Проектиране на четирипортов твърдотелен трансформатор: Ефективно интеграционно решение за микросети

Потреблението на електронни устройства в промишлеността нараства, като се разпростира от малки приложения, като зарядни устройства за батерии и драйвери за LED, до големи приложения, като фотovoltaични (PV) системи и електрически автомобили. Обикновено електроенергийната система се състои от три части: електроенергийни централи, системи за предаване и системи за разпределение. Традиционно ниско-честотните трансформатори се използват за две цели: електрическа изолация и подравняване на напрежението. Въпреки това, 50-/60-Хц трансформаторите са обемни и тежки. Преобразувателите на мощност се използват, за да осигурят съвместимост между нови и старопоколенски електроенергийни системи, използвайки концепцията за твърдотелни трансформатори (SST). Чрез използване на преобразуване на мощност на висока или средна честота, SST-тата намаляват размерите на трансформаторите и предлагат по-висока плътност на мощност в сравнение с традиционните трансформатори.

Прогресът в магнитните материали, които имат висока плотност на поток, висока мощност и честота, както и ниски загуби на мощност, позволил на изследователите да разработят SST-та с висока плътност и ефективност. В повечето случаи, изследванията са се фокусирали върху традиционните двойни обикновени трансформатори. Въпреки това, растящата интеграция на разпределена генерация, заедно с развитието на умни мрежи и микромрежи, довела до концепцията за многопортови твърдотелни трансформатори (MPSST).

На всеки порт на преобразувателя се използва двойно активен мост (DAB), който използва лекажната индуктивност на трансформатора като индуктор на преобразувателя. Това намалява размерите, като елиминира необходимостта от допълнителни индуктори, и също така намалява загубите. Лекажната индуктивност зависи от разположението на обмотките, геометрията на ядрото и коефициента на свързване, което прави проектирането на трансформатора по-сложено. За регулиране на потока на мощност между портовете в DAB преобразувателите се използва управление на фазово смещение. Въпреки това, в MPSST, фазовото смещение в един порт влияе на потока на мощност в другите портове, увеличавайки сложността на управлението с броя на портовете. Резултатно, повечето изследвания върху MPSST се фокусират върху системи с три порта.

Тази статия се фокусира върху проектирането на твърдотелен трансформатор за приложения в микромрежи. Трансформаторът интегрира четири порта в едно магнитно ядро. Оперира на комутационна честота от 50 кХц, с всеки порт с мощност 25 кВт. Конфигурацията на портовете представлява реалистичен модел на микромрежа, включващ определена мрежа, система за съхранение на енергия, фотovoltaична система и местна нагрузка. Портът на мрежата оперира при 4,160 ВАС, докато другите три порта оперират при 400 В.

Четирипортов SST

Проектуване на трансформатор

Таблица 1 показва различни често използвани материали за производство на ядра на трансформатори, заедно с техните преимущества и недостатъци. Целта е да се избере материал, способен да поддържа 25 кВт на порт при операционна честота от 50 кХц. Коммерсиално налични материали за ядра на трансформатори включват силумин, аморфен сплав, ферит и нанокристален. За целевото приложение - четирипортов трансформатор, опериращ при 50 кХц с 25 кВт на порт - най-подходящият материал за ядро трябва да бъде идентифициран. Чрез анализ на таблицата, както нанокристалния, така и феритовият материал са избрани като потенциални кандидати. Въпреки това, нанокристалният материал показва по-високи загуби на мощност при комутационни честоти над 20 кХц. Следователно, феритовият материал е избран като материал за ядро на трансформатора.

Различни материали за ядро и техните характеристики

Проектуването на ядрото на трансформатора е също критично, тъй като влияе върху компактността, плътността на мощността и общия размер, но най-вече, то влияе върху лекажната индуктивност на трансформатора. За 330-кВт, 50-Хц двупортов трансформатор, форми на ядрото като тип ядро и тип обвивка са сравнявани, демонстрирайки, че конфигурацията на тип обвивка предлага по-ниска лекажна индуктивност и по-гладък поток на мощност. Следователно, ще бъде използвана конфигурация на тип обвивка, с всички четири обмотки стабилизираны концентрично на централната част на трансформатора, като се подобрява коефициентът на свързване.

Ядрото на типа обвивка е с размери 186×152×30 мм, и използваната феритова материя е 3C94 в конфигурация 4xU93×76×30 мм. За обмотките на средно-напрегнатите (MV) и високоструйни портове се използва Litz проводник, съответно с оценка 3.42 А и 62.5 А. За ниско-напрегнатите (LV) портове се използват жици с диаметър 16 AWG и 4 AWG. Завиването на LV обмотките заедно допълнително подобрява магнитното свързване.

След завършване на предложеното проектиране на MV MPSST, се извършват симулации с Maxwell-3D/Simplorer. Напреженията на портовете за средно-напрегнатата мрежа, система за съхранение на енергия, нагрузка и фотovoltaична система са зададени на 7.2 кВДЦ и 400 ВДЦ, съответно. Симулациите се провеждат при пълна нагрузка, с портът на нагрузката, доставящ 25 кВт при комутационна честота от 50 кХц и 50% цикъл на работа. Управлението на мощността се постига чрез регулиране на фазовото смещение между клетките на преобразувателите. Резултатите са представени в таблицата. Различните модели показват различни характеристики, като форма на ядрото, площ на сечение, загуби и обем. Както е показано в таблицата, Модел 7 демонстрира по-ниска лекажна индуктивност и по-висока ефективност.

Модел и резултати от симулацията

Експериментална установка

Ядрото е конструирано чрез използване на четири U-образни ядра, съставени в една слой. Пълното ядро съдържа три слоя с обмотки, поставени на централната част. Трите ниско-напрегнати (LV) портови обмотки са обвити заедно, за да се подобри свързването. Дизайнерският двойно активен мост (DAB) преобразувател е проектиран, за да се тестира предложеният трансформатор. В дизайна на преобразувателя се използват SiC MOSFET-и. За средно-напрегнатия (MV) порт, е реализиран правоъгълен мост с използване на SiC диоди, които също са свързани с резистивен нагревателен блок, оценен да обработва 7.2 кВ.

Заключение

Тази статия се фокусира върху проектирането на четирипортов, средно-напрегнат, многопортов твърдотелен трансформатор (MV MPSST), който позволява интеграцията на четири различни източника или потребители в приложенията на микромрежите. Един порт на трансформатора е средно-напрегнат (MV) порт, оценен за 4.16 кВ AC. Разглеждани са различни модели на трансформатори и материали за ядро. Освен проектирането на трансформатора, са разработени тестови установки както за MV, така и за LV портове. По време на експерименталното потвърждение е постигната ефективност от 99%.