夠承受 100kV DC 并疊加 20kHz 高頻交流紋波的絕緣系統(tǒng),是當(dāng)前海上固態(tài)變壓器領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)深水區(qū)。

7.1 直流偏置下的 Maxwell-Wagner 極化效應(yīng)

在傳統(tǒng)的 50Hz 工頻變壓器中,絕緣材料內(nèi)部的電場(chǎng)分布完全由材料的相對(duì)介電常數(shù)(?r?)決定。然而,當(dāng)變壓器受到 100kV 直流偏置(DC bias)時(shí),電場(chǎng)的分布機(jī)制發(fā)生根本反轉(zhuǎn)——穩(wěn)態(tài)下的電場(chǎng)分布由絕緣材料的電導(dǎo)率(σ)決定 。

對(duì)于油浸式中頻變壓器,通常采用變壓器油和絕緣紙(Pressboard)作為復(fù)合絕緣系統(tǒng)。然而,變壓器油的電導(dǎo)率對(duì)溫度和濕度極其敏感,通常比絕緣紙的電導(dǎo)率高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)(例如礦物油電導(dǎo)率為 10?13 S/m,而絕緣紙為 10?15 S/m)。當(dāng)施加 100kV 直流電壓時(shí),界面處會(huì)發(fā)生Maxwell-Wagner 極化效應(yīng),空間電荷在油與紙的界面大量積聚。這種電荷積聚會(huì)強(qiáng)烈畸變電場(chǎng),導(dǎo)致高阻抗的固態(tài)絕緣紙內(nèi)部承受了不成比例的極高電場(chǎng)應(yīng)力,從而大幅增加了絕緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn) 。

7.2 高頻高 dv/dt 下的局部放電(PD)抑制

絕緣失效的另一個(gè)罪魁禍?zhǔn)资蔷植糠烹姡≒artial Discharge, PD)。測(cè)試表明,當(dāng)對(duì)地電壓超過(guò) 35kV 時(shí),要設(shè)計(jì)出完全無(wú)局部放電的干式樹(shù)脂澆注變壓器幾乎是不可能的,因?yàn)槲⑿〉臍庀对趶?qiáng)電場(chǎng)下會(huì)引發(fā)頻繁的電暈放電 。

在使用 SiC MOSFET 后,這種危險(xiǎn)被進(jìn)一步放大。SiC 極快的開(kāi)關(guān)速度會(huì)產(chǎn)生高達(dá) 100 kV/μs 的 dv/dt 瞬態(tài)電壓跳變。這種高頻諧波會(huì)穿透變壓器的繞組層間電容,在繞組內(nèi)部產(chǎn)生極不均勻的電壓分布 。在 20kHz 的開(kāi)關(guān)頻率下,哪怕是極其微弱的局部放電,由于每秒發(fā)生數(shù)萬(wàn)次放電轟擊,也會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)(幾天甚至幾小時(shí))將絕緣層徹底碳化蝕穿。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,在 100kV 級(jí)測(cè)試中,高頻交流疊加直流的破壞力遠(yuǎn)超單純的直流或 50Hz 交流 。

為了克服這些絕緣瓶頸,工程師在 100kV 級(jí) SST 設(shè)計(jì)中采取了多維度的應(yīng)對(duì)策略:

回歸油浸式設(shè)計(jì)與環(huán)保絕緣油: 放棄易產(chǎn)生氣隙的環(huán)氧樹(shù)脂干式絕緣,采用高度精煉的礦物油或合成酯(Synthetic ester)進(jìn)行油浸式冷卻與絕緣。流動(dòng)的絕緣油能夠填補(bǔ)繞組間的所有微小空隙,大幅提高局部放電起始電壓(PDIV) 。

非線性有限元(FEM)幾何優(yōu)化: 利用電場(chǎng)仿真軟件精確優(yōu)化 MFT 的物理結(jié)構(gòu),采用圓形磁芯和無(wú)尖角的環(huán)形繞組,徹底消除導(dǎo)致電場(chǎng)集中的銳角,從而均化電場(chǎng)梯度 。

靜電屏蔽與寄生電容控制: 在原副邊繞組之間設(shè)置接地的靜電屏蔽層,將原邊 SiC 模塊產(chǎn)生的高頻 dv/dt 容性共模電流直接導(dǎo)流至地,防止其耦合到 100kV 直流集電網(wǎng)絡(luò)中干擾系統(tǒng)穩(wěn)定 。

8. 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)電直流收集系統(tǒng)從 35kV 向 100kV 的電壓等級(jí)跳躍,代表著全球深遠(yuǎn)??稍偕茉撮_(kāi)發(fā)的必然物理路徑。通過(guò)將級(jí)聯(lián)多電平固態(tài)變壓器(SST)引入風(fēng)電系統(tǒng)的最前端,行業(yè)得以徹底拋棄重達(dá)數(shù)千噸的工頻海上升壓站。這一革命性的減重效益不僅從根本上改變了海上風(fēng)電的安裝物流邏輯,還通過(guò)消除交流線纜的電容無(wú)功損耗,顯著降低了平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)。

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在這場(chǎng)技術(shù)變革的背后,碳化硅(SiC)高頻隔離技術(shù)與前沿材料科學(xué)的跨界融合是真正的核心驅(qū)動(dòng)力。采用 Si3?N4? AMB 陶瓷基板與 PPS 高性能塑料外殼的工業(yè)級(jí) SiC 功率模塊,不僅展現(xiàn)出驚人的高頻低損耗開(kāi)關(guān)特性,更為 SST 在充滿鹽霧、高濕和熱震的 C5-M 級(jí)海洋環(huán)境中提供了無(wú)可挑剔的耐腐蝕性與長(zhǎng)效可靠性。

隨著在 Maxwell-Wagner 絕緣極化、模塊化電壓均壓控制以及高頻局部放電抑制等工程深水區(qū)的不斷突破,基于全固態(tài)變壓器的 100kV 純直流收集架構(gòu)將從學(xué)術(shù)界的實(shí)驗(yàn)室走向廣闊的深海。它不僅僅是單一電氣設(shè)備的更迭,更是對(duì)未來(lái)千萬(wàn)千瓦級(jí)海上風(fēng)電組網(wǎng)范式的徹底重塑。

審核編輯 黃宇

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    的頭像 發(fā)表于 09-09 17:19 ?1465次閱讀
    <b class='flag-5'>海上風(fēng)</b><b class='flag-5'>電</b>高壓<b class='flag-5'>直流</b>集成經(jīng)濟(jì)型方案與性能比較

    π120U31 高性能雙通道數(shù)字隔離器,3kV隔離+增強(qiáng)ESD,賦能工業(yè)系統(tǒng)

    接口 電機(jī)控制驅(qū)動(dòng) 通用通道信號(hào)隔離需求 總結(jié): π120U31雙通道數(shù)字隔離器憑借其獨(dú)創(chuàng)的iDivider?技術(shù)、3000Vrms高
    發(fā)表于 08-18 08:15

    SiLM5741CG-DG 5kV隔離高速四通道隔離器兼容代替TPT7741

    (CMTI)達(dá)±100kV/μs,并具備優(yōu)異的系統(tǒng)級(jí)EMC性能(高ESD、EFT、浪涌抗擾度及低輻射),確保在嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境下的信號(hào)完整性。 高效低功耗: 在1Mbps速率下,每通道電流典型值低1.5mA
    發(fā)表于 08-04 08:50

    低頻變壓器廠家,有哪些是符合你設(shè)備的變壓器!來(lái)看看吧

    )。 電力變壓器: 高壓輸電系統(tǒng)(110kV~1000kV),用于變電站升壓/降壓。 自耦變壓器: 大容量、低成本,用于電網(wǎng)
    的頭像 發(fā)表于 07-23 08:47 ?907次閱讀
    低頻<b class='flag-5'>變壓器</b>廠家,有哪些是符合你設(shè)備的<b class='flag-5'>變壓器</b>!來(lái)看看吧

    輕型高壓試驗(yàn)變壓器,華興變壓器怎么兼容電壓等級(jí)?

    客戶試驗(yàn)室既有10kV開(kāi)關(guān)柜,又要測(cè)35kV電纜,難道得買兩臺(tái)設(shè)備?電壓等級(jí)切換麻煩,曾是輕型高壓試驗(yàn)變壓器用戶的普遍痛點(diǎn)。華興變壓器用模塊
    的頭像 發(fā)表于 07-21 11:01 ?607次閱讀
    輕型高壓試驗(yàn)<b class='flag-5'>變壓器</b>,華興<b class='flag-5'>變壓器</b>怎么兼容<b class='flag-5'>多</b><b class='flag-5'>電壓</b>等級(jí)?

    泰科電子海上風(fēng)項(xiàng)目極速交付回顧

    ,其中一套220 kV海纜轉(zhuǎn)換接頭需要緊急供貨。憑借TE 瑞侃 (Raychem) 電纜附件產(chǎn)品在海上風(fēng)的卓越表現(xiàn),客戶急需TE的支持。
    的頭像 發(fā)表于 06-03 15:58 ?1157次閱讀

    直流試驗(yàn)變壓器型號(hào)選擇?

    產(chǎn)的交直流試驗(yàn)變壓器型號(hào)豐富,能滿足不同用戶的需求。 首先,選擇交直流試驗(yàn)變壓器型號(hào)時(shí),要考慮試驗(yàn)電壓的要求。武漢特高壓的交
    發(fā)表于 05-06 10:34