Návrh čtyřportového pevného transformátoru: Efektivní integrační řešení pro mikrosítě

Použití elektroniky v energetice v průmyslu roste, od malých aplikací jako jsou nabíječky baterií a ovladače LED, po velké aplikace jako jsou fotovoltaické (PV) systémy a elektrická vozidla. Typicky se elektrický systém skládá ze tří částí: elektráren, přenosových systémů a distribučních systémů. Tradičně se nízkofrekvenčné transformátory používají pro dva účely: elektrickou izolaci a přizpůsobení napětí. Nicméně, 50/60-Hz transformátory jsou objemné a těžké. Převodníky energie slouží k umožnění kompatibility mezi novými a staršími elektrickými systémy, využívají koncept pevnostavových transformátorů (SST). Použitím vysokofrekvenčního nebo středněfrekvenčního převodu energie SST snižují velikost transformátoru a nabízejí vyšší hustotu výkonu v porovnání s tradičními transformátory.

Pokroky v magnetických materiálech, které disponují vysokou hustotou toku, vysokým výkonem a frekvencí a nízkými ztrátami energie, umožnily výzkumníkům vyvinout SST s vysokou hustotou výkonu a efektivitou. V mnoha případech se výzkum zaměřoval na tradiční transformátory s dvojicí cívek. Nicméně, rostoucí integrace distribuované generace spolu s rozvojem inteligentních sítí a mikrosítí vedly k konceptu víceportových pevnostavových transformátorů (MPSST).

Na každém portu převodníku je použit dvojitý aktivní mostový (DAB) převodník, který využívá únikovou indukci transformátoru jako induktor převodníku. Toto snižuje velikost eliminací potřeby dodatečných induktorů a také snižuje ztráty. Úniková indukce závisí na umístění cívek, geometrii jádra a koeficientu spojení, což způsobuje, že návrh transformátoru je složitější. Fázový posun se používá v DAB převodnících k regulaci toku energie mezi porty. Nicméně, u MPSST fázový posun na jednom portu ovlivňuje tok energie na ostatních porte, což zvyšuje složitost řízení s počtem portů. Jako výsledek se většina výzkumu MPSST soustředí na tříportové systémy.

Tento článek se zaměřuje na návrh pevnostavového transformátoru pro aplikace mikrosítí. Transformátor integruje čtyři porty na jednom magnetickém jádře. Pracuje s přepínací frekvencí 50 kHz, s každým portem nominálně 25 kW. Konfigurace portů reprezentuje realistický model mikrosítě, který zahrnuje síťovou síť, systém ukládání energie, fotovoltaický systém a místní zátěž. Síťový port pracuje s 4,160 VAC, zatímco ostatní tři porty pracují s 400 V.

Čtyřportový SST

Návrh transformátoru

Tabulka 1 ukazuje různé běžně používané materiály pro výrobu jádra transformátoru, spolu s jejich výhodami a nevýhodami. Cílem je vybrat materiál schopný podporovat 25 kW na portu při provozní frekvenci 50 kHz. Komerčně dostupné materiály jádra transformátoru zahrnují siliciovou ocel, amorfický slitinu, ferrit a nanokrystalické materiály. Pro cílovou aplikaci - čtyřportový transformátor pracující při 50 kHz s 25 kW na portu - musí být identifikován nejvhodnější materiál jádra. Analýzou tabulky byly vybrány jako potenciální kandidáti nanokrystalické materiály a ferrit. Nicméně, nanokrystalické materiály mají vyšší ztráty energie při přepínacích frekvencích nad 20 kHz. Proto byl nakonec vybrán ferrit jako materiál jádra transformátoru.

Různé materiály jádra a jejich charakteristiky

Návrh jádra transformátoru je také klíčový, protože ovlivňuje kompaktnost, hustotu výkonu a celkovou velikost, ale nejdůležitěji ovlivňuje únikovou indukci transformátoru. Pro 330-kW, 50-Hz dvouportový transformátor byly porovnány tvary jádra, jako jsou typ jádra a typ obalu, ukazující, že konfigurace typu obal nabízí nižší únikovou indukci a hladší tok energie. Proto bude použita konfigurace typu obal, s všemi čtyřmi cívkami uspořádanými koncentricky na středním rameni transformátoru, což zlepšuje koeficient spojení.

Jádro typu obal má rozměry 186×152×30 mm a použitý ferritový materiál je 3C94 v konfiguraci 4xU93×76×30 mm. Litz drát se používá pro navinutí středněvysokonapěťových (MV) a vysokoprudových portů, nominálně 3,42 A a 62,5 A, respektive. Pro nízkonapěťové (LV) porty se používají dráty 16 AWG a 4 AWG. Společné svíjení LV cívek dále zlepšuje magnetické spojení.

Po dokončení návrhu MV MPSST byly provedeny simulace pomocí Maxwell-3D/Simplorer. Napětí na portech pro středněvysokonapěťovou síť, systém ukládání energie, zátěž a fotovoltaický systém bylo nastaveno na 7,2 kVDC a 400 VDC, respektive. Simulace byly provedeny za plné zátěže, s portem zátěže doručujícím 25 kW při přepínací frekvenci 50 kHz a 50% cyklu povolení. Řízení výkonu je dosaženo upravováním fázového posunu mezi převodníkovými buňkami. Výsledky jsou prezentovány v tabulce. Různé modely mají různé charakteristiky, jako jsou tvar jádra, plocha průřezu, ztráty a objem. Jak je vidět v tabulce, Model 7 ukazuje nižší únikovou indukci a vyšší efektivitu.

Model a výsledky simulace

Experimentální zařízení

Jádro bylo postaveno z čtyř U-tvarových jader seskupených do jedné vrstvy. Celé jádro se skládá z tří vrstev s cívkami umístěnými na středním rameni. Tři nízkonapěťové (LV) portové cívky byly navinuty společně, aby bylo zlepšeno spojení. Byl navržen dvojitý aktivní mostový (DAB) převodník k testování navrhovaného transformátoru. V návrhu převodníku byly použity SiC MOSFETy. Pro středněvysokonapěťový (MV) port byl implementován obdélníkový most pomocí SiC diod, který je také spojen s rezistivním zátěžovým bankem nominálně 7,2 kV.

Závěr

Tento článek se zaměřuje na návrh čtyřportového středněvysokonapěťového víceportového pevnostavového transformátoru (MV MPSST), který umožňuje integraci čtyř různých zdrojů nebo zátěží v aplikacích mikrosítí. Jedním portem transformátoru je středněvysokonapěťový (MV) port nominálně 4,16 kV AC. Byly prozkoumány různé modely transformátorů a materiály jádra. Kromě návrhu transformátoru byla vyvinuta testovací zařízení pro MV a LV porty. V experimentálním ověření byla dosažena efektivita 99 %.