네포트 솔리드 스테이트 변압기 설계: 마이크로그리드를 위한 효율적인 통합 솔루션

전력 전자 장치의 산업적 사용이 증가하고 있으며 이는 배터리 충전기 및 LED 드라이버와 같은 소규모 응용부터 태양광 발전 시스템 및 전기 자동차와 같은 대규모 응용에 이르기까지 다양합니다. 일반적으로 전력 시스템은 발전소 전송 시스템 및 배전 시스템으로 구성됩니다. 전통적으로 저주파 변압기는 전기적 절연 및 전압 일치를 위한 두 가지 목적을 가지고 있습니다. 그러나 50/60 Hz 변압기는 부피가 크고 무겁습니다. 전력 변환기는 새로운 전력 시스템과 기존 전력 시스템 간의 호환성을 가능하게 하며 고체 상태 변압기(SST) 개념을 활용합니다. 고주파 또는 중주파 전력 변환을 통해 SST는 기존 변압기에 비해 변압기 크기를 줄이고 더 높은 전력 밀도를 제공합니다.

자기 유도 밀도가 높고 높은 전력 및 주파수 성능 그리고 낮은 전력 손실을 특징으로 하는 자기 재료의 발전 덕분에 연구자들은 높은 전력 밀도와 효율성을 가진 SST를 개발할 수 있었습니다. 대부분의 경우 연구는 전통적인 쌍권 변압기에 집중되었습니다. 그러나 분산 발전의 통합 증가와 스마트 그리드 및 마이크로그리드의 발전으로 인해 다중 포트 고체 상태 변압기(MPSST)의 개념이 등장했습니다.

변환기의 각 포트에서 쌍극 활성 교량(DAB) 변환기가 사용되며 이는 변압기의 누설 인덕턴스를 변환기의 인덕터로 활용합니다. 이를 통해 추가 인덕터가 필요 없어지므로 크기를 줄이고 손실도 감소시킵니다. 누설 인덕턴스는 와인딩 배치 코어 기하학 및 결합 계수에 따라 달라져 변압기 설계를 더욱 복잡하게 만듭니다. DAB 변환기에서는 위상 이동 제어를 사용하여 포트 간 전력 흐름을 조절합니다. 그러나 MPSST에서는 한 포트의 위상 이동이 다른 포트의 전력 흐름에 영향을 미쳐 포트 수가 늘어날수록 제어 복잡성이 증가합니다. 따라서 대부분의 MPSST 연구는 세 개의 포트 시스템에 초점을 맞추고 있습니다.

본 논문은 마이크로그리드 응용을 위한 고체 상태 변압기 설계에 초점을 맞춥니다. 이 변압기는 단일 자기 코어에 네 개의 포트를 통합합니다. 50 kHz의 스위칭 주파수로 작동하며 각 포트는 25 kW로 등급화되어 있습니다. 포트 구성을 통해 유틸리티 그리드 에너지 저장 시스템 태양광 발전 시스템 및 지역 부하를 포함하는 실제적인 마이크로그리드 모델을 나타냅니다. 그리드 포트는 4160 VAC로 작동하며 나머지 세 개의 포트는 400 V로 작동합니다.

네 포트 SST

변압기 설계

표 1은 변압기 코어 제조에 사용되는 다양한 재료와 그 장단점을 보여줍니다. 목표는 각 포트당 25 kW를 50 kHz 동작 주파수에서 지원할 수 있는 재료를 선택하는 것입니다. 상용 변압기 코어 재료에는 실리콘 강철 비정질 합금 페라이트 및 나노결정재가 포함됩니다. 목표 응용 프로그램인 50 kHz에서 25 kW를 처리하는 네 포트 변압기에 가장 적합한 코어 재료를 식별해야 합니다. 표를 분석하면 나노결정재와 페라이트가 잠재적인 후보로 선정됩니다. 그러나 나노결정재는 20 kHz 이상의 스위칭 주파수에서 더 높은 전력 손실을 나타냅니다. 따라서 페라이트가 최종적으로 변압기의 코어 재료로 선택됩니다.

다양한 코어 재료와 그 특성

변압기 코어 설계도 중요하며 이는 컴팩트성 전력 밀도 전체 크기에 영향을 미치지만 무엇보다 변압기의 누설 인덕턴스에 영향을 미칩니다. 330 kW 50 Hz 쌍포트 변압기에 대해 코어형과 쉘형과 같은 코어 형태를 비교했으며 쉘형 구조가 더 낮은 누설 인덕턴스와 더 부드러운 전력 흐름을 제공함을 입증했습니다. 따라서 모든 네 개의 와인딩이 변압기 중심 지지대에 동심원으로 쌓이는 쉘형 구조가 사용되며 이로써 결합 계수가 향상됩니다.

쉘형 코어의 크기는 186×152×30 mm이며 사용된 페라이트 재료는 3C94 4xU93×76×30 mm 구조입니다. 중간 전압(MV) 고전류 포트의 와인딩에는 리츠 와이어가 사용되며 각각 3.42 A 및 62.5 A로 등급화되어 있습니다. 저전압(LV) 포트의 경우 16 AWG 및 4 AWG 와이어가 사용됩니다. LV 와인딩을 함께 트위스트하면 자기 결합이 더욱 향상됩니다.

제안된 MV MPSST 설계를 완료한 후 Maxwell-3D/Simplorer 시뮬레이션이 수행됩니다. 중간 전압 그리드 에너지 저장 부하 및 태양광 시스템의 포트 전압은 각각 7.2 kVDC 및 400 VDC로 설정됩니다. 시뮬레이션은 전체 부하 상태에서 수행되며 부하 포트는 50 kHz의 스위칭 주파수와 50% 듀티 사이클로 25 kW를 공급합니다. 전력 제어는 변환기 셀 간 위상 이동을 조정하여 이루어집니다. 결과는 표에 제시됩니다. 다양한 모델은 코어 형태 단면적 손실 및 부피와 같은 다양한 특성을 나타냅니다. 표에 표시된 바와 같이 모델 7은 낮은 누설 인덕턴스와 높은 효율성을 보여줍니다.

모델 및 시뮬레이션 결과

실험 장치

코어는 네 개의 U형 코어를 한 층으로 조립하여 구성됩니다. 완전한 코어는 세 개의 층으로 구성되며 중앙 지지대에 와인딩이 배치됩니다. 세 개의 저전압(LV) 포트 와인딩은 결합을 강화하기 위해 함께 감겨집니다. 제안된 변압기를 테스트하기 위해 쌍극 활성 교량(DAB) 변환기가 설계되었습니다. 변환기 설계에는 SiC MOSFET이 사용됩니다. 중간 전압(MV) 포트의 경우 SiC 다이오드를 사용하여 정류기 브리지가 구현되며 이는 7.2 kV를 처리하도록 등급화된 저항 부하 뱅크에도 연결됩니다.

결론

본 논문은 마이크로그리드 응용에서 네 가지 서로 다른 소스 또는 부하의 통합을 가능하게 하는 네 포트 중간 전압 다중 포트 고체 상태 변압기(MV MPSST)의 설계에 초점을 맞춥니다. 변압기의 한 포트는 4.16 kV AC로 등급화된 중간 전압(MV) 포트입니다. 다양한 변압기 모델 및 코어 재료가 검토되었습니다. 변압기 설계 외에도 MV 및 LV 포트를 위한 테스트 장치가 개발되었습니다. 실험적 검증에서 99%의 효율성을 달성하였습니다.