Conception d'un transformateur à semi-conducteurs à quatre ports : solution d'intégration efficace pour les micro-réseaux

L'utilisation de l'électronique de puissance dans l'industrie est en augmentation, allant des applications à petite échelle comme les chargeurs de batteries et les alimentations LED, aux applications à grande échelle comme les systèmes photovoltaïques (PV) et les véhicules électriques. Typiquement, un système de puissance se compose de trois parties : les centrales électriques, les systèmes de transport et les systèmes de distribution. Traditionnellement, les transformateurs à basse fréquence sont utilisés à deux fins : l'isolement électrique et l'adaptation de tension. Cependant, les transformateurs 50/60 Hz sont volumineux et lourds. Les convertisseurs de puissance sont utilisés pour permettre la compatibilité entre les nouveaux et les anciens systèmes de puissance, en s'appuyant sur le concept de transformateurs à état solide (SST). En utilisant une conversion de puissance à haute ou moyenne fréquence, les SST réduisent la taille des transformateurs et offrent une densité de puissance plus élevée par rapport aux transformateurs conventionnels.

Les progrès dans les matériaux magnétiques - caractérisés par une densité de flux élevée, une capacité de puissance et de fréquence élevée, et des pertes de puissance faibles - ont permis aux chercheurs de développer des SST avec une densité de puissance et une efficacité élevées. Dans la plupart des cas, la recherche s'est concentrée sur les transformateurs traditionnels à double enroulement. Cependant, l'intégration croissante de la génération distribuée, ainsi que le développement des réseaux intelligents et des micro-réseaux, a conduit au concept de transformateurs à état solide multi-ports (MPSST).

À chaque port du convertisseur, un convertisseur à pont actif double (DAB) est utilisé, qui utilise l'inductance de fuite du transformateur comme inducteur du convertisseur. Cela réduit la taille en éliminant le besoin d'inducteurs supplémentaires et diminue également les pertes. L'inductance de fuite dépend de la disposition des enroulements, de la géométrie du noyau et du coefficient de couplage, rendant la conception du transformateur plus complexe. Le contrôle par déphasage est utilisé dans les convertisseurs DAB pour réguler le flux de puissance entre les ports. Cependant, dans un MPSST, le déphasage à un port affecte le flux de puissance aux autres ports, augmentant la complexité du contrôle avec le nombre de ports. Par conséquent, la plupart des recherches sur les MPSST se concentrent sur les systèmes à trois ports.

Ce document se concentre sur la conception d'un transformateur à état solide pour des applications de micro-réseau. Le transformateur intègre quatre ports sur un seul noyau magnétique. Il fonctionne à une fréquence de commutation de 50 kHz, avec chaque port classé pour 25 kW. La configuration des ports représente un modèle de micro-réseau réaliste comprenant le réseau d'alimentation, le système de stockage d'énergie, le système photovoltaïque et la charge locale. Le port réseau fonctionne à 4 160 VAC, tandis que les trois autres ports fonctionnent à 400 V.

Transformateur à quatre ports SST

Conception du transformateur

Le tableau 1 montre divers matériaux couramment utilisés pour la fabrication des noyaux de transformateurs, ainsi que leurs avantages et inconvénients. L'objectif est de sélectionner un matériau capable de supporter 25 kW par port à une fréquence de fonctionnement de 50 kHz. Les matériaux de noyau de transformateur disponibles sur le marché incluent l'acier silicium, l'alliage amorphe, la ferrite et le nanocristallin. Pour l'application cible - un transformateur à quatre ports fonctionnant à 50 kHz avec 25 kW par port - le matériau de noyau le plus approprié doit être identifié. En analysant le tableau, le nanocristallin et la ferrite sont retenus comme candidats potentiels. Cependant, le nanocristallin présente des pertes de puissance plus élevées à des fréquences de commutation supérieures à 20 kHz. Par conséquent, la ferrite est finalement choisie comme matériau de noyau pour le transformateur.

Différents matériaux de noyau et leurs caractéristiques

La conception du noyau de transformateur est également cruciale, car elle affecte la compacité, la densité de puissance et la taille globale, mais surtout, elle influence l'inductance de fuite du transformateur. Pour un transformateur à double port de 330 kW, 50 Hz, des formes de noyau telles que le type noyau et le type enveloppe ont été comparées, montrant que la configuration de type enveloppe offre une inductance de fuite plus faible et un flux de puissance plus fluide. Par conséquent, une configuration de type enveloppe sera utilisée, avec tous les quatre enroulements empilés concentriquement sur le membre central du transformateur, améliorant ainsi le coefficient de couplage.

Le noyau de type enveloppe mesure 186×152×30 mm, et le matériau ferrite utilisé est 3C94 dans une configuration 4xU93×76×30 mm. Du fil Litz est utilisé pour l'enroulement des ports à moyenne tension (MV) et à fort courant, classés respectivement à 3,42 A et 62,5 A. Pour les ports à basse tension (LV), des fils de calibre 16 AWG et 4 AWG sont utilisés. Tordre les enroulements LV ensemble améliore davantage le couplage magnétique.

Après avoir terminé la conception proposée du MV MPSST, des simulations Maxwell-3D/Simplorer sont effectuées. Les tensions des ports pour le réseau à moyenne tension, le stockage d'énergie, la charge et les systèmes photovoltaïques sont fixées à 7,2 kVDC et 400 VDC, respectivement. Des simulations sont réalisées sous pleine charge, avec le port de charge fournissant 25 kW à une fréquence de commutation de 50 kHz et un cycle de travail de 50 %. Le contrôle de puissance est réalisé en ajustant le déphasage entre les cellules de convertisseur. Les résultats sont présentés dans le tableau. Différents modèles présentent des caractéristiques variées telles que la forme du noyau, la section transversale, les pertes et le volume. Comme indiqué dans le tableau, le Modèle 7 démontre une inductance de fuite plus faible et une efficacité plus élevée.

Résultats des modèles et des simulations

Montage expérimental

Le noyau est construit en utilisant quatre noyaux en forme de U assemblés en une seule couche. Le noyau complet est composé de trois couches avec des enroulements placés sur le membre central. Les trois enroulements des ports à basse tension (LV) sont enroulés ensemble pour améliorer le couplage. Un convertisseur à pont actif double (DAB) est conçu pour tester le transformateur proposé. Des MOSFET SiC sont utilisés dans la conception du convertisseur. Pour le port à moyenne tension (MV), un pont redresseur est mis en œuvre en utilisant des diodes SiC, qui est également connecté à une banque de charges résistives classée pour gérer 7,2 kV.

Conclusion

Ce document se concentre sur la conception d'un transformateur à état solide multi-ports à moyenne tension (MV MPSST) à quatre ports qui permet l'intégration de quatre sources ou charges différentes dans des applications de micro-réseau. Un port du transformateur est un port à moyenne tension (MV) classé pour 4,16 kV AC. Différents modèles de transformateurs et matériaux de noyau ont été examinés. En plus de la conception du transformateur, des montages de test ont été développés pour les ports MV et LV. Une efficacité de 99 % a été atteinte lors de la validation expérimentale.