Дизајн на четирипортен тврд состојката трансформатор: Ефикасно интеграциisko решение за микромрежи

Користењето на електроника за управување со енергија во индустријата се зголемува, од малопростирачките применби како пилењачи за батерија и драйвери за LED, до големи применби како фотovoltaички (PV) системи и електрички возила. Обично, енергетскиот систем се состои од три делови: електроцентрали, системи за пренос и системи за дистрибуција. Традиционално, трансформаторите со ниска фреквенција се користат за две цели: електрична изолација и подесување на напонот. Меѓутоа, 50-/60-Хц трансформаторите се големи и тешки. Конвертерите за енергија се користат за овозможување на компатибилност помеѓу новите и постоечките енергетски системи, користејќи концептот на тврди трансформатори (SST). Користејќи високочестотни или среднечестотни конверзии на енергија, SST-тите намалуваат големината на трансформаторот и понудуваат повисока густина на моќ споредно со традиционалните трансформатори.

Напредоците во магнетните материјали - карактеризирани со висока густина на поток, висока моќ и капацитет на фреквенција, и ниски губитоци на моќ - овозможија истражувачите да развијат SST-ти со висока густина на моќ и ефикасност. Во повеќето случаи, истражувањето се фокусира на традиционалните трансформатори со два витка. Меѓутоа, зголемената интеграција на распределена генерација, заедно со развојот на умни мрежи и микромрежи, доведе до концептот на многопортни тврди трансформатори (MPSST).

На секој порт на конвертерот се користи двостран активен мост (DAB) конвертер, кој користи лејингот на трансформаторот како индуктор на конвертерот. Ова намалува големината со елиминација на потребата за дополнителни индуктори и исто така намалува губитоците. Лееџингот зависи од поставувањето на витковите, геометријата на јадрото и коефициентот на сопствено структурирање, што прави дизајнот на трансформаторот повеќе комплексен. Контролата на фазниот померај се користи во DAB конвертерите за регулација на протокот на моќ помеѓу портовите. Меѓутоа, во MPSST, фазниот померај на еден порт влијае на протокот на моќ на другите портови, што зголемува комплексноста на контролата со бројот на портови. Затоа, повеќето истражувања во MPSST се фокусираат на системи со три порта.

Овој труд се фокусира на дизајнот на тврд трансформатор за применба во микромрежи. Трансформаторот интегрира четири порта на едно магнетно јадро. Функционира на фреквенција на комутација од 50 кХц, со секој порт со моќ од 25 кВ. Конфигурацијата на портовите претставува реалистичен модел на микромрежа која вклучува општодостапна мрежа, систем за складирање на енергија, PV систем и локална надворешна површина. Портот на мрежата функционира на 4,160 ВАЦ, додека другите три порта функционираат на 400 В.

Четирипортен SST

Дизајн на трансформаторот

Табела 1 прикажува различни често користени материјали за производство на јадра на трансформатори, заедно со нивните предности и недостатоци. Целта е да се избере материјал способен да поддржува 25 кВ на порт при оперативна фреквенција од 50 кХц. Комерцијално достапните материјали за јадра на трансформатори вклучуваат силициумска стал, аморфен легур, ферит и нанокристален. За целосната применба - четирипортен трансформатор функционирајќи на 50 кХц со 25 кВ на порт - најподобар материјал за јадро треба да се идентификува. Анализирајќи го табелата, како потенцијални кандидати се кратко спискаат нанокристален и ферит. Меѓутоа, нанокристаленото покажува повисоки губитоци на моќ при фреквенции над 20 кХц. Затоа, феритот е последно избран како материјал за јадро на трансформаторот.

Различни материјали за јадра и нивни карактеристики

Дизајнот на јадрото на трансформаторот е исто така критичен, бидејќи влијае на компактноста, густина на моќ и целосна големина - но најважно, влијае на лееџингот на трансформаторот. За 330-кВ, 50-Хц двопортен трансформатор, формите на јадрото како тип-јадро и тип-шкоља се споредени, покажувајќи дека конфигурацијата на тип-шкоља нуди ниж лееџинг и плав поток на моќ. Затоа, ќе се користи конфигурација на тип-шкоља, со сите четири витка ставени концентрично на средниот дел на трансформаторот, што подобрува коефициентот на сопствено структурирање.

Јадрото на тип-шкоља има мерки 186×152×30 мм, а користениот феритски материјал е 3C94 во конфигурација 4xU93×76×30 мм. Литцови жици се користат за виткање на средно-напонските (MV) и високострујните портови, со рейтинг од 3,42 А и 62,5 А, соодветно. За низконапонските (LV) портови, се користат жици со дијаметри 16 AWG и 4 AWG. Свивањето на LV витковите заедно дополнително го подобрува магнетното сопствено структурирање.

После завршување на предложеното дизајн на MV MPSST, се вршат симулации со Maxwell-3D/Simplorer. Напоните на портовите за средно-напонска мрежа, систем за складирање на енергија, надворешна површина и PV систем се поставени на 7,2 кВДЦ и 400 ВДЦ, соодветно. Симулациите се вршат под полна надворешна површина, со портот на надворешната површина што испушта 25 кВ при фреквенција на комутација од 50 кХц и 50% дути циклус. Контролата на моќта се постигува со подесување на фазниот померај помеѓу клетките на конвертерот. Резултатите се прикажани во табелата. Различните модели покажуваат различни карактеристики како форма на јадрото, површина на пресекот, губитоци и волумен. Како што е прикажано во табелата, Модел 7 покажува ниж лееџинг и повисока ефикасност.

Модел и резултати од симулацијата

Експериментална поставка

Јадрото е конструирано со користење на четири U-образни јадра собрани во еден слој. Целосното јадро се состои од три слоеви со виткови поставени на средниот дел. Три низконапонски (LV) портови се виткани заедно за подобрување на сопствено структурирањето. Дизајниран е двостран активен мост (DAB) конвертер за тестiranje на предложената трансформатор. Во дизајнот на конвертерот се користат SiC MOSFET-ови. За средно-напонски (MV) порт, е имплементиран правоугулен мост со користење на SiC диоди, кој е исто така поврзан со банка на резистивна надворешна површина со рейтинг за обработка на 7,2 кВ.

Заклучок

Овој труд се фокусира на дизајнот на четирипортен средно-напонски многопортен тврд трансформатор (MV MPSST) кој овозможува интеграција на четири различни извори или надворешни површини во применби на микромрежи. Еден порт на трансформаторот е средно-напонски (MV) порт со рейтинг 4,16 кВ АЦ. Били препрегледани различни модели на трансформатори и материјали за јадра. Поради тоа, освен дизајнот на трансформаторот, се развијаат тест поставки за MV и LV портови. Ефикасност од 99% беше постигната во експерименталната валидација.