Disenyo ng Apat na Pwesto na Solid-State Transformer: Epektibong Solusyon sa Pagsasama para sa Microgrids

Ang paggamit ng power electronics sa industriya ay lumalaki, mula sa mga small-scale na aplikasyon tulad ng mga charger para sa mga battery at LED drivers, hanggang sa mga large-scale na aplikasyon tulad ng photovoltaic (PV) systems at electric vehicles. Karaniwan, binubuo ng isang power system ang tatlong bahagi: power plants, transmission systems, at distribution systems. Tradisyonal na, ginagamit ang mga low-frequency transformers para sa dalawang layunin: electrical isolation at voltage matching. Gayunpaman, ang mga 50-/60-Hz transformers ay malalaki at matatag. Ginagamit ang mga power converters upang magbigay ng compatibility sa pagitan ng mga bagong at legacy power systems, nagpapahalaga sa konsepto ng solid-state transformers (SST). Sa pamamagitan ng paggamit ng high- o medium-frequency power conversion, ang mga SST ay binabawasan ang laki ng transformer at nagbibigay ng mas mataas na power density kumpara sa mga conventional transformers.

Ang mga pag-unlad sa magnetic materials—na may mataas na flux density, mataas na power at frequency capability, at mababang power losses—ay nagpayak na makabuo ang mga mananaliksik ng mga SST na may mataas na power density at efficiency. Sa karamihan ng mga kaso, nakatuon ang pananaliksik sa mga traditional dual-winding transformers. Gayunpaman, ang lumalaking integration ng distributed generation, kasama ang pag-unlad ng smart grids at microgrids, ay naging dahilan sa konsepto ng multi-port solid-state transformers (MPSST).

Sa bawat port ng converter, ginagamit ang dual active bridge (DAB) converter, na gumagamit ng leakage inductance ng transformer bilang inductor ng converter. Ito ay binabawasan ang laki sa pamamagitan ng pag-eliminate ng pangangailangan para sa karagdagang mga inductor at din ito ay binabawasan ang mga losses. Ang leakage inductance ay depende sa placement ng winding, core geometry, at coupling coefficient, kaya naging mas komplikado ang disenyo ng transformer. Ginagamit ang phase shift control sa DAB converters upang i-regulate ang power flow sa pagitan ng mga ports. Gayunpaman, sa isang MPSST, ang phase shift sa isang port ay nakakaapekto sa power flow sa iba pang mga ports, kaya tumataas ang complexity ng kontrol sa bilang ng mga ports. Bilang resulta, nakatuon ang karamihan ng mga pananaliksik sa MPSST sa mga three-port systems.

Nakatuon ang paper na ito sa disenyo ng solid-state transformer para sa microgrid applications. Ang transformer ay naglalaman ng apat na ports sa isang single magnetic core. Ito ay nag-ooperate sa switching frequency na 50 kHz, na may bawat port na rated para sa 25 kW. Ang configuration ng port ay kumakatawan sa isang realistic na microgrid model na binubuo ng utility grid, energy storage system, photovoltaic system, at local load. Ang grid port ay nag-ooperate sa 4,160 VAC, habang ang iba pang tatlong ports ay nag-ooperate sa 400 V.

Four-Port SST

Transformer Design

Ipinaliliwanag ng Table 1 ang iba't ibang commonly used na materyales para sa paggawa ng mga transformer cores, kasama ang kanilang mga advantages at disadvantages. Ang layunin ay pumili ng materyal na kayang suportahan ang 25 kW per port sa 50 kHz operating frequency. Ang commercially available na mga materyal para sa transformer core ay kinabibilangan ng silicon steel, amorphous alloy, ferrite, at nanocrystalline. Para sa target application—apat na port na transformer na nag-ooperate sa 50 kHz na may 25 kW per port—kinakailangang matukoy ang pinakasuitable na core material. Sa pamamagitan ng pag-analyze ng table, napili ang nanocrystalline at ferrite bilang potential candidates. Gayunpaman, ang nanocrystalline ay nagpapakita ng mas mataas na power losses sa switching frequencies na higit sa 20 kHz. Kaya, ang ferrite ang huling pinili bilang core material para sa transformer.

Different Core Materials and Their Characteristics

Mahalaga rin ang disenyo ng transformer core, dahil ito ay nakakaapekto sa compactness, power density, at overall size—ngunit lalo na, ito ay nakakaapekto sa leakage inductance ng transformer. Para sa 330-kW, 50-Hz dual-port transformer, ipinaglaban ang mga core shapes tulad ng core-type at shell-type, na nagpapakita na ang shell-type configuration ay nagbibigay ng mas mababang leakage inductance at mas smooth na power flow. Kaya, gagamitin ang shell-type configuration, na may lahat ng apat na windings na stacked concentrically sa center limb ng transformer, na nagpapabuti sa coupling coefficient.

Ang shell-type core ay may sukat na 186×152×30 mm, at ang ferrite material na ginamit ay 3C94 sa 4xU93×76×30 mm configuration. Ginagamit ang Litz wire para sa winding ng medium-voltage (MV) at high-current ports, na may rating na 3.42 A at 62.5 A, respectively. Para sa low-voltage (LV) ports, ginagamit ang 16 AWG at 4 AWG wires. Ang pag-twist ng LV windings ay nagpapabuti pa ng magnetic coupling.

Matapos makuha ang proposed MV MPSST design, ginagawa ang Maxwell-3D/Simplorer simulations. Ang port voltages para sa medium-voltage grid, energy storage, load, at photovoltaic systems ay itinakda sa 7.2 kVDC at 400 VDC, respectively. Ginagawa ang mga simulation sa ilalim ng full load, na may load port na nagdala ng 25 kW sa switching frequency na 50 kHz at 50% duty cycle. Nakamit ang power control sa pamamagitan ng pag-adjust ng phase shift sa pagitan ng mga converter cells. Ipinaliliwanag ang mga resulta sa table. Ang iba't ibang models ay nagpapakita ng iba't ibang characteristics tulad ng core shape, cross-sectional area, loss, at volume. Tulad ng ipinaliliwanag sa table, ang Model 7 ay nagpapakita ng mas mababang leakage inductance at mas mataas na efficiency.

Model and Simulation Results

Experimental Setup

Ginawa ang core gamit ang apat na U-shaped cores na inassembled sa isang layer. Ang buong core ay binubuo ng tatlong layers na may windings na nasa center limb. Ang tatlong low-voltage (LV) port windings ay wound together upang mapabuti ang coupling. Isinulat ang isang dual active bridge (DAB) converter upang subukan ang proposed transformer. Ginamit ang SiC MOSFETs sa disenyo ng converter. Para sa medium-voltage (MV) port, isinagawa ang isang rectifier bridge gamit ang SiC diodes, na konektado din sa isang resistive load bank na may rating na 7.2 kV.

Conclusion

Nakatuon ang paper na ito sa disenyo ng apat na port na medium-voltage multi-port solid-state transformer (MV MPSST) na nagbibigay ng integration ng apat na iba't ibang sources o loads sa microgrid applications. Isa sa mga port ng transformer ay isang medium-voltage (MV) port na may rating na 4.16 kV AC. Inirerekumendo ang iba't ibang transformer models at core materials. Kasama sa disenyo ng transformer, ginawa ang mga test setups para sa MV at LV ports. Nakamit ang 99% na efficiency sa experimental validation.