Entwurf eines Vierports-Festkörpertransformators: Effiziente Integrationslösung für Mikrogrids

Die Verwendung von Leistungselektronik in der Industrie nimmt zu, von kleineren Anwendungen wie Ladegeräten für Batterien und LED-Treibern bis hin zu großen Anwendungen wie Photovoltaikanlagen (PV) und Elektrofahrzeugen. Im Allgemeinen besteht ein Stromsystem aus drei Teilen: Kraftwerken, Übertragungssystemen und Verteilungssystemen. Traditionell werden Niederfrequenz-Transformatoren zweckmäßig für elektrische Isolierung und Spannungsanpassung verwendet. Allerdings sind 50-/60-Hz-Transformatoren groß und schwer. Stromrichter werden eingesetzt, um die Kompatibilität zwischen neuen und bestehenden Stromsystemen zu ermöglichen, indem sie das Konzept der Festkörpertransformatoren (SST) nutzen. Durch die Verwendung von Hoch- oder Mittelfrequenz-Stromrichtern reduzieren SSTs die Größe der Transformatoren und bieten eine höhere Leistungsdichte im Vergleich zu herkömmlichen Transformator.

Fortschritte bei magnetischen Materialien mit hoher Flussdichte, hoher Leistungs- und Frequenzfähigkeit sowie geringen Verlustleistungen haben es Forschern ermöglicht, SSTs mit hoher Leistungsdichte und Effizienz zu entwickeln. In den meisten Fällen hat sich die Forschung auf traditionelle Doppelwickel-Transformatoren konzentriert. Die zunehmende Integration dezentraler Erzeugung, zusammen mit der Entwicklung intelligenter Netze und Mikronetze, hat jedoch zum Konzept der Mehrport-Festkörpertransformatoren (MPSST) geführt.

An jedem Port des Wandler wird ein Doppelschaltnetzbrücke-Wandler (DAB) eingesetzt, der die Streuinduktivität des Transformators als Induktor des Wandlers nutzt. Dies reduziert die Größe, indem zusätzliche Induktoren überflüssig werden, und verringert auch die Verluste. Die Streuinduktivität hängt von der Wicklungsaufbringung, der Kerngeometrie und dem Kopplungskoeffizienten ab, was die Transformator-Konstruktion komplexer macht. Phasenverschiebungssteuerung wird in DAB-Wandlern verwendet, um den Energiefluss zwischen den Ports zu regeln. Allerdings beeinflusst die Phasenverschiebung an einem Port den Energiefluss an anderen Ports, was die Steuerkomplexität mit der Anzahl der Ports erhöht. Daher fokussiert sich die Mehrheit der MPSST-Forschung auf dreiportige Systeme.

Dieses Papier konzentriert sich auf die Konstruktion eines Festkörpertransformators für Mikronetz-Anwendungen. Der Transformator integriert vier Ports auf einem einzigen magnetischen Kern. Er arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 50 kHz, wobei jeder Port für 25 kW ausgelegt ist. Die Port-Konfiguration stellt ein realistisches Mikronetz-Modell dar, das aus dem Versorgungsnetz, einem Energiespeichersystem, einer Photovoltaikanlage und einer lokalen Last besteht. Der Netzport arbeitet mit 4.160 VAC, während die anderen drei Ports mit 400 V arbeiten.

Vierport-SST

Transformator-Konstruktion

Tabelle 1 zeigt verschiedene häufig verwendete Materialien zur Herstellung von Transformator-Kernen, zusammen mit deren Vor- und Nachteilen. Das Ziel ist, ein Material auszuwählen, das in der Lage ist, 25 kW pro Port bei einer Betriebshäufigkeit von 50 kHz zu unterstützen. Handelsübliche Transformator-Kernmaterialien umfassen Siliziumstahl, amorphen Legierung, Ferrit und Nanokristalline. Für die Zielanwendung - einen vierportigen Transformator, der bei 50 kHz mit 25 kW pro Port arbeitet - muss das geeignetste Kernmaterial identifiziert werden. Durch die Analyse der Tabelle werden sowohl Nanokristalline als auch Ferrit als potenzielle Kandidaten ausgewählt. Nanokristalline zeigen jedoch höhere Verlustleistungen bei Schaltfrequenzen über 20 kHz. Daher wird letztendlich Ferrit als Kernmaterial für den Transformator ausgewählt.

Verschiedene Kernmaterialien und ihre Eigenschaften

Die Transformator-Kernkonstruktion ist ebenfalls entscheidend, da sie die Kompaktheit, die Leistungsdichte und die Gesamtgröße beeinflusst, aber am wichtigsten die Streuinduktivität des Transformators. Bei einem 330-kW, 50-Hz-Doppelport-Transformator wurden Kernformen wie Kern- und Gehäuseform verglichen, wobei die Gehäuseform-Konfiguration eine geringere Streuinduktivität und einen glatteren Energiefluss bietet. Daher wird eine Gehäuseform-Konfiguration verwendet, bei der alle vier Wicklungen konzentrisch auf dem Zentralbein des Transformators gestapelt werden, was den Kopplungskoeffizienten verbessert.

Der Gehäuseform-Kern misst 186×152×30 mm, und das verwendete Ferritmaterial ist 3C94 in einer 4xU93×76×30 mm-Konfiguration. Litzdraht wird für die Wicklung der mittelspannungsfähigen (MV) und hochstromfähigen Ports verwendet, die jeweils für 3,42 A und 62,5 A ausgelegt sind. Für die niederdruckfähigen (LV) Ports werden 16 AWG und 4 AWG Drähte verwendet. Das Zusammenwinden der LV-Wicklungen verbessert zusätzlich die magnetische Kopplung.

Nach Abschluss der vorgeschlagenen MV-MPSST-Konstruktion werden Maxwell-3D/Simplorer-Simulationen durchgeführt. Die Portspannungen für das mittelspannungsfähige Netz, den Energiespeicher, die Last und die Photovoltaikanlage werden auf 7,2 kVDC und 400 VDC eingestellt. Simulationen werden unter voller Last durchgeführt, wobei der Lastport 25 kW bei einer Schaltfrequenz von 50 kHz und einem 50%-igen Tastverhältnis liefert. Die Leistungsregelung erfolgt durch Anpassen der Phasenverschiebung zwischen den Wandlerzellen. Die Ergebnisse werden in der Tabelle dargestellt. Verschiedene Modelle weisen unterschiedliche Eigenschaften wie Kernform, Querschnittsfläche, Verlust und Volumen auf. Wie in der Tabelle gezeigt, zeigt Modell 7 eine geringere Streuinduktivität und eine höhere Effizienz.

Modell und Simulationsergebnisse

Experimentelles Setup

Der Kern wird mithilfe von vier U-förmigen Kernen in einer Schicht montiert. Der vollständige Kern besteht aus drei Schichten mit Wicklungen, die auf dem Zentralbein platziert sind. Die drei niederdruckfähigen (LV) Port-Wicklungen werden gemeinsam gewickelt, um die Kopplung zu verbessern. Ein Doppelschaltnetzbrücke-Wandler (DAB) wird entworfen, um den vorgeschlagenen Transformator zu testen. SiC-MOSFETs werden im Wandlerdesign verwendet. Für den mittelspannungsfähigen (MV) Port wird eine Gleichrichterbrücke mit SiC-Dioden implementiert, die auch an eine widerstandsbasierte Lastbank angeschlossen ist, die für 7,2 kV ausgelegt ist.

Fazit

Dieses Papier konzentriert sich auf die Konstruktion eines vierportigen mittelspannungsfähigen Mehrport-Festkörpertransformators (MV MPSST), der die Integration von vier verschiedenen Quellen oder Lasten in Mikronetz-Anwendungen ermöglicht. Ein Port des Transformators ist ein mittelspannungsfähiger (MV) Port, der für 4,16 kV AC ausgelegt ist. Verschiedene Transformatormodelle und Kernmaterialien wurden untersucht. Zusätzlich zur Transformator-Konstruktion wurden Testaufbauten sowohl für den MV- als auch für den LV-Port entwickelt. Eine Effizienz von 99 % wurde in der experimentellen Validierung erreicht.