Négy portú szilárdállapotú transzformátor tervezése: Hatékony integrációs megoldás a mikrohálózatok számára

A villamos energia elektromos technológiáinak használata növekszik az iparban, kis méretű alkalmazásoktól, mint például a tártozók töltőjének és LED vezérlőinek, nagy léptékű alkalmazásokig, mint például a fotovoltaikus (PV) rendszerek és az elektromos járművek. Általánosságban egy erőműrendszer három részből áll: erőművekből, átviteli rendszerekből és elosztási rendszerekből. Hagyományosan alacsony frekvenciájú transzformátort használnak két célra: elektrikai izolációra és feszültség illeszkedésre. Azonban a 50/60 Hz-es transzformátorok hatalmasak és nehézek. Erőmű-átváltókat használnak új és meglévő erőmű-rendszerek kompatibilitásának biztosítására, a szilárdtest-transzformátorok (SST) fogalmának kihasználásával. A magas- vagy közepes frekvenciájú erőmű-átváltások segítségével az SST-k csökkentik a transzformátor méretét, és nagyobb teljesítmény-sűrűséget nyújtanak a hagyományos transzformátorokhoz képest.

A mágneses anyagok fejlődése – amelyek magas fluxussűrűséggel, magas teljesítmény- és frekvencia-képességgel, valamint alacsony teljesítmény-hanyagodással rendelkeznek – lehetővé tette a kutatóknak, hogy fejlesszék a magas teljesítmény-sűrűségű és hatékonyságú SST-ket. A legtöbb esetben a kutatás a hagyományos két teherhordó transzformátorokra összpontosult. Azonban a szórt generáció növekvő integrációja, valamint az intelligens hálózatok és mikrohálózatok fejlesztése vezetett a többszálas szilárdtest-transzformátor (MPSST) fogalmához.

A konverter minden portján egy két aktív híd (DAB) konvertert használnak, amely a transzformátor lecsapódási induktivitását használja a konverter induktorajaként. Ez a méret csökkentését teszi lehetővé, mivel kiküszöböli a további induktorok szükségességét, és csökkenti a hanyagodást. A lecsapódási induktivitás a teherhordó elhelyezkedésétől, a mag geometriájától és a kötési tényezőtől függ, ami a transzformátor tervezését bonyolultabbá teszi. Fáziseltolódási ellenőrzést használnak a DAB konverterekben a portok közötti teljesítményáramlás szabályozására. Azonban egy MPSST-ben a fáziseltolódás egy porton hatással van a másik portokon, ami a portok számának növekedésével növeli az ellenőrzés bonyolultságát. Ennek eredményeként a legtöbb MPSST-kutatás háromportos rendszerekre koncentrál.

Ez a tanulmány egy szilárdtest-transzformátor tervezésére összpontosít a mikrohálózatok alkalmazásaival. A transzformátor négy portot integrál egyetlen magon. 50 kHz kapcsolófrekvencián működik, mindegyik port 25 kW-os. A port konfiguráció egy realisztikus mikrohálózati modellt jelöl, amely a hálózatot, energiatároló rendszert, fotovoltaikus rendszert és helyi terhelést tartalmazza. A hálózati port 4,160 VAC-on működik, míg a többi három port 400 V-on.

Négyportos SST

Transzformátor tervezés

A 1. táblázat a transzformátormagok gyártásához gyakran használt anyagokat mutatja be, valamint előnyeiket és hátrányait. A cél egy olyan anyag kiválasztása, amely képes támogatni 25 kW-t minden porton 50 kHz működési frekvencián. A kereskedelmi transzformátormag anyagok között szerepel a silícium acél, az amorfe szövetszer, a ferit és a nanokristályos anyag. A célalkalmazásnak – egy 50 kHz-en működő, 25 kW-os négyportos transzformátor – a legmegfelelőbb maganyagot kell kiválasztani. A táblázat elemzésével a nanokristályos és a ferit anyag kerül sorba a potenciális jelöltek között. Azonban a nanokristályos anyag magasabb teljesítmény-hanyagodást mutat 20 kHz feletti kapcsolófrekvencián. Ezért végül a ferit lett kiválasztva a transzformátor maganyagaként.

Különböző maganyagok és jellemzőik

A transzformátor mag tervezése is kulcsfontosságú, mivel befolyásolja a kompaktságot, a teljesítmény-sűrűséget és az egész méretet, de a legfontosabb, hogy befolyásolja a transzformátor lecsapódási induktivitását. Egy 330 kW, 50 Hz-es kétportos transzformátor esetén összehasonlították a magtípusú és a burkoló típusú magokat, megmutatva, hogy a burkoló típusú konfiguráció alacsonyabb lecsapódási induktivitást és simább teljesítményáramlást kínál. Ezért burkoló típusú konfigurációt használnak, ahol a négy teherhordó koncentrikusan helyezkedik el a transzformátor középső lábán, ezzel javítva a kötési tényezőt.

A burkoló típusú mag mérete 186×152×30 mm, és a használt ferit anyag a 3C94, 4xU93×76×30 mm konfigurációban. A középfeszültségű (MV) és nagy áramerős portok teherhordójához Litz drótot használnak, amelyek 3.42 A és 62.5 A-os értékekkel rendelkeznek. A kisfeszültségű (LV) portokhoz 16 AWG és 4 AWG drótokat használnak. A LV teherhordók együtt forgatásával tovább javítják a mágneses kötést.

A javasolt MV MPSST tervezés befejezése után Maxwell-3D/Simplorer szimulációkat végeznek. A középfeszültségű hálózat, energiatároló, terhelés és fotovoltaikus rendszerek portfeszültségei rendre 7.2 kVDC és 400 VDC. A szimulációkat teljes terhelés mellett végezik, ahol a terhelési port 25 kW-t ad 50 kHz kapcsolófrekvencián és 50%-os duty ciklus mellett. A teljesítmény-ellenőrzést a konverter cellák közötti fáziseltolódás beállításával érik el. Az eredmények a táblázatban jelennek meg. A különböző modellek különböző jellemzőket mutatnak, mint például a mag alakja, a keresztmetszet, a hanyagodás és a térfogat. Ahogy a táblázatból látható, a 7. modell alacsonyabb lecsapódási induktivitást és magasabb hatékonyságot mutat.

Modell és szimulációs eredmények

Kísérleti beállítás

A magot négy U-alakú magból építik fel egy rétegbe. A teljes mag három rétegből áll, ahol a teherhordók a középső lábon helyezkednek el. A három kisfeszültségű (LV) port teherhordói együtt kerülnek forgatásra a kötés javítása érdekében. Két aktív híd (DAB) konvertort terveznek a javasolt transzformátor tesztelésére. A konverter tervezésében SiC MOSFET-eket használnak. A középfeszültségű (MV) portnál egy rectifier bridge-et implementálnak SiC diódákkal, amelyet egy 7.2 kV-os ellenállási terhelésbankhoz kötöttek.

Következtetés

Ez a tanulmány egy négyportos középfeszültségű többszálas szilárdtest-transzformátor (MV MPSST) tervezésére összpontosít, amely lehetővé teszi négy különböző forrás vagy terhelés integrálását a mikrohálózat alkalmazásokban. A transzformátor egyik portja egy 4.16 kV AC-os középfeszültségű (MV) port. Különböző transzformátor modelleket és maganyagokat vizsgáltak. A transzformátor tervezés mellett kísérleti beállításokat fejlesztettek ki mind a MV, mind a LV portokhoz. A kísérleti ellenőrzésben 99%-os hatékonyságot értek el.