4ポート固体変圧器の設計：マイクログリッド向け効率的な統合ソリューション

産業における電力電子機器の使用は増加しており、バッテリー充電器やLEDドライバーのような小規模なアプリケーションから、太陽光発電（PV）システムや電気自動車のような大規模なアプリケーションまで幅広い用途があります。一般的に、電力システムは発電所、送電システム、配電システムの3つの部分で構成されています。従来、低周波変圧器は電気的絶縁と電圧マッチングの2つの目的で使用されてきましたが、50/60 Hzの変圧器は大きくて重いです。パワーコンバータは新しい電力システムと既存の電力システムとの間の互換性を可能にし、固体変圧器（SST）の概念を利用します。高周波または中間周波でのパワーコンバージョンを使用することで、SSTは従来の変圧器と比較して変圧器のサイズを小さくし、より高いパワーダENSITYを提供します。

磁性材料の進歩により、高フラックス密度、高パワーと周波数能力、および低損失という特徴を持つ材料が開発され、研究者たちは高パワーダENSITYと効率を持つSSTを開発することができました。多くの場合、研究は伝統的な二巻線変圧器に焦点を当てています。しかし、分散型発電の統合とスマートグリッド、マイクログリッドの開発により、多ポート固体変圧器（MPSST）の概念が生まれました。

コンバータの各ポートでは、デュアルアクティブブリッジ（DAB）コンバータが使用され、これは変圧器の漏れインダクタンスをコンバータのインダクタとして利用します。これにより、追加のインダクタの必要性がなくなり、損失も減少します。漏れインダクタンスは巻線配置、コア形状、結合係数によって決まるため、変圧器の設計は複雑になります。DABコンバータでは位相シフト制御が用いられ、ポート間の電力流れを制御します。しかし、MPSSTでは一つのポートでの位相シフトが他のポートの電力流れにも影響を与えるため、ポート数が増えるにつれて制御の複雑さが増します。その結果、ほとんどのMPSSTの研究は三ポートシステムに焦点を当てています。

本論文はマイクログリッドアプリケーション向けの固体変圧器の設計に焦点を当てています。この変圧器は単一の磁心に4つのポートを統合しています。スイッチング周波数は50 kHzで、各ポートは25 kW定格です。ポート構成は実際のマイクログリッドモデルを表しており、公共電力網、エネルギー貯蔵システム、太陽光発電システム、および地元負荷を含んでいます。グリッドポートは4,160 VACで動作し、他の3つのポートは400 Vで動作します。

四ポートSST

変圧器設計

表1は、変圧器コア製造に一般的に使用されるさまざまな材料とそれらの長所と短所を示しています。目標は、50 kHzの動作周波数で各ポート25 kWをサポートできる材料を選択することです。市販されている変圧器コア材料にはシリコン鋼、非晶質合金、フェライト、ナノ結晶があります。対象アプリケーションである50 kHzで動作し、各ポート25 kWの四ポート変圧器の場合、最も適したコア材料を特定する必要があります。表を分析すると、ナノ結晶とフェライトが候補として挙げられます。しかし、ナノ結晶は20 kHz以上のスイッチング周波数で高い損失を示すため、最終的にフェライトが変圧器のコア材料として選択されます。

異なるコア材料とその特性

変圧器コアの設計も重要であり、コンパクトさ、パワーダENSITY、全体的なサイズに影響を与えますが、特に重要なのは変圧器の漏れインダクタンスに影響することです。330 kW、50 Hzの双ポート変圧器の場合、コアタイプとシェルタイプのコア形状が比較され、シェルタイプの構成が低い漏れインダクタンスと滑らかな電力流れを提供することが示されました。したがって、シェルタイプの構成が使用され、すべての4つの巻線が変圧器の中心肢に同心円状に積み重ねられ、結合係数が向上します。

シェルタイプのコアの寸法は186×152×30 mmで、使用されるフェライト材料は3C94で、4xU93×76×30 mmの構成です。中電圧（MV）ポートと高電流ポートの巻線にはリッツワイヤーが使用され、それぞれ3.42 Aと62.5 A定格です。低電圧（LV）ポートには16 AWGと4 AWGのワイヤーが使用されます。LV巻線を一緒にねじることで磁気結合がさらに強化されます。

提案されたMV MPSST設計が完了した後、Maxwell-3D/Simplorerシミュレーションが実施されます。中電圧グリッド、エネルギー貯蔵、負荷、および太陽光発電システムのポート電圧はそれぞれ7.2 kVDCと400 VDCに設定されます。シミュレーションは全負荷条件下で行われ、負荷ポートは50 kHzのスイッチング周波数と50%のデューティサイクルで25 kWを供給します。電力制御はコンバータセル間の位相シフトを調整することで達成されます。結果は表に示されています。異なるモデルはコア形状、断面積、損失、体積などの特性が異なります。表に示すように、モデル7は低い漏れインダクタンスと高い効率を示しています。

モデルとシミュレーション結果

実験セットアップ

コアは4つのU字型コアを1層に組み立てて構築されます。完全なコアは3層で、巻線は中心肢に配置されます。3つの低電圧（LV）ポート巻線は一緒に巻かれ、結合を強化します。提案された変圧器のテストにはデュアルアクティブブリッジ（DAB）コンバータが設計されます。コンバータ設計にはSiC MOSFETが使用されます。中電圧（MV）ポートにはSiCダイオードを使用した整流橋が実装され、これは7.2 kVに対応する抵抗負荷バンクに接続されています。

結論

本論文は、マイクログリッドアプリケーションにおいて4つの異なるソースまたは負荷を統合可能な四ポート中電圧マルチポート固体変圧器（MV MPSST）の設計に焦点を当てています。変圧器の一つのポートは4.16 kV ACの中電圧（MV）ポートです。様々な変圧器モデルとコア材料がレビューされました。また、変圧器設計に加えて、MVポートとLVポートのテストセットアップが開発されました。実験検証では99%の効率が達成されました。