再谈SST系列2：SST固态变压器智能控制算法和均压控制的具体实现原理与技术分析

原创 磁性元器达人 磁性元器达人 磁性元件达人 2026年1月31日 07:35 广东 

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一、SST（固态变压器）的智能控制算法是一个分层、多维度的复杂系统。它不仅仅是为了完成电压转换，更是为了实现毫秒级响应、自我诊断以及与电网的智能互动。

结合最新的技术发展，特别是AI算力的注入，SST的智能控制算法可以从底层电力电子控制和上层智能优化两个层面来理解：

1. 底层：先进电力电子控制算法
这一层负责具体的电流、电压调节，确保设备高效、稳定运行。它针对SST内部不同的电路拓扑采用了专门的算法：
*   高频DC/DC级控制（核心难点）
      双有源桥（DAB）移相控制：这是目前主流的隔离方案。算法通过精确调节原边和副边全桥之间的移相角（Phase Shift）来控制能量传输。为了防止器件损坏，算法中包含严格的三阶段软启动策略（开环占空比斜坡 -> 移相角斜坡 -> 闭环切入），以抑制启动时的冲击电流。
    LLC谐振控制：在轻载或待机模式下，算法会切换至Burst Mode（突发模式/打嗝模式），通过间歇性发波来降低损耗。为了防止产生噪音，先进算法会采用“软进软出”策略，平滑地开启和关闭脉冲。
    双向控制逻辑：对于支持V2G（车辆到电网）或储能充放电的SST，算法需要根据功率流向实时切换控制模式（正向模式由原边控制，反向模式由副边控制），并确保切换过程无冲击。

均压与环流抑制
    输入串联输出并联（ISOP）均压控制：在高压应用中，多个模块串联时，算法通过“公共电压环+独立均压环”的双环架构，实时调整各模块的频率或相位，强制各模块分担的电压均衡。
    模块化多电平（MMC）环流抑制：对于基于MMC的SST，算法需要额外计算并注入特定的环流分量，以抑制相间和模块间的环流，降低损耗。

2. 上层：AI与智能优化算法
这是SST区别于传统变压器的关键，也是目前最新的技术趋势。这一层算法让SST具备了“大脑”。

* AI驱动的效率优化
    动态参数调整：SST是一个多端口、非线性的复杂系统。传统的固定参数PI控制器难以适应所有工况。最新的设计引入深度学习或强化学习算法，通过分析海量的运行数据（电压、电流、温度），实时动态优化开关频率、相位控制等参数，使SST始终工作在全局最优效率点（例如在98%以上的高效率区间运行）。

   预测性维护（PdM）
    寿命预测：通过内置传感器采集的数据，AI模型可以分析电容、功率器件的老化特征。算法能够预测关键部件的剩余使用寿命（RUL），将传统的“定期检修”转变为“按需维护”，极大提升了系统可靠性。

协同调度与自适应
    集群协同：在复杂的配电网中，多个SST需要协同工作。上层调度算法（如多智能体系统）可以让SST集群根据整体负荷变化、新能源出力波动，进行自适应调节与能量智能分配。
    虚拟同步机（VSG）技术：算法模拟同步电机的惯量和阻尼特性，让SST在电网频率波动时能像传统发电机一样提供支撑，增强电网的稳定性。

3. 关键控制策略汇总
为了更直观地理解，我们可以通过下表总结SST在不同场景下的关键控制策略：

控制层级   核心目标   典型算法/策略
器件级   防止冲击、确保安全   软启动算法（开环斜坡+闭环切入）、Burst Mode（轻载降耗）
模块级   均衡负载、抑制干扰   双闭环控制（电压外环+电流内环）、均压控制（差分环调节）、环流抑制
系统级   提升效率、稳定电网   AI动态寻优（深度学习/强化学习）、虚拟同步机（VSG）、分层功率管理
二、固态变压器（SST）之所以需要复杂的均压控制，是因为它通常工作在中高压环境，受限于功率器件的耐压能力，必须采用多模块串联（如输入串联ISOP、级联H桥）的方式来分担电压。如果各模块分担的电压不均衡，耐压弱的模块就会被击穿。因此，均压控制是SST安全运行的“生命线”。其实现方式主要分为硬件辅助和软件算法两大类，现代SST通常采用两者结合的策略。

以下是SST均压控制的具体实现原理与技术：

1. 硬件辅助均压（基础保障）

这是最基础的物理层手段，主要用于应对静态电压不均衡（即器件参数差异导致的分压不均）。

* 均压电阻（静态均压）：在每个串联的电容或开关管两端并联高阻值电阻。这能强制让流过每个模块的漏电流趋于一致，从而平衡静态电压。

* 缓冲电路（动态均压）：在开关过程中，由于杂散参数不同，电压尖峰会出现不均。RC缓冲电路（Snubber）可以吸收这些尖峰，减少动态过程中的电压差异。

* 低感母排设计：通过优化物理布局（如使用叠层母排），将功率回路的杂散电感控制在极低水平（如5nH以下），从而减少因电感差异导致的电压震荡不一致。

2. 软件算法均压（核心手段）

硬件手段只能解决基础问题，无法应对负载波动、输入变化等动态工况。软件算法通过实时监测和调节，是实现高精度均压的关键。

A. 基于“偏差反馈”的独立控制

这是针对半桥或全桥模块的常见策略。

*   原理：控制系统会实时采集每个串联模块的电容电压。

*执行：计算出电压差（V_{dc1} - V_{dc2}），然后通过独立的PI调节器生成补偿信号。

* 调节：根据电压差的大小，调节功率开关器件（如Q1、Q2）的占空比或移相角。例如，若上管电压偏高，算法会略微调整波形，让电感电流多给上管电容充一点电（或从下管多抽一点电），从而拉平电压差。

B. 载波移相与调制波补偿（针对级联H桥）

在级联H桥（CHB）型SST中，利用特殊的调制技术实现均压。

*  载波移相（PDM）：各模块使用相同的调制波，但载波相位依次错开。这不仅能提高等效开关频率，还能通过高频纹波电流的相互抵消，自然改善电压均衡特性。

* 零序电压注入：当各模块直流侧电压出现偏差时，算法会在调制波中注入特定的零序分量（直流分量或特定次谐波）。这种注入不会影响输出电压的基波，但能改变各模块的充放电时间，从而实现能量在模块间的转移和均衡。

C. 功率均衡控制（双闭环策略）

这是一种更高层级的控制逻辑，常用于DC/DC变换级。

* 电压外环：监测总输出电压，维持稳态。

* 均压内环：专门负责计算各模块的功率分配。如果发现某个模块电压偏低，说明它输出功率过多，控制器就会调整该模块的驱动信号（如减小移相角），降低其输出功率，让电压回升。

3. 智能化策略：分段式控制

为了解决轻载时均压困难的问题（因为信号太小，控制精度不够），SST采用了分段式策略：

* 轻载/空载模式：此时系统主要依靠高带宽的均压环进行微调。如果压差很小，在允许的波动范围内，系统可能不启动均压，以减少不必要的损耗。

*   重载模式：系统切换至功率均衡模式。此时利用负载电流本身较大的特性，通过调节各模块的输出电流占比来实现均压，效果更显著。

总结

SST的均压控制是一个“软硬兼施”的系统工程：

1.  硬件（电阻、母排）打好地基，解决静态不均；

2.  算法（PI调节、移相控制、零序注入）作为大脑，解决动态不均；

3.  光纤通信（延迟<50ns）作为神经，确保几十甚至上百个模块步调一致。

正是这些技术的配合，才使得SST能够稳定地在数千伏甚至上万伏的电压下安全工作。

总结
SST的智能控制算法不再是单一的PID调节，而是“底层硬实时控制 + 上层软AI优化”的结合体。正是这些算法的加持，使得SST能够实现毫秒级的故障隔离和响应，成为AI数据中心和新型电力系统中不可或缺的“能源调度师”。