Progett tal-Trasformatur Solid-State tat-Tliet: Soluzzjoni Integrata Efficace għal Mikrogrigi

L-użu tal-elettronika tal-enerġija fl-industri jkun qiegħed jiżdied, minn applikazzjonijiet f’skala żgħira bħal cariċaturi għall-batteriji u drijvers għal LED, sa applikazzjonijiet f’skala kbira bħal sustemi fotovoltaici (PV) u vetturi elettrika. Tipikament, sustem tal-enerġija konsisti mill-għaxrin parti: centrali tal-enerġija, sistemi ta' trasferiment, u sistemi ta' distribuzzjoni. Tradizzjonalment, l-iżolament elektriku u l-mismatch tal-volttagh jkunu magħqudin bl-użu ta' transformatori b'frekwenza bassa. Iwa, il-transformatori ta' 50-/60-Hz huma kbiri u ħażini. Il-konverturi tal-enerġija huma użati biex jagħmlu kompatibbli is-sistemi tal-enerġija ġodda u l-ewwel, stabbilita l-idea tal-transformatori solid-state (SST). Bi t-tul ta' konverżjoni tal-enerġija f'rekwenzji alta jew medja, is-SST jżiddu l-affittivitá tal-spazju tas-silġ u joffru densità tal-enerġija akbar minn transformatori tradizzjonali.

L-evoluzzjoni tal-materiali magneżjka—featuring high flux density, high power and frequency capability, and low power losses—għaddejt il-biżgħa tal-ricerka li saret fuq SSTs mal-affittivitá u d-densità tal-enerġija akbar. F'dak il-ktar ta' l-każ, ir-ricerka inkisbet fuq transformatori bil-dual winding tradizzjonali. Iwa, it-tul ta' l-integrazzjoni tal-generazzjoni distribwita, flimkien mal-ħarsa ta' smart grids u microgrids, għaddejt lil konċett tal-multi-port solid-state transformers (MPSST).

Fieklu port tal-konvertur, hu użat dual active bridge (DAB) converter, li jempjega l-leakage inductance tal-transformator bħala l-induktor tal-konvertur. Dan jżid l-affittivitá tal-spazju billi jelimina l-bisogna għal induktör addizzjonali u wkoll jżid l-effiċjenza. Il-leakage inductance tintuża mill-posizjoni tal-winding, geometrija tal-core, u koeffiċjent tal-coupling, li jgħamill l-idejn tal-design tal-transformator iktar komplikat. Il-control ta' phase shift hu użat fi DAB converters biex jregola l-flus tal-enerġija bejn il-ports. Iwa, f'l-MPSST, il-phase shift f'port wieħed jaffeċka l-flus tal-enerġija fil-ports oħra, jżid l-komplikazzjoni tal-control meta tinċreb il-numru tal-ports. B'dan ir-risultat, l-ebda ricerka ta' MPSST tfokkusa fuq sistemi ta' tri ports.

Dan il-paġna tfokkusa fuq id-design tal-solid-state transformer għal applikazzjonijiet ta' microgrid. Il-transformator jintegra quddiem ports fuq core magneżju wahda. Jopera b'frekwenza ta' switċing ta' 50 kHz, fieklu port rated għal 25 kW. Il-configurazzjoni tal-ports t rappreżenta model realistiku ta' microgrid li jinkludi l-grid utilitarju, sustem ta' storage tal-enerġija, sustem PV, u load lokali. Il-port tal-grid jopera b'4,160 VAC, mentri l-oħra tliet ports jopraw b'400 V.

Four-Port SST

Design tal-Transformator

Tabela 1 turi varjet materiali miftuħa għal manifattura tal-core tal-transformator, insieme mal-liet u l-disliekt tagħhom. Il-moħbija hija li nselezzjona material kapax biex jsostni 25 kW fieklu port b'frekwenza ta' operazzjoni ta' 50 kHz. Materiali tal-core tal-transformator disponibbli kommertzjalment inkluudu l-steel tal-silicon, l-alloy amorphous, l-ferrite, u l-nanocrystalline. Għad-daqqa applicata—transformator ta' quddiem ports jopra b'50 kHz b'25 kW fieklu port—il-material tal-core apropriat għandu jkun identifikat. Bi analizz ta' tabela, hemm nanocrystalline u ferrite li jkunu shortlisted bħala potenzjali. Iwa, l-nanocrystalline jippermetti l-power losses akbar minn 20 kHz ta' frekwenza ta' switċing. L-ferrite tkun selezzjonata bħala material tal-core għal transformator.

Different Core Materials and Their Characteristics

Id-design tal-core tal-transformator huwa wkoll importanti, għax jaffettua l-kompakkità, l-densità tal-enerġija, u s-saġġa ukoll—ma l-aħwa huwa l-influwenza fuq l-leakage inductance tal-transformator. Għal 330-kW, 50-Hz dual-port transformator, formas tal-core bħal core-type u shell-type inkisebu paragun, li wassal biex jidmostraw li l-configurazzjoni shell-type tippresenta leakage inductance akbar u flus tal-enerġija ikkumplikan. Għalhekk, configruzza shell-type se tkun użata, feklu port tal-winding maqsuma koncentricament fuq l-center limb tal-transformator, biex timprova l-coefficient tal-coupling.

Il-shell-type core misura 186×152×30 mm, u l-material ferrite użat huwa 3C94 f'konfigurazzjoni 4xU93×76×30 mm. Litz wire huwa użat għal winding tal-medium-voltage (MV) u high-current ports, rated għal 3.42 A u 62.5 A rispettivament. Għal low-voltage (LV) ports, wires 16 AWG u 4 AWG huma użati. Twisting tal-LV windings flimkien ikkomplika l-magnetic coupling.

Waqt li ssir il-proposta ta' design MV MPSST, simulazzjonijiet Maxwell-3D/Simplorer jkunu eseguiti. Il-voltaggi tal-ports għal grid medium-voltage, energy storage, load, u sistemi photovoltaics jkunu settati għal 7.2 kVDC u 400 VDC rispettivament. Simulazzjonijiet jkunu eseguiti taħt full load, bil-load port jfornixxi 25 kW b'frekwenza ta' switċing ta' 50 kHz u dutty cycle ta' 50%. Il-control tal-enerġija jkun raggiungut bi adjusting il-phase shift bejn converter cells. Ir-riżultati jkunu prezentati ftabela. Modelli differenti jippermettu karatteristiki differenti bħal forma tal-core, area ta' sezjon tal-cross, loss, u volume. Kif turi ftabela, Model 7 jimprestja leakage inductance akbar u effiċjenza akbar.

Model and Simulation Results

Experimental Setup

Il-core huwa ibni għal dawn il-quddiem U-shaped cores assembled into one layer. Il-core kumplet huwa ta' tre strati, mat-windings posta fuq l-center limb. It-tliet LV port windings huma twista flimkien biex jżiddu l-coupling. Dual active bridge (DAB) converter huwa disegnat biex jitesta l-proposta ta' transformator. SiC MOSFETs huma użati fid-design tal-konvertur. Għal MV port, bridge ta' rettifika huwa implementat bl-użu ta' SiC diodes, li jkunu anke kkoneżta ma' resistive load bank rated għal 7.2 kV.

Conclusion

Dan il-paġna tfokkusa fuq id-design ta' quddiem-port medium-voltage multi-port solid-state transformer (MV MPSST) li jippermetti l-integrazzjoni ta' quddiem sorgenti jew loads diversi f'applikazzjonijiet ta' microgrid. Port wieħed tal-transformator huwa port MV rated għal 4.16 kV AC. Varjet modelli tal-transformator u materiali tal-core inkisu reviżuti. Flimkien mid-design tal-transformator, test setups kien empijnut għal MV u LV ports. Effiċjenza ta' 99% kien raggiunta fid-validazzjoni sperimenatali.