Diseinu bat bereziaren Trasformadore Elektrikoak: Mikrogriden Integrazio Soluzio Efektiboa

Industria elektrikaren erabilera handitzen ari da, bateriak kargatzeko eta LEDen kontrolari dagokien aplikazio txikietatik abiaraziz, fotovoltaiko (PV) sistemak eta elektrikoa gordeko dituzten norabideetara. Ohikoa da indarraren sistema hiru zati nagusitan banatuta dagoela: produzio-guneak, transmitazio-sistemak eta banaketa-sistemak. Tradizionalki, maiztasun baxuko transformadoreak bi helburutan erabiltzen dira: elektrizitate isolamendua eta tensioen batasuna. Hala ere, 50-/60-Hzko transformadoreak oso handiak eta pisu handikoak dira. Indarraren konbertsoreak erabiltzen dira jatorrizko eta berriak diren sistemak konpatibiletasuna eskaintzeko, solido egoerako transformadore (SST) kontzeptua erabiliz. Maiztasun altu edo erdigunean egin ezarritako indarraren konbertsioa SSTek transformadore arruntetatik aldatzean tamaina murriztuko du eta indarraren dentsitatea handiagoa izango da.

Magnetiko materialen aurrerapena—indarraren fluxu dentsitate handia, indarru handia eta maiztasuna, eta indarru galere txikia dituzten—ikertzaileei SST gehiago indarraren dentsitate eta efizientzia handiarekin garatu ahal izan dizkie. Kasu gehienetan, ikerketa transformadore bikotako arrunta gainean zentratzen da. Hala ere, banaketako generazioa gehitzen joanda, smart grids eta mikrogrids garatzen direnean, multi-port solid-state transformers (MPSST) kontzeptua sortu da.

Konbertsorearen portuan, dual active bridge (DAB) konbertsorea erabiltzen da, transformadorearen ilundurra konbertsorearen induktore gisa erabili arte. Horrela, tamaina murriztuko da induktore gehigarriak beharrezkoa ez izateagatik eta galereak murriztu. Ilundura depende egitura lerroan kokatuta dagoen, nukleoaren geometria eta kopplatura koefizientea, transformadore diseinua konplexuago egiten du. DAB konbertsoreetan fase desplazamendu kontrola erabiltzen da portuetan errealizatutako indarraren fluxua kontrolatzeko. Baina MPSSTn, portu baten fase desplazamenduak beste portuen indarraren fluxua eragin dezake, kontrolaren konplexutasuna portu kopuruarekin handitzen ari da. Emaitza horretan, MPSST ikerketa gehienetan hiru portuko sistemak dira fokuzatzen.

Lana honetan microgrid aplikazioetarako solid-state transformadorearen diseinua aztertzen da. Transformadoreak lau portu integrazioa du magnetiko nukleo bakarrean. Aldaketa maiztasun 50 kHz-koan funtzionatzen du, portu bakoitzak 25 kW-ko kalifikazioa du. Portu konfigurazioak microgrid modelu erreala adierazten du, zerbitzu grid, energia biltegiratze sistema, fotovoltaiko sistema eta kokalgarri lokalak barne hartuz. Grid portua 4,160 VAC-n funtzionatzen du, beste hiru portuak 400 V-n.

Lau Portuko SST

Transformadore Diseinua

Taula 1-ak transformadore nukleorako erabilitako material ohikoenak erakusten ditu, baita avantazio eta desavantazioak. Helburua portu bakoitzak 25 kW-ko kalifikazioa duen 50 kHz funtzionamendu maiztasunan material bat hautatzeko. Transformadore nukleo material komertzialak silizio arrautza, amorfoko aleazioa, ferrita eta nanokristalina dira. Helmuga aplikazioa—lau portuko transformadore 50 kHz-n funtzionatzen duen 25 kW-ko kalifikazioarekin—material nukleo egokia aukeratu behar da. Taula analizatuz, nanokristalina eta ferrita aukeratzen dira material posibelak. Hala ere, nanokristalina 20 kHz baino gehiagoko aldaketa maiztasunetan indarru galere altuagoak ditu. Beraz, ferrita aukeratzen da transformadorearen nukleo materiala.

Nukleo Material Desberdinak eta Euren Ezaugarriak

Transformadore nukleo diseinua ere garrantzitsu da, tamaina txikiagatik, indarraren dentsitatea eta tamaina orokorra—baina garrantzitsuen, transformadorearen ilundura eragin dezake. 330-kW, 50-Hzko bikotako portuko transformadorerako, nukleo formatuak, adibidez, core-type eta shell-type, alderatzen dira, adierazten dute shell-type konfigurazioak ilundura txikiagoa eta indarraren fluxu lisagarria eskaintzen duela. Beraz, shell-type konfigurazioa erabiliko da, lau lerro guztiak transformadorearen erdiko ardatzan biribil konzentrikoki kokatuta, hala nola kopplatura koefizientea hobetzen.

Shell-type nukleo neurtzen du 186×152×30 mm, eta ferrita materiala 3C94 4xU93×76×30 mm konfigurazioan. Litz wire erabiltzen da MV eta indarru handiko portuei, 3.42 A eta 62.5 A kalifikazioan. LV portuetarako, 16 AWG eta 4 AWG kable erabiltzen dira. LV lerroak elkarrekin biribiltekeak indarraren kopplatura hobetzen du.

MV MPSST diseinu proposatua burutu ondoren, Maxwell-3D/Simplorer simulazioak egiten dira. MV grid, energia biltegiratze, kokalgarri eta PV sistemarako portu tensioak 7.2 kVDC eta 400 VDC bezala ezarriko dira. Simulazioak oso kokalgarri baten gainean egiten dira, kokalgarri portua 25 kW ematen duena 50 kHz aldaketa maiztasunarekin eta 50% dutza tasa. Indarru kontrola konbertsore gelaxken arteko fase desplazamendua aldatuz lortzen da. Emaitzak taulan agertzen dira. Modelu desberdinak nukleo formatu, sekzio ebaki area, galera eta bolumen ezaugarri desberdinak dituzte. Taulan ikusten den moduan, Model 7 ilundura txikiagoa eta efizientzia handiagoa ditu.

Modeloa eta Simulazio Emaitzak

Esperimentuaren Konfigurazioa

Nukleo U-formako nukleo lau osatuta dago. Nukleo osoa hiru geruza ditu, lerroak erdiko ardatzan kokatuta. Hiru LV portu lerroak elkarrekin biribiltekeak kokatzen dira kopplatura hobetzeko. Dual active bridge (DAB) konbertsore bat diseinatzen da proposatutako transformadorearen probatzeko. SiC MOSFET erabiltzen dira konbertsorearen diseinuan. MV porturako, SiC diodeak erabiliz zuzendaritza puentea osatzen da, 7.2 kV-ren kokalgarri resistente bat lotuta.

Kontzeptua

Lana honetan lau portuko MV multi-port solid-state transformadore (MV MPSST) baten diseinua aztertzen da, microgrid aplikazioetan lau iturri edo kokalgarri desberdinen integrazioa ahalbidetzen duena. Transformadorearen portu bat MV portu bat da, 4.16 kV AC-rekin kalifikatuta. Transformadore modelu desberdinak eta nukleo materialak berrikusi dira. Transformadorearen diseinuan, MV eta LV portuei esperimentu konfigurazioak garatu dira. Esperimentuaren balidazioan 99%ko efizientzia lortu da.