【摘 要】直流微电网中固态变压器的应用面临经济性制约与系统级挑战。经济性方面，功率器件成本占比过高，如10 kV/500 kW系统中SiC模块占设备总投资的40%～50%，运维复杂导致全生命周期成本上升，且标准化缺失推高系统集成成本；系统级挑战包括直流故障保护技术滞后、多固态变压器并联环流抑制困难，以及与既有电网设备兼容性不足。针对上述问题，研究提出多维度优化策略，器件级通过宽禁带半导体（SiC/GaN）工程化应用与3D封装技术提升效率与功率密度；控制级采用模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）与分布式协同架构，将动态响应时间缩短至120 μs，环流抑制精度达98.7%；系统集成层面制定直流微电网接口标准，结合多时间尺度能量管理策略与储能协同配置，实现峰谷差率控制在15%以内。上述创新为固态变压器规模化应用奠定技术基础。

【关键词】固态变压器；直流微电网；宽禁带半导体；分布式协同控制

引言

随着新能源比例提升与电网智能化需求增长，固态变压器凭借高频变换、体积紧凑及可控性强等优势，成为直流微电网核心设备[1]。但固态变压器在实际应用时面临经济性与系统级双重挑战，高成本器件（如SiC模块）占设备总投资40%～50%，模块化架构推高运维复杂度；系统层面存在直流故障保护滞后、多机并联环流抑制困难，以及与传统电网设备兼容性不足等问题。现有研究多聚焦单一技术突破，缺乏从“器件—控制—系统”全链条的协同优化。本文系统梳理固态变压器在直流微电网中的关键挑战，提出器件级材料创新、控制级算法优化及系统级集成方案的多维度优化路径，推动固态变压器从实验室走向工程实践，为构建高效率、高可靠性的新型电力系统提供理论支撑。

一、固态变压器技术特性分析

（一）核心技术优势

固态变压器是电力电子装备中的一种创新形式，核心技术优势主要表现在三个维度上。一是以多端口柔性互联架构与交直流系统无缝连接，将其与主动式电能质量治理技术相结合，实现电压调节、谐波抑制和无功补偿等功能的同步进行，明显提高微网供电的可靠性；二是利用高频变换技术的广泛电压适配能力，可以支持从低压分布式电源到中压配电网的多级能量转换，配合即插即用的控制策略，实现新能源机组的快速并网和负荷的动态响应；三是以全控型电力电子器件和高速数字处理器为支撑，建设具有环境感知、状态评估和决策优化等功能的智能化系统，并采用多目标协同控制算法，达到电能传输效率和系统稳定性的双重提升。上述特点共同构筑固态变压器在直流微网技术中的领先优势。

（二）系统集成特性

固态变压器的系统集成特性可从几个层面深入解析。一是模块化架构采用标准化子模块并联设计进行灵活拓展，配合冗余配置和故障隔离机制支持故障模块无缝切换，确保系统在单个子模块出现异常情况下仍然能够连续稳定地工作。二是高频隔离技术能够将开关频率提升到数十千赫兹，显著减少变压器铁芯的尺寸和绕组匝数。结合平面磁集成技术，设备的体积和重量比传统的工频变压器降低超过70%，显著提高了空间适应性。三是多能源协同控制中的能量路由功能主要依靠分层式控制架构来完成，高层根据多目标优化算法来制定全局能量调度策略，低层采用实时功率分配对光伏，储能和负荷需求进行动态匹配，并在此基础上融入虚拟同步机技术以加强电网惯性支撑能力和系统适应新能源波动能力。以上特点共同构筑了直流微电网固态变压器高效、可靠和灵活系统集成的基础，也为多能源互补和电网智能化发展提供关键技术支持[2]。

（三）应用场景适配

固态变压器在应用场景适配方面展现出显著优势。作为交直流混合微网能量枢纽，多端口架构可同时连接380 V直流母线与10 kV交流电网，通过双向功率流控制实现交直流系统的解耦与协同运行[3]。配合分层控制策略，上层全局能量管理、下层实时功率分配，新能源消纳率提升至98%以上，有效解决多能源互补中的功率平衡问题。针对分布式新能源接入场景，固态变压器凭借宽电压输入范围200～1 000 V与毫秒级动态响应小于1 ms的特性，可快速适应光伏、风电等间歇性电源的波动特性。实际工程验证表明，在500 kW光伏并网系统中，最大功率点跟踪效率达99.2%，显著降低新能源发电的弃光率。电网故障穿越与黑启动场景中，集成储能单元的固态变压器通过惯性控制策略实现虚拟同步机功能，即使在电压跌落至20%的极端情况下仍能保持连续运行，完全符合IEEE 1547标准要求。