Neliporttisen kivijalkamuunnin suunnittelu: Tehokas integraatioratkaisu mikroverkoille

Teollisuudessa sähkötekniikan käyttö on kasvussa, pienimuotoisista sovelluksista kuten akkujen laturista ja LED-ajurista isompiin sovelluksiin kuten aurinkopaneelijärjestelmiin (PV) ja sähköautoihin. Yleensä sähköjärjestelmä koostuu kolmesta osasta: voimaloista, siirtosähköverkoista ja jakelusähköverkoista. Perinteisesti matalataajuisten muuntajien käytetään kahteen tarkoitukseen: sähkölliseen eristämiseen ja jänniteen yhteensopivuuteen. Kuitenkin 50-/60-Hz-muuntimet ovat huluisia ja raskaita. Voimamuunnoksia käytetään uusien ja vanhojen sähköjärjestelmien välisen yhteensopivuuden mahdollistamiseksi hyödyntäen kiinteän tilan muuntimien (SST) käsitettä. Korkean tai keskitason taajuuden voimamuunnosten avulla SST:t vähentävät muuntimien kokoa ja tarjoavat korkeamman tehotiheyden perinteisiin muuntimiin verrattuna.

Magneettisten materiaalien edistysaskeleet, jotka sisältävät korkean fluxtiitiheyden, suuren tehon ja taajuuden kyvyn sekä alhaiset tehohäviöt, ovat mahdollistaneet tutkijoiden kehittää SST:itä, joilla on korkea tehotiheys ja tehokkuus. Useimmissa tapauksissa tutkimus on keskittynyt perinteisiin kaksikierrosmuuntimiin. Kuitenkin hajautetun tuotannon lisääntyvä integraatio yhdessä älykkäiden verkkojen ja mikroverkkojen kehityksen kanssa on johtanut monipuertaisen kiinteän tilan muuntimen (MPSST) käsitteeseen.

Muunnoksen jokaisessa puussa käytetään kaksikierrosaktiivista siltaa (DAB), joka hyödyntää muuntimen vuodatusinduktanssia muunnoksen indukttorina. Tämä vähentää kokoa poistamalla tarpeen lisäinduktoreille ja myös vähentää häviöitä. Vuodatusinduktanssi riippuu kierrosten sijoituksesta, ytimen geometriasta ja kytkemiskerroksesta, mikä tekee muuntimen suunnittelusta monimutkaisempaa. Vaihesiirtovalvonta käytetään DAB-muunnoksissa voimanvirran säätämiseen porttien välillä. Kuitenkin MPSST:ssä vaihesiirto yhdessä portissa vaikuttaa voimanvirraan muissa porteissa, mikä lisää valvonnan monimutkaisuutta porttien määrän kasvaessa. Siksi useimmat MPSST-tutkimukset keskittyvät kolmipuertaisiin järjestelmiin.

Tässä artikkelissa keskitytään mikroverkon sovelluksiin tarkoitettuun kiinteän tilan muuntimen suunnitteluun. Muuntimeen on integroitu neljä porttia yhden magneettisen ytimen päälle. Se toimii 50 kHz:n kytkemisfrekvenssillä, ja kukin portti on suunniteltu 25 kW:lle. Porttien konfiguraatio edustaa realistista mikroverkkomallia, joka koostuu verkkoyrityksen verkosta, energian varastointijärjestelmästä, aurinkopaneelijärjestelmästä ja paikallisesta kuormasta. Verkkoportti toimii 4,160 VAC:ssa, kun taas muut kolme porttia toimivat 400 V:ssa.

Neljänpuertainen SST

Muuntimen suunnittelu

Taulukko 1 näyttää useita yleisesti käytettyjä materiaaleja muuntimen ytimeä varten, yhdessä niiden etuihin ja hankaluuksiin. Tavoitteena on valita materiaali, joka pystyy tukemaan 25 kW per portti 50 kHz:n toimintaan. Kaupallisesti saatavilla olevat muuntimen ytimen materiaalit sisältävät silikkipuuta, amorfisen alliageen, ferritiin ja nanokristallisen. Tavoite-sovellukselle, neljänpuertainen muuntaja toimii 50 kHz:lla ja 25 kW per portti, on löydettävä sopivin ytimen materiaali. Taulukon analysoinnin perusteella sekä nanokristallinen että ferritiini on listattu potentiaalisina ehdokkaina. Kuitenkin nanokristallinen näyttää korkeampia tehohäviöitä yli 20 kHz:n kytkemisfrekvensseissä. Siksi ferritiini on lopulta valittu muuntimen ytimen materiaaliksi.

Eri ytimen materiaalit ja niiden ominaisuudet

Muuntimen ytimen suunnittelu on myös kriittistä, sillä se vaikuttaa kompakkuuteen, tehotiheyteen ja kokoon - mutta ennen kaikkea se vaikuttaa muuntimen vuodatusinduktanssiin. 330-kW, 50-Hz kaksipuertaiselle muuntimelle on verrattu ytimen muotoja, kuten ytimen- ja kuorityyppiset, osoittaen, että kuorityyppinen konfiguraatio tarjoaa alhaisemman vuodatusinduktanssin ja sileämmän voimanvirran. Siksi käytetään kuorityyppistä konfiguraatiota, ja kaikki neljä kierrosta asetetaan keskellä muuntimen keskimmäistä jäsentä, mikä parantaa kytkemiskerrosta.

Kuorityyppinen ydin mitataan 186×152×30 mm, ja käytetty ferritiinimateriaali on 3C94 4xU93×76×30 mm -konfiguraatiossa. Litz-vaijeriä käytetään sekä keskijännite (MV) että suuri virta -porttien kierroksissa, jotka on suunniteltu 3.42 A ja 62.5 A:lle. Matalajännite (LV) -porttien kierroksissa käytetään 16 AWG ja 4 AWG -vaijeriä. LV-kierrosten yhteen kääntäminen edistää magneettista kytkemistä.

Ehdotetun MV MPSST-suunnitelman suorittamisen jälkeen suoritetaan Maxwell-3D/Simplorer-simulaatioita. Keski-jänniteverkon, energian varastoinnin, kuorman ja aurinkopaneelin järjestelmien porttijännitteet asetetaan 7.2 kVDC ja 400 VDC. Simulaatiot suoritetaan täysi kuormassa, kun kuorman portti tuottaa 25 kW 50 kHz:n kytkemisfrekvenssillä ja 50%:n tyypillisellä aikana. Tehonvalvonta saavutetaan muunnosyksikköjen välisen vaihesiirron säätämällä. Tulokset esitetään taulukossa. Eri mallit näyttävät erilaisia ​​ominaisuuksia, kuten ytimen muodon, poikkileikkausalan, häviön ja tilavuuden. Taulukossa näkyvänä Malli 7 osoittaa alhaisemman vuodatusinduktanssin ja korkeamman tehokkuuden.

Malli ja simulointitulokset

Kokeellinen asetelma

Ydin rakennetaan neljästä U-muotoisesta ytimestä, jotka on yhdistetty yhdeksi kerroksiksi. Kokonais ydin koostuu kolmesta kerroksesta, joihin kierrot on asetettu keskimmäiselle jäsenelle. Kolme matalajännite (LV) -portin kierrosta on kierretty yhteen parantaakseen kytkemistä. Kaksikierrosaktiivinen (DAB) muunnos on suunniteltu testaamaan ehdotettua muuntimesta. Muunnoksen suunnittelussa käytetään SiC MOSFETeja. Keski-jännite (MV) -portin käsittelyssä on toteutettu suodin silmukka SiC-diodeilla, joka on myös yhdistetty vastuskuormaan, joka on suunniteltu käsittelemään 7.2 kV.

Johtopäätös

Tässä artikkelissa keskitytään neljänpuertainen keskijännite-monipuertainen kiinteän tilan muuntimen (MV MPSST) suunnitteluun, joka mahdollistaa neljän eri lähteen tai kuorman integroinnin mikroverkon sovelluksissa. Yksi muuntimen portti on keskijännite (MV) -portti, joka on suunniteltu 4.16 kV AC:lle. Erilaisia ​​muuntimen malleja ja ytimen materiaaleja on tarkasteltu. Lisäksi muuntimen suunnittelun lisäksi on kehitetty testiasetelmat sekä MV- että LV-portteihin. Kokeellisessa validoinnissa saavutettiin 99 %:n tehokkuus.