现代电力系统中“固态变压器（SST）”基础知识的详解；

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电力是人类发展的根本推动力。它允许不断发展的技术进步，同时随着需求的增加扩大其使用范围。为了发电，已经利用了资源相对丰富的几种形式的能源，例如水力发电，化石燃料和核能。然而，历史上主要的经济和可持续性因素已将能源消耗平衡推向了可再生能源的开发。实际上，由于这些替代类型的一次能源以不受控制的天气所定义的可变速率可用，因此其与电网的集成必须实现高水平的控制复杂性，以便在不损害电网安全的情况下最大化发电量。

传统电力系统的功能拓扑已经为从大型发电厂到负载消耗中心的便捷路线服务。此外，配电系统大多数情况下是径向设计的，尽管在计划外断开的情况下也有可能将电路传输到其他馈线，尽管事实上设想将电网从发电机垂直传输到负载，但要应对可再生能源的到来，它仍然面临着重大挑战：能量流的双向性。该特性旨在提供可再生能源，以不同规模和位置分布在整个网络中，其代价是增加了配电系统中互连的数量，引入了新设备并重新设计了现有的实施方式。这种模式已经基本设想智能电网，不仅因为能量转移，而且增加的智能系统必须有能力控制这种分布式场景。此外，在自然灾害和大型电厂停电的情况下，智能电网还可以促进电网生存。因此，可持续性和安全性是必须适合智能电网的概念。

尽管到目前为止，整个电力系统中的分布式能源都具有技术优势，但要使其稳定并符合运行和质量标准，还必须做很多工作。已经有几种方法来研究可靠性改进，稳定性能，通信技术，以及其他几个组织转化。作为说明，在电力系统保护的操作要求下，容错系统必须不仅基于自身的度量而且还基于其接近程度来区分故障事件的类型。因此，在这种情况下，集成通信系统至关重要。另一方面，电能质量问题必须得到补偿，因为会出现由于利用基于电力电子技术的新型开关技术而引起的其他类型的现象。因此，即使在罕见的极低概率事件期间，保持电压，频率和信号的清洁度也将成为新的电能设备中的必要条件。如果满足所有这些条件，则网络运营商可以确保更复杂的电源系统的稳定性。未来的智能电网是具有更高水平的可靠性和效率的智能电网。

正因如此，电力电子解决方案便在全球范围内的迅速发展带来了一个普遍的问题，那就是采用非线性负载。这一事实对电力系统的质量产生了重大影响，并因此对能源效率产生了重大影响，因为非线性负载充当了谐波电流的来源，谐波电流会流向其他负载甚至是来源，从而导致其运行中的性能不佳。如今，常规变压器仅限于管理（升高或降低）电压水平，但是它们不能处理电能质量事件，例如谐波，骤降，骤升等。因此，需要结合通用的智能设备来应对先前针对智能电网环境所描述的挑战。所以，本章节要跟大家分享的是：现代电力系统中的固态变压器（SST）这一话题。

一、固态变压器的发展历史简述

电力电子变压器(最初叫做固态变压器)的概念早在 20 世纪 70 年代初就被提出。1970 年，美国 GE 的 W.Mc Murray 在他申请的一项ZL中首先提出了一种包含高频变压器的电力电子拓扑电路。1980 年，美国海军在一个项目中提出了一种由 AC/AC 的降压变压器构成的固态变压器。1995 年，美国电力科学研究院(EPRI)提出了另一种 AC/AC 结构的降压变换器型电力电子变压器拓扑结构。这种拓扑由于是直接交交型变换结构，中间没有使用高频变压器，因而成本较低，且开关器件数也较少。但由于该结构中不存在变压器，因而其原方和副方之间并不能实现电气隔离。

1996 年，日本人 Koosuke Harada 提出了一种智能变压器的概念，这种变压器主要是通过高频技术来提升变压器铁芯材料的利用率，并以此减小系统的体积。另外，该变压器还通过电力电子变换技术及控制技术实了功率因数校正、恒压和恒流等功能。其研究成果在一个200V/3k VA 的实验装置上得到了实现，开关频率达到了 15k Hz，但仍存在效率稍低的缺点，大概在 80%～90%左右。

20 世纪 90 年代末，电力电子技术的快速发展加快了电力电子变压器领域研究的前进步伐，国外在电力电子变压器的研究上也取得了一定的进展。特别是在工业配电系统中，一些新的电力电子变压器的研究方案也在这时得以提出，并进行了实验验证。美国德州 A&M 大学的 Moonshik Kang 和 Enjeti 首先提出了一种基于直接 AC/AC 变换的电力电子变压器的结构，此后 1999 年 Ronan 和Sudnoff 提出了一种三级结构组成的电力电子变压器拓扑结构，它主要由输入级、隔离级和输出级这三部分组成，这种方案的特点在于输入级可以采用多级的功率模块进行串联，因而输入电压可以被均分到每个模块上，从而降低了单个功率模块上所承受的电压应力。

简单的变压器是由闭合的导磁体和二个绕组组成，其中一个绕组与交流电源相连接，称为初级绕组Np，另一个绕组可以与负载相连接，称为次级绕组Ns。

如果初级绕组与交流电压Ui的电源相连接，变压器处于空载，在初级绕组中产生交变电源Io， Io称为空载电流。这个电流建立了沿磁芯磁路而闭合的交变磁通，磁通同时穿过初级绕组和次级绕组，在初级绕组中产生自感电动势E1，次极产生互感电动势E2，则E1：E2=Np：Ns。Np为初级绕组匝数，Ns为次级绕组匝数。

变压器在电子线路中起着升压、降压、隔离、整流、变频、倒相、阻抗匹配、逆变、储能、滤波等作用。

固态变压器从20世纪60年代概念提出，经历高频技术、直接交交结构、智能化控制等关键阶段，现已成为电力电子领域的重要技术之一，并在全球范围内实现规模化应用。

二、固态变压器的介绍

固态变压器，英文全称：Solid-State Transformer，简称：SST，同时固态变压器又可称作：电子电力变压器，英文全称：Electronic Power Transformer，简称：EPT，也有被称为：智能变压器，其英文全称：Smart Transformer，简称：ST。固态变压器（SST）是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的高频电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的静止电气设备。

它也是电力电子技术与传统电磁感应变压技术相结合的产物，是未来智能电网的关键设备之一，它彻底颠覆了我们对传统变压器仅用于“变压”的单一印象。

固态变压器（SST）是一种基于电力电子变流器实现能量变换和控制的新型变电装置。传统变压器主要依靠工频（50/60 Hz）的电磁感应来改变电压，结构简单但功能单一。固态变压器（SST）则是一个复杂的“电力电子系统”，它将输入的高压交流电（AC）或直流电（DC）通过多次高频（kHz 甚至 MHz 级别）的转换，最终得到所需的输出电压，并在这个过程中实现高级的控制功能。

三、固态变压器（SST）的基本工作原理

简单来说，传统变压器是依靠电磁感应原理，在50/60 Hz工频下工作的。而固态变压器（SST）则是首先工频交流信号经电力电子变换器变换为高频方波信号(如AC-DC-AC或AC-DC-DC-AC结构)，信号通过高频隔离变压器传输，再经电力电子变换器将高频方波信号还原成工频交流信号，最后该过程可以通过控制器对电力电子变换装置进行适当的控制来完成。具体基本工作原理如下：

‌1、高频电力电子转换‌

固态变压器（SST）首先将输入的交流电（AC）通过整流器转换为直流电（DC），然后通过高频逆变器将直流电转换为高频交流电（通常为几千赫兹到几兆赫兹）。高频交流电通过高频变压器进行电压变换，最后再通过整流器将高频交流电转换为所需的直流或交流输出。

‌2、高频变压器‌

与传统工频变压器（50/60 Hz）不同，固态变压器（SST）使用高频变压器。由于变压器的体积与频率成反比，高频变压器可以显著减小体积和重量，同时提高功率密度。

‌3、智能控制与调节‌

固态变压器（SST）通过先进的电力电子控制技术（如PWM调制、数字信号处理等）实现电压、电流和功率的精确调节，支持双向能量流动（如可再生能源并网）、无功补偿和故障保护等功能。

‌4、功能扩展‌

固态变压器（SST）不仅可以实现电压变换，还能集成多种功能，如电能质量改善（谐波抑制、电压暂降补偿）、分布式能源接口（光伏、储能系统接入）和智能电网交互。

同时，固态变压器（SST）的核心在于其三级拓扑结构（这是最常见的结构，也称“AC/DC/AC”）：

 四、固态变压器（SST）基础知识的分享

以下内容是本章节要跟大家分享的关于现代电力系统中的固态变压器（SST）基础知识课件，如有不当或是遗漏之处，还望大家批评指正：

 

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五、固态变压器（SST）的核心优势

由上面讲到的固态变压器（SST）的基本原理，可以看出其相对于传统变压器，固态变压器（SST）有以下几点核心优势：

1、高效率

与传统变压器相比，固态变压器（SST）的使用效率更高，通常可达到98%以上，这主要是由于其采用的半导体器件可以实现高效、无损耗的电能转换。

2、节能环保

固态变压器（SST）不仅效率更高，而且与传统变压器相比可以实现更加精确的能量控制和管理，从而避免电能在转换过程中的能量浪费，减少二氧化碳排放，提高能源利用效率。

3、稳定性好

固态变压器（SST）具有较好的稳定性和可靠性，不仅能够适应各种环境变化和动态负载条件，而且能够实现灵活、可编程的控制方式，从而满足不同应用场景的需求。

4、体积小、重量轻

相较于传统变压器，固态变压器（SST）具有体积小、重量轻等优点，这在一些对空间有限制和对体积、重量有要求的应用场合具有很大的优势。

5、有利于建设智能电网

固态变压器（SST）可以实现高精度的电能测量和数据通信，更容易实现电力系统分布式控制和管理，有利于基于智能电网的能源管理和优化。

综上所述，固态变压器（SST）具有高效、节能、稳定灵活等优点，有望在电力系统中扮演更为重要的角色，服务于更加高效、可靠、智能的电力系统。

六、固态变压器（SST）的缺点

近几十年来，电力系统发展迅速，且呈现出几大特点:

1、电力系统从刚开始的跨市连接到现在的跨省级、跨区域连接，规模越来越大，如何保证超大规模力系统的安全性和稳定性是需要严肃考虑的问题。

2、能源危机日趋严重，因此，可再生能源分布式发电系统如光伏发电、风力发电等越来越受到重视，而分布式发电系统接入电网又会引发一系列控制问题。

3、用电负荷多样性增加，非线性负荷越来越多，而非线性负荷产生的谐波会对电网产生影响，使得电能质量问题日益突出。面对电力系统新的挑战，传统电力变压器作为电力系统输配电中基本的电力设备，其过于单一的功能也越来越不能满足现代电力系统的需求。

目前，传统变压器采用油浸式变压器，虽然传统变压器工作效率高、可靠性高且价格低廉，但是传统变压器也有不可忽视的缺点，包括:

1、体积大、过于笨重。

2、电网侧与负载侧没有实现隔离，因此电网侧和负载侧的扰动和故障会互相耦合。电网侧发生电压跌落和闪变会耦合到负载侧，同样，负载侧的谐波也会耦合到电网侧，污染电网，影响电网的稳定性。

3、负载侧电压受负载影响较大，负载发生很大的变化时，负载侧电压波动大。

4、没有直流接口和储能的能力。

5、若变压器发生漏油，会造成环境污染。

随着电力电子器件的飞速发展，电力电子技术在电力系统中应用的越来越多。现代系统中，许多机械式、电磁式设备都在被新型电力电子设备替代，使得电力系统能够更好地实现自动化、智能化和灵活化。例如，高压直流输电( HVDC )、静止无功补偿装置(( SVC )、有源电力滤波器(APF)、电能质量控制器(UPQC)、统一潮流控制器(UPFC)等电力电子设备广泛运用于输电和配电中。考虑到当今电力系统的特点和传统变压器的不可避免的缺点，那么是否也可以将电力电子技术运用到电力变压器中，因此固态变压器（SST）应运而生。

七、固态变压器（SST）的应用领域

固态变压器（SST）由于其高效、可靠、灵活等优点，可以广泛应用于以下领域：

1、电力系统

在传统变压器的升级换代中，固态变压器（SST）具有很大的发展潜力和市场前景。固态变压器（SST）可以实现高效、稳定的电能转换以及智能化控制和管理，有望进一步提高电力系统的可靠性、适应性和智能化水平。

2、电动汽车充电站

固态变压器（SST）可以实现高效、准确的电能转换和控制，在电动汽车领域中越来越多地应用于电池充电技术。固态变压器（SST）具有快速响应、车辆峰值功率的平滑控制，同时还具有能够实现电能回馈的快速电动变压器等特点，有望成为未来电动汽车充电领域的关键技术之一。

3、高速列车

固态变压器（SST）可以用于高速列车的牵引电力系统中，能够实现高效、可靠的电源转换和变压器控制，以及对动态负载变化的快速响应。固态变压器（SST）可以提高高速列车的动力性能、冷却效率和重量控制等方面的优势。

4、新能源领域

太阳能、风能等新能源的发电系统中，可以采用固态变压器（SST）实现电能的高效转换和可靠控制，从而提高新能源发电的可靠性和接入水平，有助于解决新能源接入电网方面的问题。

5、数据中心

基于固态变压器（SST）进行的中压供电和设施级直流配电，用设施级直流配电取代常规交流配电，以减少损耗并提高可靠性。

6、海上风电

基于固态变压器（SST）通过高频变压器进行的交流增压和隔离，配备固态变压器的紧凑型高效海上变电站，即可实现远距离高压直流输电。

7、海底电网

基于固态变压器（SST）的无平台/浮子直流输电，通过紧凑型重量优化的固态变压器配置，即可实现更远距离的海底作业。

8、电转气

利用多余风能/太阳能进行电解和氢气储存的固态变压器（SST）配置，适合从大功率交流电到低压直流电转换的紧凑型固态变压器（SST）配置。

9、智能电网和电动汽车充电

直流微电网用固态变压器（SST）配置，无需低压直流转换，因此效率更高且成本更低。基于固态变压器（SST）用于双向中压接口的配置，为高效能源管理、削峰填谷和电网稳定建立能源枢纽。

10、飞机和军舰电气化

基于固态变压器（SST）用于电动飞机推进的超导配电系统，采用紧凑和重量优化的固态变压器（SST）进行电力传输，提供了设计灵活性。基于固态变压器（SST）的船用直流配电，采用固态变压器（SST）的直流配电可将能源效率提高20%。

综上所述，固态变压器（SST）适用于电力系统、电动汽车充电站、高速列车、新能源发电等领域，具有广泛的应用前景和市场潜力。

八、固态变压器（SST）典型拓扑及控制方式

1、高频耦合的AC/AC电路

上世纪七十年代，美国GE公司的W.McMurray提出一种基于高频藕合的AC/AC电路结构。

电路工作的基本原理为:采用移相控制的方式，原方开关S1和s2互补导通，

工作在高频状态，输入的低频交流或直流信号被逆变为高频信号，经高频变压器耦合到副方，副方开关S3和S4通断与S1和S2同步，触发相位上相差角度，控制移相角即可控制变换器输出电压幅值。当移相角等于0时，变换后的副方电压波形与原方电压相同;当移相角不等于0时，输出电压波形呈现一定规律的正弦变化，在变压器副方配置输出滤波，方可得到正弦波形的电压。作为现代电力电子变压器的早期雏形，该设计思想也是后期固态变压器（SST）发展的基础。

2、三级结构的固态变压器（SST）

20世纪末，出现了一种针对电力电子变压器的三级结构，由Runan和Sudnoff两人提出，该变压器由高压级(输入级)、隔离级和低压级(输出级)构成。这是固态变压器（SST）领域首次尝试三级结构拓扑，受制于当时的功率器件耐压水平，高压侧多采用多个模块串联分压，各级模块内部相互独立。输入级模块为整流器，可实现单位功率因数，该级将输入的交流变换为直流;隔离级将直流信号经过直一交一直变换后还原为直流，隔离级的输出直流并联后送入输出级，输出级将直流逆变为所需工频交流后输出。此种结构较好地满足了降压变原方高电压小电流和副方低电压大电流的要求。但该固态变压器（SST）的局限性在于其只能实现功率的单向流动，且对无功的调整不够灵活。

九、固态变压器（SST）的未来展望

固态变压器（SST）基本都采用三级型 (直流固态变压器除外)，都使用了高频变压器和DAB结构，主要是因为高频变压器的体积小，传输效率高，以及DAB能实现能量双向流动。

虽然固态变压器（SST）较传统变压器有很多优势，但损耗大、可靠性低、成本高和短路特性等都是固态变压器（SST）的弱点。但是固态变压器（SST）由于拥有传统电力变压器所不具备的强大功能和诸多优点，随着电力电子器件技术的发展和电力电子变换技术的进步，固态变压器（SST）造价会逐渐降低，可靠性会逐步提高，效率会不断提升，取代传统变压器成为可能，而控制灵活、功能强大的特点也使得固态变压器（SST）具有更广阔的应用前景。

十、总结一下

固态变压器（SST）不是传统变压器的简单升级，它是一种电力电子化的能量路由器。它将传统的变压、隔离功能与现代的电能质量控制、功率流管理功能高度集成，以其小型化、高效率、柔性和智能化的特点，成为构建未来能源互联网和智能电网不可或缺的核心技术。

当前，固态变压器（SST） 正凭借"98%+ 效率+ 800 V直岀+绿电即插即用"二大卖点，成为 A| 算力Q中心供电架构的“终极形态”。2025 年起，随着 SiC 模块成本下降、800V GPU服务器规模出货，预计数据中心 固态变压器（SST） 将在 2026-2027 年进入爆发期，并逐步外溢到超充、储能、微网等场景。

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审核编辑 黄宇