技术综述
中压固态变压器：拓扑、控制与工程落地距离
MVSST Power 工程部 · 2026 年 9 月
传统配电变压器是一个纯被动器件：只改变电压，不参与任何控制。固态变压器（SST）用中频变压器（MFT）与两侧功率电子变换单元取代工频变压器。变压器磁芯尺寸与工作频率成反比——把隔离级从 50/60 Hz 提高到 1–100 kHz，磁路体积大幅缩小，同时获得电压调节、功率因数校正、直流接口与主动控制等被动变压器不具备的能力 [1]。
真正的难点从中压开始。当输入是 10 kV 或 35 kV 级配电馈线时，设计者比拼的不再是器件选型，而是架构选择本身。本文基于两篇 2025 年同行评议综述，梳理级数、整流级、隔离级三个核心决策，以及样机与电网资产之间仍然存在的系统级差距 [1][2]。
1. 级数是最先定、也最贵的决策
| 架构 | 得到什么 | 付出什么 |
|---|
| 单级（AC/AC 或 AC/DC） | 器件最少、功率密度最高、无直流母线电容体积 | 无直流环节储能：输出电压调节能力弱、纹波偏大、穿越能力差，难以高效接入中压直流或分布式电源 |
| 两级 | 直流母线放在中压侧（隔离前级）或低压侧（隔离后级），增加无功补偿、控制解耦与动态负载适应能力 | 器件更多、变换损耗更高、体积大于单级方案 |
| 三级（中压直流母线 + 低压直流母线） | 文献中最常见的 SST 结构：可控性最强、两侧都有直流接口、便于模块化扩展 | 器件数量与成本最高，需要稳定的控制环路更多 |
综述明确指出：没有一种配置全面占优。选择要在器件数量、模块化程度、是否需要直流环节、可控性与体积之间平衡。结论是——单级 SST 在经济性与功率密度优先的场景有吸引力，多级 SST 则因易于控制、设计灵活而同样可行 [1]。
2. 前端整流级决定电能质量
- 二极管整流——成本最低、结构最简单，但单向且电流波形差，只适合电能质量无硬性要求的场合。
- VIENNA 整流器——单向三电平集成升压整流器。三电平结构带来更低的电流纹波和更高的功率密度；在不需要双向功率传输时，性能优于其他升压型 PFC。
- SWISS 整流器——集成有源滤波整流器再加一级 Buck。效率更高、控制更简单，代价是额外的开关器件。
- 全桥 / 六开关升压型 PFC——需要双向功率流时最常用的 SST 整流结构，代价是结构更复杂、成本更高。
3. 单级方案的成败在矩阵变换器
不设直流母线时，AC/AC 矩阵变换器是主流选择：直接矩阵变换器（DMC）、间接矩阵变换器（IMC）及稀疏型变体。比拓扑名称更重要的，是三个工程特性 [1]：
- 固有降压特性——矩阵变换器输出电压最高只有输入的 0.871，直接限制了隔离级可用的电压窗口。
- 没有自然续流回路——感性负载（包括中频变压器本身）必须外加钳位电路，这是与可靠性直接相关的额外设计。
- 器件数量与导通损耗的取舍——DMC 开关负载更均衡、导通损耗更低，但开关更多；IMC 类似无储能直流母线变换器，在低输出频率下电流增大；稀疏型用无源器件换有源器件，超稀疏型则放弃部分无功控制能力。
目前 SST 应用中最常用的是三相转两相 DMC。单片双向开关（MBDS）可显著减少器件数量，但综述指出其商业化仍未成熟——单级方案的简洁，往往要用控制复杂度和器件应力来换。
4. 隔离级决定器件等级与成本曲线
现代 SST 的隔离级普遍采用双有源桥（DAB）、谐振型 DAB 或 LLC 类变换器 [1]。由于 10 kV 及以上无法由单个商用器件直接开关，级联结构需要串联低压/中压 SiC 模块——因此可用的 SiC 电压等级（1.2 kV、1.7 kV、2.3 kV、3.3 kV 以及研究阶段的 15 kV 器件）直接决定模块数量、绝缘配合、复杂度与成本。
公开的中压样机可以说明跨度：10 kV / 400 V、500 kVA 电力电子变压器；基于 15 kV SiC MOSFET 与电流源串联谐振变换器的 7.2 kV 单级 AC/AC SST；以及面向电网应用的 15 kV 级智能通用变压器 [1]。
有一点与直觉相反：SST 并不必然比普通工频变压器更高效。导通损耗与开关损耗使其效率低于单体工频变压器；但它可以比"工频变压器 + 它所替代的级联变换环节"整体更高效。所以效率必须按系统、按真实负载曲线比较，而不是只看器件级峰值 [1]。
5. 真正的差距在保护与协同，而非拓扑
第二篇综述关注"变换器做出来之后"的问题，其核心结论是：器件层面的成熟度与系统层面的就绪度之间存在明显落差 [2]。
- 故障电流——与被动工频变压器不同，SST 使用快速开关器件，提供的故障电流很小。传统过流保护建立在工频变压器的故障电流贡献之上，因此保护理念、测点布置与配合定值都必须围绕 SST 重新设计。
- 通信协同——与电网系统协同运行需要低时延通信，随之而来的是协议标准化与网络安全问题，这些是器件手册无法回答的。
- 系统就绪度——综述点名的落差集中在故障隔离、热可靠性与协调控制三块。评估时应采用效率、成本、保护兼容性、故障穿越等多指标框架，而不是单一指标对比。
6. 给中压 SST 选型方的六条建议
- 先定级数，再谈拓扑。是否需要中压/低压直流母线，这一个答案就能排除大部分设计空间。
- 把电能质量写成硬指标。明确谐波与功率因数限值，再决定用 VIENNA、SWISS 还是双向升压 PFC。
- 用电压等级核对器件供应。确认所选 SiC 等级是否已量产，能否支撑你的模块数量与绝缘方案。
- 要保护方案，不只是保护装置。问清楚故障电流、故障隔离与上游保护配合的实现方式。
- 按负载曲线比效率。单一峰值效率会掩盖决定实际电费的轻载表现。
- 要热与绝缘的证据。局放、热循环、湿热试验结果，是样机与电网资产的分界线。
中压 SST 的设计瓶颈，已经不在"概念能不能成立"，而在架构选择、保护理念与系统级工程能力。这些做扎实的团队，才会真正走向规模化。
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资料来源
- Predescu, D.-M.; Roșu, Ș.-G. "Solid State Transformers: A Review—Part I: Stages of Conversion and Topologies." Technologies 2025, 13(2), 74. 开放获取（CC BY）。DOI: 10.3390/technologies13020074
- Chandran, D.R.; Kumar, S.; Sanath, D. "Solid State Transformers: A Comprehensive Review of Technology, Topologies, Applications, Research Gaps, and Future Directions." Journal of Power and Energy Engineering 2025, 13(6). 开放获取。DOI: 10.4236/jpee.2025.136003
免责声明：本文基于上述公开同行评议资料编译，仅供行业技术交流参考。具体项目设计需结合项目条件进行专项工程分析。