Ontwerp van 'n Vierpoort-Vaste-toestand-Transformer: Effektiewe Integrasie-oplossing vir Mikrovervoer-nette

Die gebruik van krag-elektronika in die nywerheid neem toe, wat wissel van klein-skaal toepassings soos oplaaiers vir batterye en LED-bestuurders, tot groot-skaal toepassings soos fotovoltaïese (PV) stelsels en elektriese voertuie. Tipies bestaan 'n kragstelsel uit drie dele: kragstasies, oorspansisteelsels, en verspreidingsisteme. Tradisioneel word lae-frekwensietransformateurs vir twee doeleindes gebruik: elektriese isolering en spanningsvergelyking. Egter, 50-/60-Hz transformateurs is omvangryk en swaar. Kragomsetters word gebruik om verenigbaarheid tussen nuwe en bestaande kragstelsels te bewerkstellig, deur die konsep van vaste-toestand transformateurs (SSTs) te benut. Deur hoë- of mediumfrekwensiekragomsetting te gebruik, verminder SSTs die grootte van transformateurs en bied 'n hoër kragdichtheid in vergelyking met konvensionele transformateurs.

Vordering in magneetmateriaal—met hoë fluxdigtheid, hoë krag- en frekwensie-vermoë, en lae kragverlies—het navorsers in staat gestel om SSTs met hoë kragdichtheid en effektiwiteit te ontwikkel. In die meeste gevalle het navorsing gefokus op tradisionele dubbel-winding transformateurs. Egter, die toenemende integrasie van verspreide generasie, tesame met die ontwikkeling van slimnette en mikronette, het gelei tot die konsep van multi-porthaving vaste-toestand transformateurs (MPSST).

By elke poort van die omsteller word 'n dubbele aktiewe brug (DAB) omsteller gebruik, wat die transformateur se lek-induktans as die omsteller se induktor benut. Dit verminder die grootte deur die behoefte aan addisionele induktore te elimineer en verlaag ook verliese. Lek-induktans hang af van winding-plasing, kerngeometrie, en koppelingkoëffisiënt, wat transformateurontwerp meer kompleks maak. Faseverskuifbestuur word in DAB omsetters gebruik om kragvloei tussen poorte te reguleer. Egter, in 'n MPSST beïnvloed faseverskuif by een poort die kragvloei by ander poorte, wat die bestuurskompleksiteit met die aantal poorte verhoog. As gevolg daarvan fokus die meeste MPSST-navorsing op drie-poortsisteme.

Hierdie artikel fokus op die ontwerp van 'n vaste-toestand transformator vir mikrogrid-toepassings. Die transformator integreer vier poorte op 'n enkele magneetkern. Dit werk by 'n skakelfrekwensie van 50 kHz, met elke poort gerateer vir 25 kW. Die poortkonfigurasie verteenwoordig 'n realistiese mikrogrid-model wat die nutsvoorsiening, energieopslagsisteem, fotovoltaïese stelsel, en plaaslike belasting insluit. Die gridpoort werk by 4,160 VAC, terwyl die ander drie poorte by 400 V werk.

Vier-Poort SST

Transformateur Ontwerp

Tabel 1 wys verskeie algemeen gebruikte materiaal vir die vervaardiging van transformateurkerne, saam met hul voordele en nadele. Die doel is om 'n materiaal te kies wat in staat is om 25 kW per poort by 'n 50 kHz bedryfsfrekwensie te ondersteun. Kommersieel beskikbare transformateurkernmateriaal sluit silikonstaal, amorfe legering, ferriet, en nanokristallien in. Vir die doeltoepassing—'n vier-poort transformateur wat by 50 kHz met 25 kW per poort werk—moet die mees geskikte kernmateriaal geïdentifiseer word. Deur die tabel te analiseer, word beide nanokristallien en ferriet as potensiële kandidate gekies. Egter, nanokristallien toon hoër kragverliese by skakelfrekwensies bo 20 kHz. Daarom word ferriet uiteindelik as die kernmateriaal vir die transformateur gekies.

Verskillende Kernmateriaal en Hul Kenmerke

Transformateurkernontwerp is ook krities, want dit beïnvloed kompaktheid, kragdichtheid, en algehele grootte—maar belangrik, dit beïnvloed die transformateur se lek-induktans. Vir 'n 330-kW, 50-Hz dubbel-poort transformateur is kernvorms soos kern-tipe en skulp-tipe vergelyk, wat wys dat die skulp-tipe konfigurasie laer lek-induktans en gladere kragvloei bied. Daarom sal 'n skulp-tipe konfigurasie gebruik word, met al vier windings koncentriek op die middelste been van die transformateur gestapel, wat die koppelingkoëffisiënt verbeter.

Die skulp-tipe kern meet 186×152×30 mm, en die ferrietmateriaal wat gebruik word, is 3C94 in 'n 4xU93×76×30 mm konfigurasie. Litz draad word gebruik vir die winding van sowel die medium-spanning (MV) as hoë-stroom poorte, wat onderskeidelik 3.42 A en 62.5 A gerateer is. Vir die lae-spanning (LV) poorte word 16 AWG en 4 AWG drade gebruik. Deur die LV windings saam te draai, word die magneetkoppeling verder verbeter.

Na voltooiing van die voorgestelde MV MPSST-ontwerp, word Maxwell-3D/Simplorer simulasies uitgevoer. Die poortspannings vir die medium-spanning rooster, energieopslag, belasting, en fotovoltaïese stelsels word onderskeidelik ingestel op 7.2 kVDC en 400 VDC. Simulasies word onder volle belasting uitgevoer, met die belastingspoort wat 25 kW by 'n skakelfrekwensie van 50 kHz en 'n 50% pligtyf verleen. Kragbestuur word bereik deur die faseverskuif tussen omsteller selle te verstel. Resultate word in die tabel aangebied. Verskillende modelle vertoon verskillende kenmerke soos kernvorm, doorsnedevermoë, verlies, en volume. Soos in die tabel getoon word, demonstreer Model 7 laer lek-induktans en hoër effektiwiteit.

Model en Simulasie Resultate

Eksperimentele Opsetting

Die kern word gebou deur vier U-vormige kerne in een laag te monteer. Die volledige kern bestaan uit drie lage met windings op die middelste been geplaas. Die drie lae-spanning (LV) poortwindings word saam gedraai om koppeling te versterk. 'n Dubbele aktiewe brug (DAB) omsteller word ontwerp om die voorgestelde transformateur te toets. SiC MOSFETs word in die omstellerontwerp gebruik. Vir die medium-spanning (MV) poort word 'n rektifierbrug met SiC-diodes geïmplementeer, wat ook aan 'n weerstandelike belastingsbank van 7.2 kV gelykgestel word.

Gevolgtrekking

Hierdie artikel fokus op die ontwerp van 'n vier-poort medium-spanning multi-poort vaste-toestand transformateur (MV MPSST) wat die integrasie van vier verskillende bronne of belastings in mikrogrid-toepassings moontlik maak. Een poort van die transformateur is 'n medium-spanning (MV) poort gerateer vir 4.16 kV AC. Verskeie transformateurmodelle en kernmateriaal is oorweeg. Naast die transformateurontwerp, is toetsopsstellings ontwikkel vir beide die MV- en LV-poorte. 'n Effektiwiteit van 99% is in die eksperimentele validering bereik.