Neliportse põhjapaneva teisenditehnika projekteerimine: efektiivne integreerimislahendus mikrogrididele

Elektroonika kasutamine tööstuses suureneb, hõlmades nii väikesemahulisi rakendusi nagu akude laadimissüsteemid ja LED-juhid, kui ka suuremahulisi rakendusi nagu fotogaalikud (PV) süsteemid ja elektriajad. Tavaliselt koosneb energiaüsteem kolmest osast: elektrijaamadest, edasitoodangusüsteemidest ja jaotussüsteemidest. Traditsiooniliselt kasutatakse madalate sagedustega transformatoreid kahe eesmärgi saavutamiseks: elektrilise eralduse ja pinge vastavuse tagamiseks. Kuid 50-/60-Hz transformatored on mahukad ja rasvad. Energiaümbritsetajad kasutatakse uute ja vanade energiaüsteemide ühildatavuse tagamiseks, kasutades kiirtransformatore (SST) mõistet. Kõrge- või keskmise sagedusega energiateisenduse kasutamisel vähendavad SST-d transformaatorite suurust ja pakuvad suuremat võimsuse tihedust traditsiooniliste transformatorte võrreldes.

Magnetiliste materjalide edusammud – kõrge fluxitihe, kõrge võimsus ja sageduse võime, ning madalad võimsuskahjud – on võimaldanud teadlastel arendada SST-de, mis omavad kõrget võimsuse tihedust ja efektiivsust. Enamikul juhtudel on uurimused keskendunud traditsioonilistele kahekatusega transformatoretele. Kuid hajus tootmise integreerimine, koos tehisvõrkude ja mikrovõrkude arenemisega, on viinud mitmeportiga kiirtransformaorite (MPSST) mõisteni.

Iga ümbritsetaja porti puhul kasutatakse topeltaktiivset silta (DAB) ümbritsetajat, mis kasutab transformaatori lekke induktiivsust ümbritsetaja induktori kui. See vähendab suurust, kui ei ole vaja lisainduktoreid, ja vähendab ka kahjusid. Lekke induktiivsus sõltub katte paigutusest, tuumageomeetriast ja koppelsuhetest, mis muudab transformaatorit disainimise keerulisemaks. DAB ümbritsetajates kasutatakse faasisihtri kontrolli, et reguleerida võimu voogu portide vahel. Kuid MPSST-s mõjutab ühe porti faasisihtrit võimu voogu teistes portides, suurendades kontrolli keerukust portide arvu kasvuga. Seetõttu keskendub enamik MPSST-uuringuid kolmeportilistele süsteemidele.

See artikkel keskendub kiirtransformaori disainile mikrovõrgu rakenduste jaoks. Transformaator sisaldab ühel magnettuumal nelja porti. See töötab 50 kHz lülitussagedusega, iga port on mõõdeldud 25 kW võimsuseks. Portide konfiguratsioon esindab realistlikku mikrovõrgu mudelit, mis hõlmab tarbija võrgu, energiakaitse süsteemi, fotogaalikku süsteemi ja kohalikku laadi. Võrguport töötab 4,160 VAC, samas kui teised kolm porti töötavad 400 V.

Neljaportiline SST

Transformaatoridisain

Tabel 1 näitab erinevaid tavaliselt kasutatavaid materjale transformaatorituumade valmistamiseks koos nende eeliste ja puudustega. Eesmärk on valida materjal, mis suudab toetada 25 kW porti 50 kHz tööpikkusega. Kaubanduslikult saadaval olevad transformaatorituumade materjalid hõlmavad silitsiumteras, amorfne alliaas, ferrüüd ja nanokristalline. Sihtotstarbeliseks rakenduseks – nelja-portilise transformaatoriga, mis töötab 50 kHz ja 25 kW porti – tuleb määrata sobivaim tuuma materjal. Tabeli analüüsimisel on nanokristalline ja ferrüüd lühima listi kandidaadid. Kuid nanokristalline näitab kõrgemaid võimsuskahju 20 kHz ületamas. Seetõttu valitakse lõpuks ferrüüd transformaatori tuuma materjaliks.

Erinevad tuuma materjalid ja nende omadused

Transformaatorituumade disain on ka oluline, sest see mõjutab kompaktsust, võimsuse tihedust ja üldist suurust, kuid eelkõige mõjutab see transformaatori lekke induktiivsust. 330 kW, 50 Hz kaheportilise transformaatori puhul on võrreldud tuuma kuju, näiteks tuumatu ja kerekuju, näidates, et keretüübil on madalam lekke induktiivsus ja siledam võimu voog. Seetõttu kasutatakse keretüübilist konfiguratsiooni, kus kõik neli kattu on kõrvuti kõrvalt tuuma keskmesse, parandades seeläbi koppelkoefitsienti.

Kerekuju tuum mõõdub 186×152×30 mm, ja kasutatav ferrüümaterjal on 3C94 4xU93×76×30 mm konfiguratsioonis. Litz-tüüpi joon kasutatakse keskminepinge (MV) ja kõrgejoonte (high-current) portide kattu, millel on vastavalt 3.42 A ja 62.5 A. Madalapinge (LV) portide jaoks kasutatakse 16 AWG ja 4 AWG joont. LV-kattude kattu kokku pigistamine tugevdab veelgi magnetilist koppelust.

Pärast MV MPSST projekteeritud disaini lõpetamist tehakse Maxwell-3D/Simplorer simulatsioonid. Keskmise pingega võrgu, energiakaitse, laadi ja fotogaaliku süsteemi portide pingeid seatakse vastavalt 7.2 kVDC ja 400 VDC. Simulatsioonid tehakse täielikul laadil, kus laadiport annab välja 25 kW 50 kHz lülitussageduse ja 50% tööpikkusega. Võimu kontroll saavutatakse ümbritsetajate elementide faasisihtri kaudu. Tulemused on tabelis esitatud. Erinevad mudelid näitavad erinevat käitumist, näiteks tuuma kuju, ristlõikeala, kahjud ja ruumala. Tabelis näidatud Model 7 näitab madalamat lekke induktiivsust ja kõrgemat efektiivsust.

Mudel ja simulatsioonitulemused

Eksperimentaalne seadistus

Tuum koostatakse neljast U-kujulist tuumast, mis on ühte kihti kokku pandud. Täispikkune tuum koosneb kolmest kihist, kus kattud asuvad tuuma keskmes. Kolm madalapinge (LV) porti kattu on kattu kokku pigistatud, et tugevdada koppelust. Topeltaktiivne silta (DAB) ümbritsetaja on disainitud ettepaneku transformaatori testimiseks. Ümbritsetaja disainis kasutatakse SiC MOSFET-e. Keskmise pingega (MV) porti puhul on rakendatud SiC diodidega varisilma, mis on ka ühendatud vastavaga laadiga, mis on mõõdeldud 7.2 kV-le.

Järeldus

See artikkel keskendub nelja-portilise keskmise pingega mitmeportilise kiirtransformaori (MV MPSST) disainile, mis võimaldab integreerida nelja erinevat allikat või laadi mikrovõrgu rakendustes. Üks transformaatori port on keskmise pingega (MV) port, mille mõõt on 4.16 kV AC. Vaadeldi erinevaid transformaatorimudeleid ja tuuma materjale. Lisaks transformaatoridisainile arendati testiseadistused nii MV kui ka LV portide jaoks. Eksperimentaalsetes katsetes saavutati 99% efektiivsus.