หม้อแปลงโซลิดสเตท (SST) คือตัวแปลงกระแสสลับเป็นกระแสสลับ (AC-AC) บางครั้งเรียกว่าหม้อแปลงอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (PET) ซึ่งใช้แทนหม้อแปลงแม่เหล็กแบบดั้งเดิมในงานต่างๆ เช่น ระบบพลังงานสีเขียว ศูนย์ข้อมูลคลาวด์ เครื่องชาร์จเร็วสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า และโครงสร้างพื้นฐานสมาร์ทกริด หม้อแปลงโซลิดสเตทมีขนาดเล็กกว่าและเบากว่าหม้อแปลงแบบดั้งเดิม และสามารถรองรับคุณภาพพลังงานที่ดีกว่า ประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงกว่า และฟังก์ชันการทำงานที่ดียิ่งขึ้น

หม้อแปลงไฟฟ้าแบบโซลิดสเตท (SST) ทำงานที่ความถี่สูงกว่าหม้อแปลงไฟฟ้าทั่วไป ส่งผลให้มีขนาดเล็กกว่าและน้ำหนักเบากว่า นอกจากนี้ SST ยังมีประสิทธิภาพมากกว่าหม้อแปลงไฟฟ้าทั่วไปในสภาวะโหลดแปรผันหรือโหลดบางส่วน

ความแตกต่างด้านประสิทธิภาพจะยิ่งชัดเจนมากขึ้นเมื่อใช้ SST เพื่อทำหน้าที่เสริม เช่น การควบคุมแรงดันไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ การแก้ไขตัวประกอบกำลัง หรือการจัดการแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงได้จากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานลมหรือพลังงานแสงอาทิตย์

สถาปัตยกรรม SST บางประเภทสามารถรองรับการไหลของพลังงานแบบสองทิศทางสำหรับการบูรณาการระบบจัดเก็บพลังงาน SST สามารถชดเชยกำลังไฟฟ้าเชิงปฏิกิริยาและกรองฮาร์มอนิกได้ นอกจากนี้ยังสามารถออกแบบให้มีอินเทอร์เฟซที่ปรับเปลี่ยนได้ระหว่างพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสตรงในโครงข่ายไฟฟ้าและไมโครกริด

การพัฒนาสารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าแบบแถบพลังงานกว้าง (WBG) ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เทคโนโลยี SST กลายเป็นเทคโนโลยีที่ใช้งานได้จริง การใช้ WBG ช่วยให้สามารถใช้ความถี่ในการสวิตช์ที่สูงขึ้น และได้โซลูชันการแปลงพลังงานที่มีขนาดเล็กกว่าและราคาถูกกว่า

สถาปัตยกรรม SST ทั่วไป

โดยทั่วไปแล้ว SST จะใช้การออกแบบการแปลงพลังงานแบบสามขั้นตอนแบบคลาสสิก ซึ่งประกอบด้วยขั้นตอนการเรียงกระแสขาเข้า ขั้นตอน DC-DC ความถี่สูงที่ให้การแยกและการแปลงแรงดัน และขั้นตอนอินเวอร์เตอร์ขาออก ความแตกต่างของ SST คือแรงดันขาเข้าโดยทั่วไปจะเป็นแรงดันการกระจายไฟฟ้าจากโครงข่าย เช่น 3.6 kV หรือ 7.2 kV ในบางการออกแบบ อาจใช้แรงดันที่สูงกว่านี้เพื่อรองรับระดับพลังงานที่สูงขึ้น เช่น การบูรณาการพลังงานหมุนเวียน ( รูปที่ 1 )

โครงสร้างโทโพโลยีหลายระดับ

การใช้โครงสร้างวงจรแปลงไฟแบบโมดูลาร์หลายระดับ (MMC) ช่วยให้สามารถใช้อุปกรณ์จ่ายไฟ WBG แรงดันต่ำในการจัดการกับแรงดันสูงมาก เช่น แรงดันที่จำเป็นใน SST ได้ MMC จะเรียงเซลล์จ่ายไฟแรงดันต่ำหลายเซลล์ต่อกันแบบอนุกรมเพื่อจัดการกับการแปลงแรงดันสูง

แรงดันไฟฟ้าสูงจะถูกกระจายไปยังเซลล์แรงดันต่ำแต่ละเซลล์ ป้องกันไม่ให้เซลล์ใดเซลล์หนึ่งได้รับแรงดันไฟฟ้าสูงเกินไป เซลล์จะถูกเปิดและปิดตามลำดับที่กำหนด ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงที่มีรูปคลื่นคล้ายขั้นบันได ซึ่งเป็นการรวมผลรวมของเซลล์แรงดันต่ำแต่ละเซลล์

โครงสร้างแบบโมดูลาร์นี้ยังช่วยให้เพิ่มแรงดันไฟฟ้าได้ง่ายโดยการเพิ่มโมดูลเพิ่มเติม สามารถรองรับการออกแบบที่ทนต่อความผิดพลาดและความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้นซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานในระบบโครงข่ายไฟฟ้าและไมโครกริด

ระบบไมโครกริดเพื่อความยั่งยืนสูงสุด

ระบบ SST มีความจำเป็นต่อการสนับสนุนการใช้งานไมโครกริดอย่างแพร่หลาย ซึ่งจะช่วยเพิ่มความยั่งยืนโดยการทำให้กระแสไฟฟ้าไหลได้สองทิศทาง และบูรณาการพลังงานหมุนเวียนและแหล่งเก็บพลังงานได้อย่างราบรื่น

สิ่งนี้เกิดขึ้นได้จากการใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังขั้นสูงที่รองรับการควบคุมแรงดันและความถี่ การแยกความผิดพลาด และการจัดการพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่สามารถทำได้ด้วยหม้อแปลงไฟฟ้าแบบดั้งเดิม ทำให้ไมโครกริดมีความเสถียร มีประสิทธิภาพ และสามารถบูรณาการแหล่งพลังงานหมุนเวียนแบบกระจาย (DRERs) ที่หลากหลายและมักไม่ต่อเนื่อง เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม รวมถึงอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานแบบกระจาย (DESDs) ( รูปที่ 2 )

รูปที่ 2 ตัวอย่างสถาปัตยกรรมไมโครกริดแบบ SST (ภาพ: MDPI sustainability )

ด้วยการผสานรวมระบบควบคุมขั้นสูงและอัลกอริธึมปัญญาประดิษฐ์ (AI) ระบบ SST สามารถแยกไมโครกริดออกจากโครงข่ายไฟฟ้าหลักได้ในระหว่างที่เกิดข้อผิดพลาดหรือการบำรุงรักษา การผสมผสานระหว่าง AI และ SST สามารถขยายขอบเขตไปไกลกว่าไมโครกริดได้

ปัญญาประดิษฐ์, SSTs และระบบโครงข่ายไฟฟ้า

ตามที่นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติ (NREL) ระบุ ปัญญาประดิษฐ์ (AI) สามารถเป็นเทคโนโลยีพลิกโฉมที่จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและความยั่งยืนของระบบโครงข่ายไฟฟ้าหลักได้ และคาดว่าเทคโนโลยีระบบสนับสนุนการตัดสินใจ (SST) จะเป็นองค์ประกอบสำคัญในการเพิ่มประโยชน์สูงสุดที่ AI สัญญาไว้

ระบบ SST สามารถผสานรวมฟังก์ชันการตรวจสอบเพื่อให้ข้อมูลเชิงลึกแบบเรียลไทม์เกี่ยวกับการทำงานของโครงข่ายไฟฟ้า รวมถึงการผลิตพลังงานสีเขียวและการใช้พลังงาน อัลกอริทึม AI สามารถใช้ในการคาดการณ์ปริมาณไฟฟ้า ราคา และแนวโน้มตามความต้องการของโครงข่ายไฟฟ้าหรือผลผลิตพลังงานหมุนเวียน การผสมผสานระหว่างระบบ SST และ AI จะช่วยสนับสนุนการจัดหาไฟฟ้าที่ยั่งยืนและคุ้มค่า

สรุป

เทคโนโลยี SST เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่กำลังพัฒนาและมีศักยภาพที่จะปฏิวัติการผลิตและการกระจายพลังงาน การมีอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้า WBG ความถี่สูงจะเป็นสิ่งสำคัญในการทำให้ SST สามารถใช้งานได้ และการบูรณาการอัลกอริธึม AI จะช่วยเพิ่มประโยชน์ที่ได้รับจากการใช้ SST