Dizajn četveroputne pečene transformatorice: Učinkito rješenje za integraciju mikromreža

Korištenje elektronike snage u industriji se povećava, od male skale primjena poput punjača baterija i upravljača LED-ova, do velike skale primjena kao što su fotovoltaički (PV) sustavi i električna vozila. Tipično, sustav snage sastoji se od tri dijela: elektrana, prenosnih sustava i distribucijskih sustava. Tradicionalno, niskofrekventni transformatori koriste se za dvije svrhe: električnu izolaciju i usklađivanje napona. Međutim, 50-/60-Hz transformatori su obujmlji i teški. Pretvarači snage koriste se kako bi omogućili kompatibilnost između novih i postojećih sustava snage, iskoristivši koncept čvrstotijelne transformatora (SST). Korištenjem visokofrekventnog ili srednjofrekventnog pretvaranja snage, SST-i smanjuju veličinu transformatora i nude veću gustoću snage u usporedbi s konvencionalnim transformatorima.

Napredak u magnetnim materijalima - koji imaju visoku gustoću fluksa, visoku mogućnost snage i frekvencije, te niske gubitke snage - omogućio je istraživačima da razviju SST-e s visokom gustoćom snage i učinkovitosti. U većini slučajeva, istraživanja su se fokusirala na tradicionalne transformatore s dvostrukim vijevanjem. Međutim, rastuća integracija distribuirane generacije, zajedno s razvojem pametnih mreža i mikromreža, dovela je do koncepta višeportnih čvrstotijelnih transformatora (MPSST).

Na svakom priključku pretvarača koristi se pretvarač dvostrukog aktivnog mosta (DAB), koji koristi curenje induktivnosti transformatora kao induktor pretvarača. To smanjuje veličinu eliminiranjem potrebe za dodatnim induktorima i također smanjuje gubitke. Curenje induktivnosti ovisi o položaju vijaka, geometriji jezgra i koeficijentu spajanja, čime se dizajn transformatora čini složenijim. Kontrola pomaka faze koristi se u DAB pretvaračima za regulaciju toka snage između priključaka. Međutim, u MPSST-u, pomak faze na jednom priključku utječe na tok snage na drugim priključcima, povećavajući složenost kontrole s porastom broja priključaka. Stoga se većina istraživanja MPSST-a fokusira na sustave s tri priključka.

Ovaj rad fokusira se na dizajn čvrstotijelnog transformatora za primjene u mikromrežama. Transformator integriše četiri priključka na jednom magnetnom jezgru. Radi na frekvenciji prekidnog režima od 50 kHz, s svaki priključak namijenjen za 25 kW. Konfiguracija priključaka predstavlja realistični model mikromreže koji uključuje javnu mrežu, sustav pohrane energije, fotovoltaički sustav i lokalni opterećenje. Priključak mreže radi na 4,160 VAC, dok ostala tri priključka rade na 400 V.

Četveropriključni SST

Dizajn transformatora

Tablica 1 prikazuje različite materijale obično korištene za proizvodnju jezgra transformatora, zajedno s njihovim prednostima i nedostacima. Cilj je odabrati materijal sposoban podržati 25 kW po priključku na radnoj frekvenciji od 50 kHz. Komercijalno dostupni materijali za jezgra transformatora uključuju silicijsko željezo, amorfni leguri, ferit i nanokristalni materijali. Za ciljanu primjenu - četveropriključni transformator koji radi na 50 kHz s 25 kW po priključku - mora se identificirati najprikladniji materijal za jezgro. Analizom tablice, nanokristalni materijali i ferit su selektirani kao potencijalni kandidati. Međutim, nanokristalni materijali pokazuju veće gubitke snage na frekvencijama prekidnog režima iznad 20 kHz. Stoga je ferit konačno odabran kao materijal za jezgro transformatora.

Različiti materijali za jezgra i njihove karakteristike

Dizajn jezgra transformatora je također ključan, jer utječe na kompaktnost, gustoću snage i ukupnu veličinu, ali najvažnije, utječe na curenje induktivnosti transformatora. Za 330-kW, 50-Hz transformator s dva priključka, uspoređivani su oblici jezgra poput tipa jezgra i tipa školjke, pokazujući da konfiguracija tipa školjke pruža niže curenje induktivnosti i gladkiji tok snage. Stoga će se koristiti konfiguracija tipa školjke, s sve četiri vijaka složena koncentrično na središnjem grlu transformatora, time poboljšavajući koeficijent spajanja.

Jezgro tipa školjke mjeri 186×152×30 mm, a koristeni feritni materijal je 3C94 u konfiguraciji 4xU93×76×30 mm. Litz žica koristi se za vijanje srednjeg napona (MV) i visokotečnih priključaka, namijenjenih za 3.42 A i 62.5 A, redom. Za niskonaponske (LV) priključke koriste se žice 16 AWG i 4 AWG. Skrivenje LV vijaka zajedno dalje poboljšava magnetsko spajanje.

Nakon završetka predloženog dizajna MV MPSST-a, provode se simulacije Maxwell-3D/Simplorer. Naponi priključaka za srednji napon, pohranu energije, opterećenje i fotovoltaički sustav postavljeni su na 7.2 kVDC i 400 VDC, redom. Simulacije su provedene pod punim opterećenjem, s priključkom opterećenja isporučujući 25 kW na frekvenciji prekidnog režima od 50 kHz i sa 50% dužinom impulsa. Kontrola snage postiže se prilagođavanjem pomaka faze između celija pretvarača. Rezultati su prikazani u tablici. Različiti modeli pokazuju različite karakteristike poput oblika jezgra, presjeka, gubitaka i volumena. Kao što je prikazano u tablici, Model 7 pokazuje niže curenje induktivnosti i veću učinkovitost.

Model i rezultati simulacije

Eksperimentalna postavka

Jezgro je konstruirano od četiri U-oblikovna jezgra sastavljenih u jedan sloj. Potpuno jezgro sastoji se od tri sloja s vijcima postavljenim na središnje grlo. Tri niskonaponska (LV) vijka su vijeni zajedno kako bi se poboljšalo spajanje. Dizajniran je pretvarač dvostrukog aktivnog mosta (DAB) za testiranje predloženog transformatora. U dizajnu pretvarača koriste se SiC MOSFET-ovi. Za priključak srednjeg napona (MV) implementiran je pravokutni most koristeći SiC dijode, koji je također povezan s bankom otpornih opterećenja namijenjenih za obradu 7.2 kV.

Zaključak

Ovaj rad fokusira se na dizajn četveropriključnog višeportnog čvrstotijelnog transformatora srednjeg napona (MV MPSST) koji omogućuje integraciju četiri različite izvore ili opterećenja u primjenama mikromreža. Jedan priključak transformatora je priključak srednjeg napona (MV) namijenjen za 4.16 kV AC. Pregledani su različiti modeli transformatora i materijali za jezgra. Osim dizajna transformatora, razvijene su testne postavke za MV i LV priključke. U eksperimentalnoj validaciji postignuta je učinkovitost od 99%.