Design af en fireports fasttilstandstransformator: Effektiv integrationsløsning for mikrogrids

Brugen af effektelektronik i industrien stiger, fra småskalaapplikationer som opladere til batterier og LED-drivere, til større applikationer som fotovoltaiske (PV) systemer og elektriske køretøjer. Typisk består et effektsystem af tre dele: kraftværker, transmissionsystemer og distributionsystemer. Traditionelt anvendes lavfrekvente transformatorer til to formål: elektrisk isolation og spændingsmatchning. Dog er 50-/60-Hz-transformatorer klodset og tunge. Effektkonvertere bruges for at muliggøre kompatibilitet mellem nye og eksisterende effektsystemer, ved hjælp af konceptet med fasttilstandstransformatorer (SST). Ved at anvende høj- eller mediumfrekvens-effektomregning reducerer SST'er transformatorstørrelsen og tilbyder en højere effektdichte sammenlignet med konventionelle transformatorer.

Fremgang i magnetiske materialer - med høj fluxdichte, høj effekt- og frekvenskapacitet samt lave effekttab - har gjort det muligt for forskere at udvikle SST'er med høj effektdichte og effektivitet. I de fleste tilfælde har forskningen fokuseret på traditionelle dobbeltvindingstransformatorer. Men den voksende integration af decentral generering, sammen med udviklingen af smarte net og mikronet, har ført til konceptet om multiport fasttilstandstransformatorer (MPSST).

På hver port af konverteren bruges en dobbelt aktiv bro (DAB) konverter, der benytter transformatorens lekkageinduktans som konverterens induktans. Dette reducerer størrelsen ved at eliminere behovet for yderligere induktorer og mindsker også tab. Lekkageinduktansen afhænger af vindingsplacering, kernegeometri og koblingskoefficient, hvilket gør transformator-designet mere komplekst. Faseforskydning kontrol anvendes i DAB-konvertere for at regulere effektfloden mellem portene. Dog påvirker faseforskydning på en port effektfloden på andre portene i en MPSST, hvilket øger kontrokompleksiteten med antallet af portene. Derfor fokuserer de fleste MPSST-forskninger på treportsystemer.

Denne artikel fokuserer på designet af en fasttilstandstransformator til mikronet-applikationer. Transformatoren integrerer fire porte på en enkelt magnetisk kerne. Den fungerer ved en commutationsfrekvens på 50 kHz, med hver port dimensioneret til 25 kW. Portkonfigurationen repræsenterer et realistisk mikronetmodel, der består af nettet, energilager, fotovoltaisk system og lokal last. Netporten fungerer ved 4.160 VAC, mens de andre tre porte fungerer ved 400 V.

Fireports-SST

Transformator Design

Tabel 1 viser forskellige ofte anvendte materialer til produktion af transformatorkerne, sammen med deres fordele og ulemper. Målet er at vælge et materiale, der kan understøtte 25 kW per port ved en driftsfrekvens på 50 kHz. Kommercielt tilgængelige transformatorkernematerialer inkluderer siliciumstål, amorf alloy, ferrit og nanokristallin. For målanvendelsen - en fireports-transformator, der fungerer ved 50 kHz med 25 kW per port - skal det mest egnet kernemateriale identificeres. Ved analyse af tabellen bliver både nanokristallin og ferrit valgt som potentielle kandidater. Dog viser nanokristallin højere effekttab ved commutationsfrekvenser over 20 kHz. Derfor vælges ferrit som kernemateriale for transformator.

Forskellige Kernematerialer og Deres Karakteristikker

Transformator kernedesign er også afgørende, da det påvirker kompakthed, effektdichte og samlet størrelse - men mest af alt påvirker det transformatorens lekkageinduktans. For en 330-kW, 50-Hz toports-transformator er kerneshapes som kerne-type og skal-type blevet sammenlignet, hvilket viser, at skal-type konfigurationen tilbyder lavere lekkageinduktans og jævnere effektflod. Derfor vil en skal-type konfiguration blive brugt, med alle fire vindinger lagret koncentrisk på centralembetet af transformator, hvilket forbedrer koblingskoefficienten.

Skal-type kernen måler 186×152×30 mm, og det brugte ferritmateriale er 3C94 i en 4xU93×76×30 mm konfiguration. Litz ledning bruges til vindning af både mediumspænding (MV) og højkorrent porte, der er dimensioneret til henholdsvis 3.42 A og 62.5 A. For lavspændings (LV) porte anvendes 16 AWG og 4 AWG ledninger. Ved at dreje LV-vindinger sammen forbedres magnetisk kobling yderligere.

Efter at have fuldført det foreslåede MV MPSST-design, udføres Maxwell-3D/Simplorer-simulationer. Portspændingerne for mediumspændingsnet, energilager, last og fotovoltaiske systemer er sat til henholdsvis 7.2 kVDC og 400 VDC. Simulationer udføres under fuld last, med lastporten leverer 25 kW ved en commutationsfrekvens på 50 kHz og en 50% tidsforhold. Effektkontrol opnås ved at justere faseforskydning mellem konverterceller. Resultater præsenteres i tabellen. Forskellige modeller viser varierende karakteristika som kerneshape, tværsnitsareal, tab og volumen. Som vist i tabellen demonstrerer model 7 lavere lekkageinduktans og højere effektivitet.

Model og Simuleringsresultater

Eksperimentel Opsætning

Kernen er bygget ved hjælp af fire U-formede kerner, der er monteret i ét lag. Den fulde kerne består af tre lag med vindinger placeret på centralembetet. De tre lavspændings (LV) portvindinger er vendt sammen for at forbedre kobling. En dobbelt aktiv bro (DAB) konverter er designet for at teste den foreslåede transformator. SiC MOSFET'er anvendes i konverterdesignet. For mediumspændings (MV) porten implementeres en rektifierbro ved hjælp af SiC-dioder, der også er forbundet til en resistiv lastbank, der er dimensioneret til at håndtere 7.2 kV.

Konklusion

Denne artikel fokuserer på designet af en fireports mediumspændings multiports fasttilstandstransformator (MV MPSST), der muliggør integration af fire forskellige kilder eller laster i mikronetapplikationer. En port af transformator er en mediumspændings (MV) port, der er dimensioneret til 4.16 kV AC. Forskellige transformatormodeller og kernematerialer blev gennemgået. Udover transformatordesignet blev testopsætninger udviklet for både MV- og LV-porter. En effektivitet på 99% blev opnået i den eksperimentelle validering.