《Electronics》：Solid-State Transformers in Modern Distribution Grids: A Comprehensive Review of Principles, Topologies, Key Technologies, Applications, and Challenges
随着配电网复杂性的增加，系统对高效电能转换提出了更高要求。固态变压器（Solid-State Transformer, SST）作为将电力电子变换器与高频变压器（High-Frequency Transformer, HFT）集成的装置，已成为终端用户供电应用中的主要研究热点。研究人员首先对比了SST相对于传统变压器的技术优势，并系统阐述了其工作原理。随后，从拓扑演变、基于原型的工程验证以及新兴材料应用等角度回顾了SST的发展轨迹。进而，对当前主流拓扑进行了分类总结，并识别了核心器件与关键控制技术，包括碳化硅（SiC）器件和先进软磁材料。最后，介绍了SST在数据中心、智能电网和充电站等场景中的代表性应用，并总结讨论了未来的研究方向与挑战。该研究阐明了SST的技术演进与现存瓶颈，为配电网的高质量高灵活运行提供了有益参考，并为SST的后续工程部署指明了方向。
2 固态变压器的工作原理与发展历程
2.1 固态变压器的工作原理
SST由电力电子变换器和高频变压器（HFT）两个关键组件构成。电力电子变换器主要实现谐波抑制、相位与频率控制；HFT则实现原副边系统的电气隔离及电压等级转换。通过适当的控制策略，SST可有效改善电能质量。铁芯和绕组的最大允许温升以及铁芯材料的饱和磁通密度是决定变压器尺寸的主要因素。在给定电压和允许磁通摆幅条件下，提高工作频率可减小所需铁芯尺寸，从而降低变压器体积。
根据整体拓扑中是否存在直流环节，SST拓扑可分为两大类：一类是无直流环节的直接交流/交流（AC/AC）变换；另一类是包含直流环节的交流/直流/交流（AC/DC/AC）变换。AC/AC型SST具有体积小、重量轻、结构简单的优点，但可控性有限，二次侧波形基本复现一次侧波形，难以有效控制通过电力电子变压器的功率流动。相比之下，AC/DC/AC型SST虽然所需器件更多、结构更复杂，但具备更完善的控制策略，通过脉宽调制（PWM）可有效控制变压器原副边的电压、电流和功率，保证优良的电能质量，且一次侧功率因数可调，因此具有较强的实用价值，有望成为电力系统应用的未来研究重点。
2.2 固态变压器技术的演进
SST技术的演进经历了四个阶段：理论探索与概念确立阶段、架构形成与原型验证阶段、工程示范与场景化部署阶段、以及器件升级与性能迭代阶段。
2.2.1 理论探索与概念确立阶段
20世纪70年代，首个高频链式AC/AC变换电路被提出，标志着SST Irving技术的理论起点。1980年，"固态变压器"术语被正式引入，规范了该技术名称。自1995年起，美国海军和研究等机构开展了电力变换的相关研究，开发了基于AC/AC和DC/AC变换的实验原型，验证了概念的技术可行性。然而，受限于早期器件性能，这些原型仍存在谐波抑制不足、缺乏电气隔离等实际缺陷。1999年，一种由输入级、隔离级和输出级组成的新型拓扑被提出，标志着SST核心架构的初步实现。此后，由于功率半导体器件的限制，SST发展趋缓，但其理论框架基本成型，为后续研究奠定了基础。
2.2.2 架构形成与原型验证阶段
2008年，美国国家科学基金会未来可再生能源输送与管理系统工程研究中心（FREEDM）正式采用SST作为其核心装置名称，并明确了三阶段标准架构。随着宽禁带（Wide-Bandgap, WBG）半导体器件如SiC和GaN的技术突破与广泛应用，北卡罗来纳州立大学FREEDM中心开始探索SiC器件在SST中的应用。其第二代基于15 kV SiC MOSFET的SST简化了整体结构，将开关频率提升至20 kHz。至此，SST基本架构已成型，但由于15 kV SiC MOSFET的制造费用、封装、热管理和控制协调尚不成熟，SST发展仍处于原型阶段。
2.2.3 工程示范与应用阶段
2014年，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）设计了1 MVA SST以满足智能电网对大容量SST的需求，整流级和隔离级采用二极管箝位三电平结构，提高了输入侧耐压能力，大幅减少模块数量，并将开关频率提升至20 kHz。2015年，华中科技大学毛承雄教授团队开发的10 kV/500 kVA工业原型在武汉钢铁电网完成试运行，这是SST在全球实际电力系统中的首次成功应用。此后，中国研究进展迅速。2018年，华中科技大学与中国电力科学研究院电工研究所联合研发了基于模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）的SST，除常规电压变换外还提供电能质量调节功能，适用于三相平衡负载场景，已成为当今主流拓扑之一。同期，浙江大学提出了磁组件与储能集成的拓扑，将光伏功率波动抑制在±5%以内。SST逐渐从实验室原型走向现场试运行，工程应用和实用拓扑日趋成熟。
2.2.4 器件升级与性能迭代阶段
自2020年代初以来，SST向更高开关频率（通常高于10 kHz）发展。同时，第三代半导体器件如SiC器件快速发展，非晶和纳米晶等高频低损耗铁芯材料在中低压交直流系统、分布式可再生能源系统和新兴直流负荷枢纽中得到广泛应用，推动SST稳步从实验室原型阶段向中高压、大容量、高功率密度应用迈进。2025年，英伟达（NVIDIA）发布白皮书《为高效、可扩展的人工智能工厂构建800 V
DC生态系统》，将SST确定为未来人工智能数据中心有前景的供电解决方案，标志着SST应用场景的进一步拓展。
3 固态变压器拓扑
根据功率变换级数，SST拓扑可分为三类：单级结构、两级结构和三级结构。其中，两级结构可进一步分为隔离变压器置于变换级之前或之后两种配置。单级拓扑结构简单、转换效率高、具有双向功率传输能力，但功能有限，电网侧无法提供功率因数校正，仅适用于特殊低压、低功率应用，无法用于中压配电网。两级SST虽在一定程度上简化了整体结构，但所需模块数量翻倍，且因纹波电流较大需要更大的平波电感，可实现功率因数有限，在可控性方面也不及三级SST，难以适应模块化中压级联拓扑和多端口应用，因此在近期工程实践和前沿研究中受到较少青睐。
三级SST结构一般包括变换器、直流母线和HFT等主要组件，是目前讨论最广泛的SST拓扑，主要分为三种典型形式：级联H桥（Cascaded H-Bridge, CHB）、模块化多电平变换器（MMC）和中点箝位（Neutral Point Clamped, NPC）拓扑。CHB拓扑具有高度模块化、易于扩展、控制策略相对简单的优点，但需要大量变换器和HFT，在中压配电网场景中配置较复杂。NPC拓扑仅有一个高压输入端口，可大幅减少所需HFT数量，但难以模块化扩展，需要较多箝位二极管，电压平衡控制更具挑战性。MMC拓扑与CHB结构相比，并未减少所需功率半导体器件数量，但简化了子模块的内部控制和门极驱动布线，相较于CHB结构的分布式布局，在系统集成和空间利用方面具有显著优势，更适合高压应用的模块化部署；且直流母线、直流电源和直流负荷等元件可直接通过SST连接，减少了功率变换级数，提高了转换效率。然而，该结构不太适合高压、大功率应用，高压侧功率器件的串联引入了电压平衡和可靠性问题，增加了成本和设计难度。
综合比较表明，CHB拓扑结构清晰、可扩展性好、控制成熟，相比MMC拓扑具有更强的冗余性和更便捷的维护性，相比NPC拓扑具有更好的可扩展性且无需复杂的箝位结构。在中压配电网场景中，CHB拓扑的整体性能更符合实际工程需求，且各阶段配置可灵活组合，能够衍生出多种适应性更强的新拓扑，因此已成为当前主流解决方案和中压领域SST拓扑的工程演进方向。
新兴拓扑大多为三级SST的延伸。级联多端口SST通过集成多绕组HFT或并联多模块技术，实现中高压电网的直接接入，同时兼容交流负载、直流电源和储能系统等多种设备，作为交直流混合配电网的能量路由器。此外，基于开关电容结构的MMC-SST拓扑由半桥MMC模块和开关电容互联电路组成，通过隔离变压器实现子模块电容和低压直流母线的电压平衡，在隔离级电压端口可采用开环控制，低压端口数量较多时优势更为突出，具有固有的电压自平衡能力；且子模块的低频纹波电流通过隔离变压器转移至高压交流母线，由于纹波电流的三相对称性，大部分纹波耦合被自然抵消，无需专用纹波抑制和环流抑制措施。
4 核心组件与关键控制技术
4.1 核心组件
4.1.1 功率半导体器件
功率半导体器件是SST的核心开关单元，其电压等级、开关频率、功率损耗和温度等参数直接决定SST的工作频率、能量转换效率和整体设计。长期以来，硅基功率半导体器件因制造工艺成熟、成本低廉而成为电力电子的技术基础，但难以满足SST对高开关频率和高电压运行的要求，已成为制约SST进一步发展的重要瓶颈。与常规硅器件相比，SiC和GaN等宽禁带（WBG）器件具有更高的击穿电场、更好的热导率和更快的开关速度，可显著降低导通和开关损耗，提高工作频率，减小HFT尺寸，其优异的电气和热性能与SST高开关频率、低损耗的核心要求高度契合，有望成为SST工程应用的首选器件。
4.1.2 高频磁性元件
HFT是实现SST高功率密度和高频隔离的核心组件，其中铁芯材料对变压器性能、损耗和功率密度具有决定性影响。对于400 Hz至20 kHz工作的高压、大功率变压器，候选铁芯材料一般包括硅钢、铁氧体、非晶合金和纳米晶材料。硅钢具有高磁导率和高饱和磁通密度，但高频损耗大；铁氧体损耗相对较低、成本较低，但饱和磁通密度低，导致铁芯体积较大；铁基非晶合金可提供高达1.56 T的饱和磁通密度，损耗处于中等水平，适用于数百赫兹至数千赫兹的HFT铁芯；钴基非晶材料损耗远低于铁基非晶材料，但饱和磁通密度也较低。综合考虑功率密度和损耗，纳米晶材料成为首选，其饱和磁通密度远高于铁氧体，损耗在这些材料中最低，但价格通常较高，且原材料一般以卷绕带材供应，实际变压器设计中需要额外的加工处理。
4.2 关键控制技术
4.2.1 输入级AC/DC控制技术
以主流CHB拓扑为例，常规线性控制策略控制结构成熟、工程化程度高、固定频率下性能稳定，但变频条件下需要针对性优化。滑模控制（Sliding-Mode Control, SMC）因动态响应更好、抗扰动能力更强而被广泛应用于改善变频运行控制性能。模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）因多目标优化能力强、变频适应性好而成为近年研究热点，但CHB级联多模块结构导致开关状态组合急剧增加，控制环路计算量大幅上升，限制了其直接工程应用。为此，研究人员提出了调制型MPC、开关状态预选、多阶段优化和预定义开关序列等轻量化策略，在降低计算需求的同时有效抑制稳态误差，推动MPC实用化。为满足高比例可再生能源条件下系统惯性和一次调频要求，构网型（Grid-Forming, GFM）控制逐渐适配至CHB平台，通过虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）和下垂控制等策略，提供主动电压支撑、惯性响应和一次调频，有效增强所连电网的稳定性和抗扰能力。
目前，常规线性PI控制因技术成熟度和可靠性优势仍是工程部署的核心策略；轻量化模型预测控制正快速走向实用化，有望成为下一代主流方案；构网型控制则代表了高比例可再生能源电力系统的关键发展方向，可能成为未来电力系统的必备控制技术。
4.2.2 隔离级DC/DC控制技术
隔离型DC/DC变换器是SST实现高频电气隔离和电压变换的核心级，主要目标是维持低压直流（LVDC）母线稳定，实现中/高压直流侧至LVDC侧的功率传输。主流拓扑中，双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）变换器得到广泛应用，该拓扑由对称配置的全控桥臂和高频磁耦合单元组成，通过调节变压器原副边电压之间的移相角，实现电流大小和方向的精确控制。
从建模角度，DAB动态特性受移相角、变压器漏感、端口电压比、负载变化和开关频率影响，已发展出平均值模型、小信号模型、离散时间模型和广义状态空间模型用于控制器设计和稳定性分析。单移相（Single-Phase-Shift, SPS）调制因简单且动态响应快仍为主流方法，但电压失配或轻载时可能产生环流或无功功率。双移相（DPS）、扩展移相（EPS）、三移相（TPS）和非对称占空比调制等多自由度策略被提出以扩展零电压开关（ZVS）工作范围、降低有效值电流和无功功率。在模块化SST中，多个DAB单元需要电压平衡和功率均分控制以防止过压、过流或热应力。效率可通过扩展软开关、最小电流应力控制、无功功率最小化和协调参数设计等进一步优化。
控制架构通常采用外层LVDC母线电压控制器结合内层功率或电流控制器。除常规PI控制外，MPC、SMC、基于扰动观测器的控制（Disturbance-Observer-Based Control, DOB）、自适应控制和智能优化等先进方法被应用于改善动态性能、鲁棒性和容错能力。SPS控制因简单和快速响应仍是实际工程选择，而ZVS等软开关技术可进一步提高转换效率、降低热应力并延长器件寿命。
4.2.3 输出级DC/AC控制技术
低压侧DC/AC变换器的控制模式由系统应用场景决定，可运行于构网型（GFM）和跟网型（Grid-Following, GFL）两种基本模式。GFM模式下，变换器需要在次暂态和暂态期间保持内部电压相量的稳定性，可通过VSG、可调度虚拟振荡器控制和复数下垂控制等方法实现。GFL模式下，控制原理与中高压侧类似，采用电流闭环实现对无功功率、谐波功率的灵活调节，低压电网控制和服务模块可根据运行要求选择有功功率偏差、频率偏差和电压偏差等信号作为反馈变量或参考输入。
并网运行时，基于GFL的PI双环电流控制因结构成熟、可靠性高而占据主导地位；孤岛和微电网场景中，GFM的VSG控制和下垂控制成为主流方案，因其提供惯性支撑和电压-频率稳定性。SST因控制方案多样、可扩展性和模块化特性而表现出高度灵活性，在实现常规隔离和电压变换功能的同时，提供比有载分接开关快得多的动态电网服务，满足现代配电网的多样化运行需求。
5 应用场景与示范工程
5.1 应用场景
SST主要应用于高密度、高可靠性供电场景，包括数据中心、电动汽车（EV）充电站、未来电力系统中的可再生能源并网、交直流混合配电网、微电网、轨道交通系统和智慧城市等。
在数据中心场景中，传统方案采用基于不间断电源（UPS）和工频变压器的交流配电架构，存在结构复杂、效率相对较低、占用空间大、可靠性有限、运维成本高等问题，且220 V交流架构与分布式光伏、储能和燃料电池等匹配不佳。SST通过替代UPS和配电变压器，将电压变换、电气隔离、电能质量调节、储能协调和多端口接入集成到统一平台，通过中压供电和设施级直流配电简化供电架构，同时实现高可靠性、高效率和高功率密度，与数据中心核心需求高度契合。
在充电站场景中，传统方案存在体积大、转换效率低、系统架构复杂等问题，难以适应超快充所需的容量扩展。SST显著减小体积和重量，效率提升至98%以上，支持毫秒级功率调节和双向能量流动，能够快速响应时变电网需求，实现削峰填谷，非常适用于现代充换电系统需求。
在智能配电网和微电网场景中，SST采用基于直流母线的架构简化系统结构，通过直流互联实现分布式资源的灵活快速集成，支持高效就地消纳和盈余功率上网，降低运行损耗，提高可再生能源承载能力，可作为能量路由器为太阳能、风能等分布式能源提供高效智能接口，同时建立稳定可靠的直流微电网。
在军事和特种工业应用中，电气化交通平台、舰船和飞行器等对供电设备的尺寸、重量和电能质量要求严苛。SST可提高设计灵活性和能源利用效率，在超导配电系统中提供紧凑轻量的电力传输方案，在舰船直流配电系统中提升整体能源效率。
5.2 示范应用
自2011年以来，SST逐步进入工程应用和实际部署，全球范围内多个研究和工业项目推动了SST的发展。SST正逐步从试点示范向大规模应用过渡，其在增强电网灵活性、促进可再生能源集成、支持高密度负荷供电和推进交通电气化方面的价值日益凸显，成为未来能源互联网和下一代电力系统的关键技术之一。
6 固态变压器面临的挑战
6.1 技术挑战
SST的拓扑架构和器件级运行特性使其面临远比传统变压器更为严峻的可靠性和寿命挑战，主要技术难点集中于硬件和控制两个维度。
硬件层面，中高压SST普遍采用多电平或三级拓扑，大量功率开关器件、电容、电感和控制模块通过多单元串联和多模块并联集成，潜在故障点数量急剧增加，任一器件故障可能导致系统停机甚至级联故障。尽管SiC和GaN等WBG器件为高频运行提供了基础，但高频开关损耗与密集器件封装导致的局部热点使热管理成为关键挑战，现有风冷和液冷方案在极端工况下仍难以实现精确温度调控，增加了器件老化和热失控风险。此外，SST的多端口和多电平特性导致故障模式日益多样且强耦合，故障特征易受高频谐波干扰，而复杂拓扑下多故障耦合识别和弱早期故障预警技术尚不成熟，缺乏标准化故障诊断框架。
控制层面，SST的多端口和多电平特性对响应速度、鲁棒性和稳定性提出极严苛要求。控制目标方面，SST需同时满足网侧电能质量调节、负荷侧精确供电和储能侧能量管理等多重任务，这些目标强耦合，协调优化极具挑战性。拓扑角度，多电平和多模块并联结构使被控对象呈现高维、非线性和强耦合特性，需有效解决电容电压平衡和模块间均流等问题。高频运行对传统线性控制方法构成挑战，而先进非线性算法在嵌入式控制器中同时保证准确性和实时性仍面临瓶颈。弱电网阻抗波动和负荷突变等运行条件进一步增加了控制难度，现有自适应算法在动态响应和系统稳定性平衡方面仍需改进。
6.2 应用挑战
SST实用化面临高系统成本、热管理、电磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC）、可靠性以及高频磁集成等关键瓶颈限制其大规模商业化。
系统成本方面，主要贡献者为功率半导体器件和HFT。WBG器件制造和封装工艺复杂，单器件成本远超常规硅基元件；中高压SST所需的多级拓扑需数十甚至数百个功率器件串并联，显著推高系统成本。HFT工作于千赫兹级开关频率，需采用铁氧体或纳米晶合金等低损耗软磁铁芯，绕组通常采用利兹线（Litz wire）以降低集肤效应和邻近效应，这些材料和结构比工频变压器所用硅钢叠片和常规铜绕组昂贵得多，且高度定制化和量产困难进一步削弱了SST的成本竞争力。
热管理方面，高频开关导致损耗集中于小芯片级区域，产生极高热流密度，而高功率密度所需的紧凑设计压缩了可用冷却空间，传统风冷不足。SST混合了功率器件、HFT和滤波电容等热特性不同的元件，多模块级联结构可能导致热分布不均和局部热点，加速器件老化或触发热失控。液冷、热管和浸没式冷却等先进技术可提升热性能，但增加系统复杂度、体积和成本，形成热性能、紧凑性和整体成本之间的权衡。
EMC方面，高频开关产生的高dv/dt和di/dt，以及HFT漏磁与周围金属结构的耦合，是电磁干扰的主要来源。常规滤波器效果有限，改善抑制通常需要更大更重的元件，与SST小型化轻量化目标冲突。多端口架构引入多条干扰路径，EMC特性高度依赖于拓扑、控制策略、开关条件和工作场景，多变换器协调运行可能进一步加剧系统级EMC问题，使全面标准化的EMC设计困难。
可靠性方面，SST复杂结构和高频运行带来固有风险。系统包含众多功率器件、电容、电感和控制芯片，任一组件故障可导致系统停机，串联可靠性随组件数量增加呈指数下降，使多模块级联中高压SST固有可靠性低于简单低频变压器。高频运行加速器件老化，WBG器件在高频高温条件下的长期可靠性数据仍然有限，高频交变场下绝缘和磁性材料退化机制也尚未完全明晰，系统在电网故障或雷击下的 resilience 有待进一步研究。高频磁集成可将多个电感和变压器整合至单一磁芯，显著减小尺寸和重量，但引入磁耦合干扰、多绕组设计复杂和局部损耗更高等问题，增加了热管理复杂度。
7 结论与未来展望
SST正推动电力系统从传统无源网络向更高灵活性和智能化演进。本综述总结了其工作原理、拓扑变体、关键组件考虑、控制技术和代表性应用。目前，SST正从实验室原型向实际工程示范过渡。
器件层面，高压SiC和GaN宽禁带器件的广泛采用，正推动高频、高压和高温条件下的效率和功率密度提升。三级SST通常采用CHB或MMC拓扑，在中压原型中得到广泛采用，已有若干工程示范报道，但全面商业部署仍有限。
系统层面，模块化多电平和多端口架构（包括MMC和CHB拓扑）正接近工业可行性，提供灵活的交直流接口和功率流控制。
控制层面，常规线性控制正逐步让位于智能控制。基于模型预测控制、强化学习和数字孪生技术的控制架构正在探索中，以改善多端口、多目标和多时间尺度复杂工况下的多目标优化、自适应运行、状态监测和预测性维护，同时增强系统的故障自感知、自诊断和自恢复能力。然而，这些基于人工智能和数字孪生的方法仍处于研究和试点实施阶段。
SST正从低压和中压场景向中高压配电网、数据中心供电和超快充站等关键应用领域扩展，在选定场景中作为常规工频变压器的替代方案被探索应用。
未来，随着WBG器件成本进一步下降、磁集成技术成熟以及智能控制算法在实际工程系统中实现，SST有望成为分布式能源高比例渗透和电网数字化程度不断提高条件下，下一代基于电力电子的电力系统中的关键枢纽设备。
