Diseño sa usa ka Apwat-ang Port Solid-State Transformer: Epektibong Integrated Solution alang sa Microgrids

Ang paggamit sa power electronics sa industriya mao ang nagdugay, gikan sa small-scale nga mga aplikasyon sama sa chargers para sa mga bateria ug LED drivers, hangtod sa large-scale nga mga aplikasyon sama sa photovoltaic (PV) systems ug electric vehicles. Kasagaran, usa ka power system naghuhubad og tulo ka bahin: power plants, transmission systems, ug distribution systems. Tradisyonal, ang low-frequency transformers gamiton sa duha ka katuyoan: electrical isolation ug voltage matching. Apan, ang 50-/60-Hz transformers bulky ug heavy. Ang power converters gamiton aron mahimo ang compatibility tali sa bag-ong ug legacy power systems, pinaagi sa paggamit sa konsepto sa solid-state transformers (SST). Pinaagi sa paggamit sa high- o medium-frequency power conversion, ang SSTs molihok sa transformer size ug offer higher power density kumpara sa conventional transformers.

Ang mga advancement sa magnetic materials—naglakip sa high flux density, high power ug frequency capability, ug low power losses—mihatagan ang mga researcher sa abilidad sa pag-develop og SSTs nga may high power density ug efficiency. Sa kasagaran, ang research nagsentro sa traditional dual-winding transformers. Apan, ang growing integration sa distributed generation, sama sa development sa smart grids ug microgrids, mihatag sa konsepto sa multi-port solid-state transformers (MPSST).

Sa matag port sa converter, gamiton ang dual active bridge (DAB) converter, nga gigamit ang transformer’s leakage inductance isip inductor sa converter. Kini molihok sa size tungod kay wala na ang kinahanglan alang sa additional inductors ug makapares sa losses. Ang leakage inductance depende sa winding placement, core geometry, ug coupling coefficient, molihok sa transformer design mas komplikado. Ang phase shift control gamiton sa DAB converters aron regulate ang power flow tali sa mga ports. Apan, sa MPSST, ang phase shift sa usa ka port makaapekto sa power flow sa uban nga mga ports, molihok sa control complexity sukad sa numero sa mga ports. Taliwala, ang kasagaran sa MPSST research nagsentro sa three-port systems.

Kini nga paper nagsentro sa design sa solid-state transformer para sa microgrid applications. Ang transformer integrate og upat ka mga ports sa usa ka single magnetic core. Ito operasyon sa switching frequency sa 50 kHz, ug matag port rated sa 25 kW. Ang port configuration represent sa realistic microgrid model nga naghuhubad sa utility grid, energy storage system, photovoltaic system, ug local load. Ang grid port operasyon sa 4,160 VAC, apan ang uban pang tatlo ka mga ports operasyon sa 400 V.

Four-Port SST

Transformer Design

Ang Table 1 nagpakita sa iba’t ibang commonly used nga materials alang sa manufacturing sa transformer cores, sama sa ilang advantages ug disadvantages. Ang goal mao ang pagpili og material nga capable sa pag-support sa 25 kW per port sa 50 kHz operating frequency. Ang commercially available transformer core materials include silicon steel, amorphous alloy, ferrite, ug nanocrystalline. Alang sa target application—usa ka four-port transformer nga operasyon sa 50 kHz ug 25 kW per port—ang pinaka suitable core material kinahanglan ma-identify. Pinaagi sa pag-analyze sa table, ang nanocrystalline ug ferrite shortlisted isip potential candidates. Apan, ang nanocrystalline nagpakita og higher power losses sa switching frequencies above 20 kHz. Taliwala, ang ferrite ultimately selected isip core material sa transformer.

Different Core Materials and Their Characteristics

Ang transformer core design usab critical, tungod kay iya epekto sa compactness, power density, ug overall size—but most importantly, iya epekto sa transformer’s leakage inductance. Para sa 330-kW, 50-Hz dual-port transformer, ang core shapes sama sa core-type ug shell-type gi-compare, demonstrating na ang shell-type configuration naghatag sa lower leakage inductance ug smoother power flow. Taliwala, ang shell-type configuration mogamit, ngadto sa tanang apat ka windings stacked concentrically sa center limb sa transformer, thereby improving the coupling coefficient.

Ang shell-type core measures 186×152×30 mm, ug ang ferrite material gamiton mao ang 3C94 sa 4xU93×76×30 mm configuration. Litz wire gamiton sa winding sa both the medium-voltage (MV) ug high-current ports, rated sa 3.42 A ug 62.5 A, respectively. Para sa low-voltage (LV) ports, 16 AWG ug 4 AWG wires gi-employ. Twisting the LV windings together further enhances magnetic coupling.

Human sa pag-complete sa proposed MV MPSST design, ang Maxwell-3D/Simplorer simulations gi-perform. Ang port voltages sa medium-voltage grid, energy storage, load, ug photovoltaic systems giset sa 7.2 kVDC ug 400 VDC, respectively. Simulations gi-conduct under full load, sa dihang ang load port delivering 25 kW sa switching frequency sa 50 kHz ug 50% duty cycle. Ang power control achieved pinaagi sa pag-adjust sa phase shift between converter cells. Results presented sa table. Different models exhibit varying characteristics such as core shape, cross-sectional area, loss, ug volume. As shown sa table, Model 7 demonstrates lower leakage inductance ug higher efficiency.

Model and Simulation Results

Experimental Setup

Ang core constructed pinaagi sa pag-gamit sa apat ka U-shaped cores assembled into one layer. Ang complete core consists of three layers with windings placed on the center limb. The three low-voltage (LV) port windings wound together to enhance coupling. A dual active bridge (DAB) converter designed to test the proposed transformer. SiC MOSFETs used in the converter design. For the medium-voltage (MV) port, a rectifier bridge implemented using SiC diodes, which also connected to a resistive load bank rated to handle 7.2 kV.

Conclusion

Kini nga paper nagsentro sa design sa four-port medium-voltage multi-port solid-state transformer (MV MPSST) nga enable sa integration sa upat ka different sources o loads sa microgrid applications. Usa ka port sa transformer mao ang medium-voltage (MV) port rated sa 4.16 kV AC. Various transformer models ug core materials reviewed. In addition sa transformer design, developed ang test setups para sa both the MV ug LV ports. An efficiency of 99% achieved sa experimental validation.