Deseño dun transformador de estado sólido de catro portos Solución eficiente de integración para microredes

O uso de electrónica de potencia na industria está aumentando, desde aplicacións a pequena escala como cargadores de baterías e controladores LED, ata aplicacións a gran escala como sistemas fotovoltaicos (PV) e vehículos eléctricos. Tipicamente, un sistema de potencia consiste en tres partes: centrais eléctricas, sistemas de transmisión e sistemas de distribución. Tradicionalmente, os transformadores de baixa frecuencia usábanse para dous propósitos: aislamento eléctrico e adaptación de voltaxe. No entanto, os transformadores de 50/60 Hz son voluminosos e pesados. Os conversores de potencia úsanse para permitir a compatibilidade entre novos e antigos sistemas de potencia, aproveitando o concepto de transformadores de estado sólido (SST). Ao empregar a conversión de potencia de alta ou media frecuencia, os SSTs reducen o tamaño do transformador e ofrecen unha maior densidade de potencia comparados cos transformadores convencionais.

Os avances nos materiais magnéticos, que presentan alta densidade de fluxo, alta capacidade de potencia e frecuencia, e baixas perdas de potencia, permíton aos investigadores desenvolver SSTs con alta densidade de potencia e eficiencia. Na maioría dos casos, a investigación centrouse en transformadores duales de bobinado tradicionais. No entanto, a crecente integración da xeración distribuída, xunto co desenvolvemento de redes intelixentes e microxrids, levou ao concepto de transformadores de estado sólido multiporto (MPSST).

Nunha converter DAB (puente activo dual) usa-se en cada porto, que utiliza a inductancia de fuga do transformador como inductor do conversor. Isto reduce o tamaño eliminando a necesidade de inductores adicionais e tamén minimiza as perdas. A inductancia de fuga depende da colocación do bobinado, a xeometría do núcleo e o coeficiente de acoplamento, facendo que o deseño do transformador sexa máis complexo. O control de desprazamento de fase usa-se en convertidores DAB para regular o fluxo de potencia entre portos. No entanto, nun MPSST, o desprazamento de fase nun porto afecta o fluxo de potencia noutros portos, aumentando a complexidade de control con o número de portos. Como resultado, a maior parte da investigación en MPSST centrase en sistemas de tres portos.

Este artigo centrase no deseño dun transformador de estado sólido para aplicacións en microxrids. O transformador integra catro portos nun único núcleo magnético. Funciona a unha frecuencia de commutación de 50 kHz, con cada porto calificado para 25 kW. A configuración de portos representa un modelo realista de microgrid que comprende a rede eléctrica, o sistema de almacenamento de enerxía, o sistema fotovoltaico e a carga local. O porto da rede opera a 4,160 VAC, mentres que os outros tres portos operan a 400 V.

Transformador de Estado Sólido de Catro Portos

Deseño do Transformador

A táboa 1 amosa varios materiais comúnmente utilizados para a fabricación de núcleos de transformador, xunto coas súas vantaxes e desvantaxes. O obxectivo é seleccionar un material capaz de soportar 25 kW por porto a unha frecuencia de funcionamento de 50 kHz. Os materiais de núcleo de transformador comercialmente dispoñibles inclúen aço silicio, liga amorfa, ferrita e nanocristalina. Para a aplicación de destino, un transformador de catro portos que funciona a 50 kHz con 25 kW por porto, debe identificarse o material de núcleo máis adecuado. Analizando a táboa, tanto a nanocristalina como a ferrita son seleccionadas como candidatas potenciais. No entanto, a nanocristalina presenta maiores perdas de potencia a frecuencias de commutación superiores a 20 kHz. Polo tanto, a ferrita é finalmente seleccionada como o material de núcleo para o transformador.

Diferentes Materiais de Núcleo e as súas Características

O deseño do núcleo do transformador tamén é crítico, xa que afecta a compactación, a densidade de potencia e o tamaño global, pero, máis importante, influencia a inductancia de fuga do transformador. Para un transformador de dous portos de 330 kW a 50 Hz, foron comparadas formas de núcleo como tipo núcleo e tipo carcasa, demostrando que a configuración de tipo carcasa ofrece menor inductancia de fuga e un fluxo de potencia máis suave. Polo tanto, usaráse unha configuración de tipo carcasa, con todos os catro bobinados apilados concéntricamente no miembro central do transformador, mellorando así o coeficiente de acoplamento.

O núcleo de tipo carcasa mide 186×152×30 mm, e o material de ferrita usado é 3C94 nunha configuración de 4xU93×76×30 mm. Usa-se cable Litz para o bobinado tanto dos portos de media tensión (MV) como dos de alta corrente, calificados para 3.42 A e 62.5 A, respectivamente. Para os portos de baixa tensión (LV), empreganse cables de 16 AWG e 4 AWG. Enrollar xuntos os bobinados de LV ademais melhora o acoplamento magnético.

Despois de completar o deseño proposto do MV MPSST, realizáronse simulacións con Maxwell-3D/Simplorer. As voltaxes dos portos para a rede de media tensión, o almacenamento de enerxía, a carga e os sistemas fotovoltaicos establecéronse en 7.2 kVDC e 400 VDC, respectivamente. Realizáronse simulacións a plena carga, co porto de carga entregando 25 kW a unha frecuencia de commutación de 50 kHz e un ciclo de traballo do 50%. O control de potencia lográbase axustando o desprazamento de fase entre as células conversoras. Os resultados preséntanse na táboa. Diferentes modelos exhiben características variadas como a forma do núcleo, a área seccional, as perdas e o volume. Como amóstrase na táboa, o Modelo 7 demostra menor inductancia de fuga e maior eficiencia.

Modelo e Resultados de Simulación

Configuración Experimental

O núcleo constrúese usando catro núcleos en forma de U ensamblados nunha única capa. O núcleo completo consta de tres capas con bobinados colocados no miembro central. Os tres bobinados de portos de baixa tensión (LV) enróllanse xuntos para mellorar o acoplamento. Diseñouse un conversor DAB (puente activo dual) para probar o transformador proposto. Usáronse MOSFETs de SiC no deseño do conversor. Para o porto de media tensión (MV), implementouse un puente rectificador utilizando diodos de SiC, que tamén está conectado a un banco de carga resistiva calificado para manexar 7.2 kV.

Conclusión

Este artigo centrase no deseño dun transformador de estado sólido de catro portos de media tensión (MV MPSST) que permite a integración de catro fontes ou cargas diferentes en aplicacións de microxrids. Un porto do transformador é un porto de media tensión (MV) calificado para 4.16 kV AC. Foron revisados diversos modelos de transformadores e materiais de núcleo. Ademais do deseño do transformador, desenvolvéronse configuracións de proba tanto para os portos de MV como de LV. Logrouse unha eficiencia do 99% na validación experimental.