تصميم محول صلب رباعي المنافذ: حل تكامل فعال لشبكات الطاقة الدقيقة

يزداد استخدام الإلكترونيات القوية في الصناعة، بدءًا من التطبيقات الصغيرة مثل شواحن البطاريات وسائقي الأضواء LED، وحتى التطبيقات الكبيرة مثل أنظمة الطاقة الشمسية (PV) والمركبات الكهربائية. عادةً ما يتكون نظام الطاقة من ثلاثة أجزاء: محطات توليد الكهرباء، وأنظمة النقل، وأنظمة التوزيع. تقليديًا، تُستخدم المحولات ذات التردد المنخفض لأغراضين: العزل الكهربائي ومطابقة الجهد. ومع ذلك، فإن المحولات ذات التردد 50/60 هرتز كبيرة الحجم وثقيلة. تُستخدم محولات الطاقة لتمكين comptibility بين الأنظمة القديمة والجديدة للطاقة، مستفيدةً من مفهوم المحولات الصلبة (SST). من خلال استخدام تحويل الطاقة بتردد عالٍ أو متوسط، تقلل SSTs من حجم المحولات وتقدم كثافة طاقة أعلى مقارنة بالمحولات التقليدية.

تقدم المواد المغناطيسية المتقدمة - التي تتميز بكثافة تدفق عالية وقدرة قوة وتكرار عالية وخسائر طاقة منخفضة - للمحققين إمكانية تطوير SSTs ذات كثافة طاقة وكفاءة عالية. في معظم الحالات، ركزت الأبحاث على المحولات الثنائية الملفوفة التقليدية. ومع ذلك، أدت التكامل المتزايد للجيل الموزع، إلى جانب تطور الشبكات الذكية والشبكات المصغرة، إلى مفهوم المحولات الصلبة متعددة المنافذ (MPSST).

في كل منفذ للمحول، يتم استخدام محول جسر نشط مزدوج (DAB)، الذي يستخدم انحراف التدفق للمحول كملف التحويل. هذا يقلل من الحجم عن طريق إلغاء الحاجة إلى ملفات إضافية ويقلل أيضًا من الخسائر. يعتمد الانحراف على وضعية التفاف ملفات المحول وهندسة النواة ومعامل الترابط، مما يجعل تصميم المحول أكثر تعقيدًا. يتم استخدام التحكم في الإزاحة الطورية في محولات DAB لتنظيم تدفق الطاقة بين المنافذ. ومع ذلك، في MPSST، يؤثر الإزاحة الطوري في منفذ واحد على تدفق الطاقة في المنافذ الأخرى، مما يزيد من تعقيد السيطرة مع زيادة عدد المنافذ. نتيجة لذلك، تركز معظم الأبحاث حول MPSST على الأنظمة ذات ثلاث منافذ.

يركز هذا البحث على تصميم محول صلب للتطبيقات الشبكية المصغرة. يدمج المحول أربع منافذ على نواة مغناطيسية واحدة. يعمل عند تردد تبديل 50 كيلوهرتز، مع تصنيف كل منفذ بمقدار 25 كيلوواط. تمثل تكوين المنافذ نموذج شبكي مصغر واقعي يتضمن شبكة الكهرباء، ونظام تخزين الطاقة، وأنظمة الطاقة الشمسية، والحمل المحلي. يعمل منفذ الشبكة عند 4,160 فولت متناوب، بينما تعمل الثلاثة الأخرى عند 400 فولت.

محول صلب أرباع المنافذ

تصميم المحول

يوضح الجدول 1 مختلف المواد المستخدمة بشكل شائع في تصنيع قلوب المحولات، مع مزاياها وعيوبها. الهدف هو اختيار مادة قادرة على دعم 25 كيلوواط لكل منفذ عند تردد تشغيل 50 كيلوهرتز. تشمل المواد التجارية المتاحة لقلب المحول الفولاذ السيليكوني، والسبيكة غير البلورية، والفيريت، والكريستالي النانوي. بالنسبة للتطبيق المستهدف - محول بأربع منافذ يعمل عند 50 كيلوهرتز مع 25 كيلوواط لكل منفذ - يجب تحديد المادة الأكثر ملاءمة لقلب المحول. من خلال تحليل الجدول، يتم اختيار الكريستالي النانوي والفيريت كمرشحين محتملين. ومع ذلك، يظهر الكريستالي النانوي خسائر طاقة أعلى عند ترددات التبديل فوق 20 كيلوهرتز. لذلك، يتم اختيار الفيريت كمادة قلب المحول.

مواد القلب المختلفة وخصائصها

تصميم قلب المحول مهم أيضًا، حيث يؤثر على الضيق وكثافة الطاقة والحجم الإجمالي - ولكن بشكل أساسي، يؤثر على انحراف التدفق للمحول. بالنسبة لمحول ثنائي المنافذ بقدرة 330 كيلوواط وتردد 50 هرتز، تم مقارنة أشكال القلب مثل نوع القلب ونوع الغلاف، مما يظهر أن تكوين نوع الغلاف يقدم انحراف تدفق أقل وتدفق طاقة أسلس. لذلك، سيتم استخدام تكوين نوع الغلاف، مع تكدس جميع الأربعة ملفات بشكل مركزي على الساق الوسطى للمحول، مما يحسن معامل الترابط.

يبلغ قياس قلب النوع الغلاف 186×152×30 ملم، ويتم استخدام مادة الفيريت 3C94 في تكوين 4xU93×76×30 ملم. يتم استخدام سلك Litz لتلتف ملفات الجهد المتوسط (MV) والمنافذ ذات التيار العالي، المصنفة بـ 3.42 أمبير و62.5 أمبير على التوالي. بالنسبة للمنافذ ذات الجهد المنخفض (LV)، يتم استخدام أسلاك 16 AWG و4 AWG. يعزز تشابك ملفات LV الترابط المغناطيسي.

بعد إكمال تصميم MV MPSST المقترح، يتم إجراء محاكاة باستخدام Maxwell-3D/Simplorer. يتم ضبط جهد المنافذ للشبكة المتوسطة الجهد، وتخزين الطاقة، والحمل، وأنظمة الطاقة الشمسية على 7.2 كيلوفولت متجه و400 فولت متجه على التوالي. يتم إجراء المحاكاة تحت الحمل الكامل، مع توفير منفذ الحمل 25 كيلوواط بتردد تبديل 50 كيلوهرتز ودورة عمل 50٪. يتم تحقيق سيطرة الطاقة من خلال ضبط الإزاحة الطورية بين خلايا المحول. يتم تقديم النتائج في الجدول. تظهر النماذج المختلفة خصائص مختلفة مثل شكل القلب، ومنطقة المقطع العرضي، وخسارة، وحجم. كما يظهر في الجدول، يظهر النموذج 7 انحراف تدفق أقل وكفاءة أعلى.

نموذج و نتائج المحاكاة

إعداد التجربة

يتم بناء القلب باستخدام أربعة قلوب على شكل U مجمعة في طبقة واحدة. يتكون القلب الكامل من ثلاث طبقات مع ملفات موضوعة على الساق الوسطى. يتم تلتف ملفات المنافذ ذات الجهد المنخفض (LV) معًا لتعزيز الترابط. يتم تصميم محول جسر نشط مزدوج (DAB) لاختبار المحول المقترح. يتم استخدام SiC MOSFETs في تصميم المحول. بالنسبة لمنفذ الجهد المتوسط (MV)، يتم تنفيذ جسر تقويم باستخدام الثنائيات SiC، والتي ترتبط أيضًا ببنك مقاومة مصمم لتحمل 7.2 كيلوفولت.

خاتمة

يركز هذا البحث على تصميم محول صلب متعدد المنافذ ذو جهد متوسط (MV MPSST) يتيح تكامل أربع مصادر أو أحمال مختلفة في تطبيقات الشبكات المصغرة. أحد منافذ المحول هو منفذ جهد متوسط (MV) مصنف بـ 4.16 كيلوفولت متناوب. تم استعراض نماذج مختلفة من المحولات ومواد القلب. بالإضافة إلى تصميم المحول، تم تطوير إعدادات الاختبار لكلا المنفذين MV و LV. تم تحقيق كفاءة 99٪ في التحقق التجريبي.