Design of a Four-Port Solid-State Transformer: Solutio Integrationis Efficientis pro Microgrids

Usus electronicae potentiae in industria crescit ab applicationibus parvis ut caricae pro batteriis et LED driver ad magnas ut systemata photovoltaica (PV) et vehicula electrica. Saepe, systema potentiae tria partis continet: plantas potentiae, systemata transmissoria, et systemata distributionis. Traditio est ut transformatores bassae frequentiae duobus usibus serviant: isolationi electricae et adaequationi tensionis. Tamen, transformatores 50-/60-Hz sunt ingentes et graves. Convertitori potentiae adhibentur ut compatibilitatem inter nova et vetera systemata potentiae praebere possint, conceptum converterunt solid-state transformer (SST). Per usu conversionis potentiae altae vel mediae frequentiae, SSTs minuunt magnitudinem transformatorum et offerunt altiorem densitatem potentiae comparate cum transformatoribus consuetis.

Progressus in materialibus magneticis—characterizatis per altam densitatem fluxus, altam potentiam et capacitate frequentiae, et bassas perdas potentiae—permiserunt ut investigatores SSTs alti densitatis potentiae et efficientiae developerent. In plerisque casibus, investigatio fuit in transformatoribus dual-winding consuetis. Tamen, crescentia integratio generationis distributae, simul cum developmento smart grids et microgrids, conceptum multi-port solid-state transformers (MPSST) duxit.

In portu cuiusque convertoris, converter dual active bridge (DAB) adhibetur, qui inductionem leakage transformatoris ut inductor convertoris utiliter. Hoc minuit magnitudinem eliminando necessitatem inductorum additorum et etiam perdas minuit. Inductio leakage dependet a loco winding, geometria core, et coefficiente coupling, faciendo designum transformatoris complexius. Control phase shift adhibetur in convertoribus DAB ut regulare fluxum potentiae inter portus. Tamen, in MPSST, phase shift in uno portu affectat fluxum potentiae in aliis portis, augmentans complexitatem control cum numero portorum. Propterea, pleraque investigatio MPSST in systemata tria-portuum focus habet.

Hoc opusculum in designo solid-state transformer pro applicationibus microgrid focus habet. Transformer integrat quattuor portus in unico core magnetico. Operatur ad frequenter commutationis 50 kHz, cum portus unusquisque rated 25 kW. Configuratio portuum representat modelum microgrid realistici comprehendens grid utility, systema storage energy, systema photovoltaicum, et load locale. Portus grid operatur ad 4,160 VAC, alii tres portus autem ad 400 V.

Four-Port SST

Designus Transformatoris

Tabula 1 varia communiter usitata materialia pro manufactura core transformatorum ostendit, simul cum eorum beneficiis et inconvenientiis. Finis est ut materiale capax 25 kW per portum ad frequenter operationis 50 kHz selectum sit. Materialia core transformatorum commerciale disponibilia includunt silicium ferrum, alloy amorphous, ferrite, et nanocrystalline. Pro applicatione target—a four-port transformer operante ad 50 kHz cum 25 kW per portum—materialis core optime idoneus identificari debet. Analyzando tabulam, nanocrystalline et ferrite sunt shortlisted ut candidati potenciales. Tamen, nanocrystalline exhibet altiores perdas potentiae supra 20 kHz. Propterea, ferrite ultime selectum est ut materiale core pro transformatore.

Differentia Materialium Core et Eorum Characteristica

Designus core transformatoris quoque criticus est, quia affectat compactness, densitatem potentiae, et magnitudinem totalem—sed maxime, influet inductio leakage transformatoris. Pro 330-kW, 50-Hz dual-port transformer, formae core sicut core-type et shell-type comparatae sunt, demonstrantes quod configuratio shell-type offert inferiorem inductio leakage et suaviorem fluxum potentiae. Propterea, configuratio shell-type adhibebitur, cum omnibus quattuor winding concentriciter in centro limb transformatoris stackata, sic coefficientem coupling meliorans.

Core shell-type mensurat 186×152×30 mm, et materiale ferrite usitatum est 3C94 in configuratione 4xU93×76×30 mm. Litz wire adhibetur pro winding medi-voltage (MV) et high-current portus, rated 3.42 A et 62.5 A, respective. Pro low-voltage (LV) portus, 16 AWG et 4 AWG wires employantur. Twisting LV windings simul magis coupling magneticum enhancet.

Post completum designum MV MPSST propositum, simulationes Maxwell-3D/Simplorer perficiuntur. Tensiones portuum pro medio-voltage grid, energy storage, load, et systemata photovoltaica set sunt ad 7.2 kVDC et 400 VDC, respective. Simulationes sub full load, cum portus load tradens 25 kW ad frequenter commutationis 50 kHz et 50% duty cycle, conductae sunt. Control potentiae per adjustmentem phase shift inter cellulas converter efficitur. Resultata in tabula praebentur. Diversi models variis characteribus ostendunt sicut forma core, area sectionalis, perda, et volumen. Ut in tabula ostenditur, Model 7 demonstrat inferiorem inductio leakage et altiorem efficientiam.

Model et Simulation Results

Experimental Setup

Core constructus est ex quattuor U-shaped cores in unum stratum assemble. Core completus constat ex tribus stratis cum winding positis in centro limbo. Tres low-voltage (LV) portus winding simul twistuntur ad coupling enhancing. Converter dual active bridge (DAB) designatus est ut propositum transformer testaret. SiC MOSFETs adhibentur in designo converter. Pro medio-voltage (MV) portu, rectifier bridge implementatur utendo SiC diodes, qui etiam connectus est ad resistive load bank rated 7.2 kV.

Conclusion

Hoc opusculum in designo quattuor-portus medium-voltage multi-port solid-state transformer (MV MPSST) focus habet, qui integrationem quattuor diversarum source vel load in applicationibus microgrid permittit. Unus portus transformatoris est portus medio-voltage (MV) rated 4.16 kV AC. Varii modeli transformatorum et materialia core revisi sunt. Praeter designum transformatoris, setup test pro MV et LV portis developati sunt. Efficiens 99% in experimental validation achieve facta est.