Četrstūru šķīdinātāja dizains: efektīva integrācijas risinājuma mikrotīkliem

Elektroenerģijas elektronikas izmantošana rūpniecībā pieaug, sasniedzot gan mazmērīgus lietojumus, piemēram, akumulatoru uzlādētājus un LED pārveidotājus, gan arī lielos sistēmas, piemēram, fotovoltaiskās (PV) sistēmas un elektromobiļus. Parasti enerģijas sistēma sastāv no trim daļām: enerģijas ražošanas ierīču, pārnesuma sistēmu un sadalīšanas sistēmu. Parasti zema frekvences transformatoru izmanto diviem nolūkiem: elektriskai izolācijai un sprieguma pielāgošanai. Tomēr 50/60 Hz transformatori ir smagi un grūti. Sprieguma pārveidotāji tiek izmantoti, lai nodrošinātu savienojamību starp jaunajām un vecajām enerģijas sistēmām, izmantojot solīdustāta transformatoru (SST) konceptu. Izmantojot augstu vai vidēju frekvenci sprieguma pārveidošanai, SST samazina transformatoru izmēru un piedāvā augstāku jaudas blīvumu salīdzinājumā ar tradicionālajiem transformatoriem.

Magnetiskā materiāla progresi, kas raksturojas ar augstu fluxa blīvumu, augstu jaudas un frekvences spēju, un zemu jaudas zudumu, ļāvis pētniekiem izstrādāt SST ar augstu jaudas blīvumu un efektivitāti. Bieži pētījumi ir veltīti tradicionāliem divu vidingu transformatoriem. Tomēr, tā kā pieaug distributīvās enerģijas ražošanas integrācija, kā arī smart grid un mikrotīklu attīstība, ir radies vairāku portu solīdustāta transformatoru (MPSST) koncepts.

Katram pārveidotāja portam tiek izmantots divu aktīvu tiltu (DAB) pārveidotājs, kas izmanto transformatora trūkstošo induktīvumu kā pārveidotāja induktoru. Tas samazina izmēru, izslēdzot papildu induktoru nepieciešamību, un arī samazina zudumus. Trūkstošais induktīvums atkarīgs no vidingu novietojuma, magnētiskās šķīdres ģeometrijas un savienojuma koeficienta, padarot transformatoru dizainu sarežģītāku. DAB pārveidotājos tiek izmantota fāzes maiņas kontrole, lai regulētu jaudas plūsmu starp portiem. Tomēr MPSST fāzes maiņa vienā portā ietekmē jaudas plūsmu citos portos, palielinot kontroles sarežģītību ar portu skaita pieaugumu. Tādēļ, bieži pētījumi veltīti trīsportu sistēmām.

Šis raksts fokusējas uz solīdustāta transformatora dizainu mikrotīklu lietojumā. Transformators integra četrus portus vienā magnētiskā šķīdrī. Tas darbojas ar 50 kHz modulācijas frekvenci, ar katru portu apreķinātu 25 kW. Portu konfigurācija atspoguļo reālistisku mikrotīklu modeli, kas ietver sabiedrisko tīklu, enerģijas krājumu, fotovoltaisko sistēmu un vietējo slodzi. Tīkla ports darbojas ar 4,160 VAC, savukārt pārējie trīs porti darbojas ar 400 V.

Četrportu SST

Transformatora dizains

Tabulā 1 redzami dažādi bieži izmantotie materiāli transformatoru šķīdru ražošanai, kopā ar to priekšrocībām un trūkumiem. Mērķis ir izvēlēties materiālu, kas spēj atbalstīt 25 kW katrā portā 50 kHz darbības frekvencē. Komerciāli pieejamie transformatoru šķīdru materiāli ietver silīcijas dzelzs, amorfus līdzsvars, ferrītu un nanokristālisku. Mērķa lietojumam—četrportu transformatoram, kas darbojas 50 kHz frekvencē ar 25 kW katrā portā—jāizvēlas vispiemērotākais šķīdru materiāls. Analizējot tabulu, gan nanokristāliskais, gan ferrīts tiek iekļauti kā potenciālie kandidāti. Tomēr, nanokristāliskais parāda lielākus jaudas zudumus virs 20 kHz modulācijas frekvencē. Tādējādi, ferrīts tiek galīgi izvēlēts kā transformatora šķīdru materiāls.

Dažādi šķīdru materiāli un to īpašības

Transformatora šķīdru dizains ir arī kritisks, jo tas ietekmē kompaktnumu, jaudas blīvumu un kopējo izmēru, bet visvairāk tas ietekmē transformatora trūkstošo induktīvumu. 330 kW, 50 Hz divu portu transformatoram šķīdru formu, piemēram, šķīdru tipa un koka tipa, salīdzinājums parādīja, ka koka tipa konfigurācija piedāvā zemāku trūkstošo induktīvumu un vieglāku jaudas plūsmu. Tādējādi, tiks izmantota koka tipa konfigurācija, ar visiem četriem vidingiem sakārtotiem koncentriski transformatora centrālajā galeņā, tādējādi uzlabojot savienojuma koeficientu.

Koka tipa šķīdrs mērs 186×152×30 mm, un izmantotais ferrīta materiāls ir 3C94 4xU93×76×30 mm konfigurācijā. Litz vadi tiek izmantoti abiem vidēja sprieguma (MV) un augsta strāvas portiem, kas aprēķināti atbilstīgi 3.42 A un 62.5 A. Zemā sprieguma (LV) portiem tiek izmantoti 16 AWG un 4 AWG vadi. LV vidingu savietošana kopā papildus uzlabo magnētisko savienojumu.

Pēc MV MPSST dizaina izstrādes, tiek veiktas Maxwell-3D/Simplorer simulācijas. Vidēja sprieguma tīkla, enerģijas krājumu, slodzi un fotovoltaisko sistēmu portu spriegumi tiek iestatīti atbilstoši 7.2 kVDC un 400 VDC. Simulācijas tiek veiktas pilnā slodē, ar slodzes portu nodrošināto 25 kW 50 kHz modulācijas frekvencē un 50% darbības ciklu. Jaudas kontrolēšana tiek sasniegta, pielāgojot fāzes maiņu starp pārveidotāju celļiem. Rezultāti tiek sniegti tabulā. Dažādi modeļi parāda dažādas īpašības, piemēram, šķīdru formas, šķērsgriezuma laukumu, zudumus un tilpumu. Kā redzams tabulā, Modelis 7 parāda zemāku trūkstošo induktīvumu un augstāku efektivitāti.

Modelis un simulāciju rezultāti

Eksperimentālais iekārtojums

Šķīdrs tiek izgatavots, izmantojot četrus U-formas šķīdru, kas apkopoti vienā slānī. Pilnais šķīdrs sastāv no trim slāņiem ar vidingiem novietotiem centrālajā galeņā. Trīs zemā sprieguma (LV) portu vidingi tiek vistāti kopā, lai uzlabotu savienojumu. Tiek izstrādāts divu aktīvu tiltu (DAB) pārveidotājs, lai testētu ierosināto transformatoru. Pārveidotāja dizainā tiek izmantoti SiC MOSFET. Vidēja sprieguma (MV) portam tiek realizēts retifiseerējošs tiltu, izmantojot SiC diodas, kas arī ir savienots ar 7.2 kV apjomā balstītu resistīvo slodzes banku.

Secinājums

Šis raksts fokusējas uz četrportu vidēja sprieguma vairāku portu solīdustāta transformatora (MV MPSST) dizainu, kas ļauj integrēt četras dažādas avotu vai slodzi mikrotīklu lietojumos. Viens no transformatora portiem ir vidēja sprieguma (MV) ports, kas aprēķināts 4.16 kV AC. Tika apskatīti dažādi transformatoru modeļi un šķīdru materiāli. Papildus transformatora dizainam, tika izstrādāti testēšanas iekārtojumi gan MV, gan LV portiem. Eksperimentālā validācijā tika sasniegta 99% efektivitāte.