Σχεδιασμός Μετατροπέα Στερεών Καταστάσεων με Τέσσερις Πόρτες: Αποτελεσματική Λύση Ολοκλήρωσης για Μικροδίκτυα

Η χρήση ενεργειακής ηλεκτρονικής στη βιομηχανία αυξάνεται, από μικρές εφαρμογές όπως φορτιστές βαταριών και οδηγοί LED, μέχρι μεγάλες εφαρμογές όπως φωτοβολταϊκά (PV) συστήματα και ηλεκτρικά οχήματα. Συνήθως, ένα σύστημα ενέργειας αποτελείται από τρία μέρη: παραγωγικές μονάδες, συστήματα μεταφοράς και συστήματα διανομής. Παραδοσιακά, οι μετατροπείς χαμηλής συχνότητας χρησιμοποιούνται για δύο σκοπούς: ηλεκτρική απομόνωση και συμβατότητα σε ισχύ. Ωστόσο, οι μετατροπείς 50/60 Hz είναι μεγάλοι και βαριά. Οι μετατροπείς ισχύος χρησιμοποιούνται για να επιτρέψουν τη συμβατότητα μεταξύ νέων και παλαιών συστημάτων ενέργειας, εκμεταλλευόμενοι την έννοια των στερεού καταστάτου μετατροπέων (SST). Μέσω της χρήσης μετατροπής ισχύος υψηλής ή μεσαίας συχνότητας, οι SSTs μειώνουν το μέγεθος των μετατροπέων και προσφέρουν υψηλότερη πυκνότητα ισχύος σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς μετατροπείς.

Η πρόοδος σε μαγνητικά υλικά - με υψηλή πυκνότητα ροής, υψηλή ισχύ και δυνατότητα συχνότητας, και χαμηλές απώλειες ισχύος - έχει επιτρέψει σε ερευνητές να αναπτύξουν SSTs με υψηλή πυκνότητα ισχύος και απόδοση. Σε περισσότερες περιπτώσεις, η έρευνα έχει εστιαστεί σε παραδοσιακούς μετατροπείς με δύο πλεξίδες. Ωστόσο, η αυξανόμενη ολοκλήρωση της κατανεμημένης παραγωγής, μαζί με την ανάπτυξη των νοηματικών δικτύων και των μικροδικτύων, έχει οδηγήσει στην έννοια των πολυπόρων στερεού καταστάτου μετατροπέων (MPSST).

Σε κάθε πόρτα του μετατροπέα, χρησιμοποιείται ένας μετατροπέας διπλής ενεργής γέφυρας (DAB), ο οποίος εκμεταλλεύεται την διάρροη του μετατροπέα ως το μετατροπέας. Αυτό μειώνει το μέγεθος, αφαιρώντας την ανάγκη για επιπλέον μετατροπείς, και επίσης μειώνει τις απώλειες. Η διάρροη εξαρτάται από την τοποθέτηση των πλεξίδων, τη γεωμετρία του πυρήνα και τον συντελεστή συνδέσεως, κάνοντας την σχεδίαση του μετατροπέα πιο περίπλοκη. Η ελεγχός φάσης χρησιμοποιείται στους DAB μετατροπείς για τον έλεγχο της ροής ισχύος μεταξύ των πόρτων. Ωστόσο, σε ένα MPSST, η φάση μετατροπής σε μία πόρτα επηρεάζει τη ροή ισχύος σε άλλες πόρτες, αυξάνοντας την πολυπλοκότητα του ελέγχου με τον αριθμό των πόρτων. Ως αποτέλεσμα, η περισσότερη έρευνα στους MPSST εστιάζεται σε συστήματα με τρεις πόρτες.

Αυτό το έγγραφο εστιάζει στη σχεδίαση ενός στερεού καταστάτου μετατροπέα για εφαρμογές μικροδικτύων. Ο μετατροπέας ενσωματώνει τέσσερις πόρτες σε έναν μοναδικό μαγνητικό πυρήνα. Λειτουργεί σε συχνότητα καθιερώσεων 50 kHz, με κάθε πόρτα να έχει ισχύ 25 kW. Η διάταξη των πόρτων αντιπροσωπεύει ένα ρεαλιστικό μοντέλο μικροδικτύου που περιλαμβάνει το δίκτυο, σύστημα αποθήκευσης ενέργειας, φωτοβολταϊκό σύστημα και τοπικό φορτίο. Η πόρτα του δικτύου λειτουργεί σε 4,160 VAC, ενώ οι άλλες τρεις πόρτες λειτουργούν σε 400 V.

Τεσσαροπόρος SST

Σχεδίαση Μετατροπέα

Ο Πίνακας 1 δείχνει διάφορα κοινά χρησιμοποιούμενα υλικά για την κατασκευή πυρήνων μετατροπέων, μαζί με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. Το στόχος είναι να επιλεγεί ένα υλικό που μπορεί να υποστηρίξει 25 kW ανά πόρτα σε συχνότητα λειτουργίας 50 kHz. Τα εμπορικά διαθέσιμα υλικά πυρήνων μετατροπέων περιλαμβάνουν σιδηροσίδη, αμορφούς σύμμικτο, μαγνητοσίδη και νανοκρυσταλλικό. Για την στόχευση εφαρμογής - ένας τεσσαροπόρος μετατροπέας λειτουργώντας σε 50 kHz με 25 kW ανά πόρτα - το πιο κατάλληλο υλικό πυρήνα πρέπει να επιλεγεί. Αναλύοντας τον πίνακα, και το νανοκρυσταλλικό και ο μαγνητοσίδης επιλέγονται ως δυνατοί υποψήφιοι. Ωστόσο, το νανοκρυσταλλικό εμφανίζει υψηλότερες απώλειες ισχύος σε συχνότητες καθιερώσεων πάνω από 20 kHz. Επομένως, ο μαγνητοσίδης επιλέγεται τελικά ως το υλικό πυρήνα για τον μετατροπέα.

Διαφορετικά Υλικά Πυρήνων και Τα Χαρακτηριστικά Τους

Η σχεδίαση του πυρήνα του μετατροπέα είναι επίσης κρίσιμη, καθώς επηρεάζει τη συμπαγή φύση, την πυκνότητα ισχύος και το συνολικό μέγεθος - αλλά πάνω από όλα, επηρεάζει τη διάρροη του μετατροπέα. Για έναν 330-kW, 50-Hz διπόρο μετατροπέα, έχουν συγκριθεί διαφορετικές μορφές πυρήνων, όπως οι πυρήνες τύπου και τύπου φωλιάς, δείχνοντας ότι η μορφή φωλιάς προσφέρει χαμηλότερη διάρροη και πιο ομαλή ροή ισχύος. Επομένως, θα χρησιμοποιηθεί μια μορφή φωλιάς, με όλες τις τέσσερις πλεξίδες να τοποθετούνται συγκεντρικά στο κέντρο του μετατροπέα, βελτιώνοντας έτσι τον συντελεστή συνδέσεως.

Ο πυρήνας τύπου φωλιάς μετρά 186×152×30 mm, και το υλικό μαγνητοσίδη που χρησιμοποιείται είναι 3C94 σε μια 4xU93×76×30 mm διάταξη. Χρησιμοποιείται Litz wire για την πλεξίδα των μεσαίων τάσεων (MV) και των υψηλών ρευμάτων, με τιμές 3.42 A και 62.5 A αντίστοιχα. Για τις πλεξίδες χαμηλών τάσεων (LV), χρησιμοποιούνται τελειώσεις 16 AWG και 4 AWG. Η συνεργασία των LV πλεξίδων περαιτέρω βελτιώνει τη μαγνητική συνδέσεως.

Μετά την ολοκλήρωση του προτεινόμενου σχεδιασμού MV MPSST, πραγματοποιούνται προσομοιώσεις Maxwell-3D/Simplorer. Οι τάσεις των πόρτων για το μεσαίο υψηλότερο δίκτυο, το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας, το φορτίο και το φωτοβολταϊκό σύστημα ορίζονται σε 7.2 kVDC και 400 VDC αντίστοιχα. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιούνται υπό πλήρη φορτίο, με την πόρτα φορτίου να παρέχει 25 kW σε συχνότητα καθιερώσεων 50 kHz και 50% duty cycle. Ο έλεγχος της ισχύος επιτεύγεται προσαρμόζοντας την φάση μεταξύ των κελίων μετατροπέων. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον πίνακα. Διαφορετικά μοντέλα εμφανίζουν διαφορετικά χαρακτηριστικά όπως η μορφή του πυρήνα, η επιφάνεια διατομής, οι απώλειες και το όγκος. Όπως δείχνει ο πίνακας, το Μοντέλο 7 εμφανίζει χαμηλότερη διάρροη και υψηλότερη απόδοση.

Μοντέλο και Αποτελέσματα Προσομοίωσης

Εκπαιδευτική Σύνθεση

Ο πυρήνας κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας τέσσερις U-μορφη πυρήνες συνδυασμένους σε ένα επίπεδο. Ο πλήρης πυρήνας αποτελείται από τρία επίπεδα με πλεξίδες τοποθετημένες στο κέντρο του πυρήνα. Οι τρεις πλεξίδες χαμηλών τάσεων (LV) πλεξιδώνονται μαζί για να ενισχύσουν τη συνδέσεως. Σχεδιάζεται ένας μετατροπέας διπλής ενεργής γέφυρας (DAB) για τη δοκιμή του προτεινόμενου μετατροπέα. Χρησιμοποιούνται SiC MOSFETs στο σχεδιασμό του μετατροπέα. Για την πόρτα μεσαίων τάσεων (MV), υλοποιείται μια γέφυρα ορθογωνίων με SiC διόδους, η οποία είναι επίσης συνδεδεμένη με ένα φορτίο αντίστασης χωρητικότητας 7.2 kV.

Συμπέρασμα

Αυτή η εργασία εστιάζει στον σχεδιασμό ενός τεσσάρων πληθυντικών μεσαίου υψηλού πολυπληθυντικού αλλαξιού (MV MPSST) που επιτρέπει την ολοκλήρωση τεσσάρων διαφορετικών πηγών ή φορτίων σε εφαρμογές μικρών δικτύων. Ένας πληθυντής του αλλαξιού είναι ένας μεσαίου υψηλού (MV) πληθυντής με ισχύ 4.16 kV CA. Αναθεωρήθηκαν διάφορα μοντέλα αλλαξιών και υλικά πυρήνων. Εκτός από τον σχεδιασμό του αλλαξιού, αναπτύχθηκαν δοκιμαστικές διατάξεις για τους MV και LV πληθυντές. Στις πειραματικές επιβεβαιώσεις επιτεύχθηκε απόδοση 99%.