Ontwerp van een vierpoortige vaste toestandstransformator: Efficiënte integratieoplossing voor microgrids

De toepassing van stroom elektronica in de industrie neemt toe, variërend van kleine schaal toepassingen zoals laders voor batterijen en LED-drivers, tot grootschalige toepassingen zoals fotovoltaïsche (PV) systemen en elektrische voertuigen. Typisch bestaat een stroomsysteem uit drie delen: energiecentrales, transmissiesystemen en distributiesystemen. Traditioneel worden laagfrequente transformatoren gebruikt voor twee doeleinden: elektrische isolatie en spanningsovereenkomst. Echter, 50-/60-Hz transformatoren zijn groot en zwaar. Stroomomvormers worden gebruikt om compatibiliteit tussen nieuwe en bestaande stroomsystemen mogelijk te maken, met gebruikmaking van het concept van vaste-staats-transformatoren (SST). Door gebruik te maken van hoog- of middel-frequent stroomomzetting, verminderen SST's de grootte van transformatoren en bieden een hogere stroomdichtheid vergeleken met conventionele transformatoren.

Vooruitgang in magnetische materialen—met hoge fluxdichtheid, hoge stroom- en frequentiecapaciteit, en lage stroomverliezen—heeft onderzoekers in staat gesteld om SST's met hoge stroomdichtheid en efficiëntie te ontwikkelen. In de meeste gevallen is het onderzoek gericht op traditionele dubbel-wikkeling transformatoren. Echter, de toenemende integratie van gedistribueerde generatie, samen met de ontwikkeling van slimme netwerken en microgrids, heeft geleid tot het concept van multi-poort vaste-staats-transformatoren (MPSST).

Aan elke poort van de omvormer wordt een dubbele actieve brug (DAB) omvormer gebruikt, die de lek-inductance van de transformer gebruikt als de inductor van de omvormer. Dit vermindert de grootte door de noodzaak aan extra inductoren te elimineren en verlaagt ook de verliezen. Lek-inductance hangt af van de plaatsing van de wikkelingen, kerngeometrie en koppelcoëfficiënt, waardoor de transformatordesign complexer wordt. Faseverschuivingregeling wordt gebruikt in DAB-omvormers om de stroomstroom tussen poorten te reguleren. Echter, in een MPSST beïnvloedt de faseverschuiving bij één poort de stroomstroom bij andere poorten, wat de regelingscomplexiteit vergroot naarmate het aantal poorten toeneemt. Daarom richt het meeste MPSST-onderzoek zich op drie-poort systemen.

Dit artikel richt zich op het ontwerp van een vaste-staats-transformator voor microgrid-toepassingen. De transformator integreert vier poorten op een enkele magnetische kern. Het werkt op een schakelfrequentie van 50 kHz, met elke poort geclassificeerd voor 25 kW. De poortconfiguratie vertegenwoordigt een realistisch microgridmodel dat bestaat uit het nutsnet, energieopslagsysteem, fotovoltaïsch systeem en lokale belasting. De netpoort werkt op 4.160 VAC, terwijl de andere drie poorten werken op 400 V.

Vier-Poort SST

Transformatorontwerp

Tabel 1 toont verschillende vaak gebruikte materialen voor de productie van transformatorkernen, samen met hun voordelen en nadelen. Het doel is om een materiaal te selecteren dat 25 kW per poort kan ondersteunen bij een werkende frequentie van 50 kHz. Commercieel beschikbare transformatorkermaterialen omvatten siliciumstaal, amorfe legering, ferriet en nanokristallijn. Voor de doeltoepassing—een vier-poort transformator die werkt op 50 kHz met 25 kW per poort—moet het meest geschikte kernmateriaal worden geïdentificeerd. Door de tabel te analyseren, worden zowel nanokristallijn als ferriet geselecteerd als potentiële kandidaten. Echter, nanokristallijn toont hogere stroomverliezen bij schakelfrequenties boven de 20 kHz. Daarom wordt uiteindelijk ferriet geselecteerd als het kernmateriaal voor de transformator.

Verschillende Kernmaterialen en Hun Kenmerken

Het ontwerp van de transformatorkern is ook cruciaal, omdat het compactheid, stroomdichtheid en de totale grootte beïnvloedt—maar het belangrijkst is dat het de lek-inductance van de transformator beïnvloedt. Voor een 330-kW, 50-Hz dual-port transformator zijn kernvormen zoals kern-type en schil-type vergeleken, waarbij is aangetoond dat de schil-type configuratie lagere lek-inductance en soepelere stroomstroom biedt. Daarom zal een schil-type configuratie worden gebruikt, met alle vier de wikkelingen concentrisch gestapeld op de centrale poot van de transformator, waardoor de koppelcoëfficiënt verbeterd wordt.

De schil-type kern meet 186×152×30 mm, en het gebruikte ferrietmateriaal is 3C94 in een 4xU93×76×30 mm configuratie. Litz draad wordt gebruikt voor het winden van zowel de medium-spanning (MV) als de hoogstroom poorten, geclassificeerd voor respectievelijk 3,42 A en 62,5 A. Voor de laagspannings (LV) poorten worden 16 AWG en 4 AWG draden gebruikt. Het draaien van de LV-wikkelingen samen versterkt de magnetische koppeling nog verder.

Na het voltooien van het voorgestelde MV MPSST-ontwerp worden Maxwell-3D/Simplorer simulaties uitgevoerd. De poortspanningen voor het medium-spanningsnet, energieopslagsysteem, belasting en fotovoltaïsche systemen worden ingesteld op respectievelijk 7,2 kVDC en 400 VDC. Simulaties worden uitgevoerd onder volledige belasting, met de belastingspoort die 25 kW levert bij een schakelfrequentie van 50 kHz en een 50% duty cycle. Stroomregeling wordt bereikt door de faseschuiving tussen omvormercellen aan te passen. Resultaten worden gepresenteerd in de tabel. Verschillende modellen tonen verschillende kenmerken zoals kernvorm, doorsnede, verlies en volume. Zoals in de tabel wordt getoond, toont Model 7 lagere lek-inductance en hogere efficiëntie.

Model en Simulatieresultaten

Experimentele Opzet

De kern wordt gebouwd met behulp van vier U-vormige kernen die in één laag worden samengesteld. De complete kern bestaat uit drie lagen met wikkelingen geplaatst op de centrale poot. De drie laagspannings (LV) poortwikkelingen worden samen gewonden om de koppeling te versterken. Een dubbele actieve brug (DAB) omvormer wordt ontworpen om de voorgestelde transformator te testen. SiC MOSFETs worden gebruikt in het omvormerontwerp. Voor de medium-spannings (MV) poort wordt een rectifierbrug geïmplementeerd met SiC-diodes, die ook is verbonden met een resistieve belastingsbank die is geclassificeerd voor 7,2 kV.

Conclusie

Dit artikel richt zich op het ontwerp van een vier-poort medium-spannings multi-poort vaste-staats-transformator (MV MPSST) die de integratie van vier verschillende bronnen of belastingen in microgrid-toepassingen mogelijk maakt. Een poort van de transformator is een medium-spannings (MV) poort geclassificeerd voor 4,16 kV AC. Verschillende transformatormodellen en kernmaterialen werden bekeken. Naast het transformatorontwerp, werden testopstellingen ontwikkeld voor zowel de MV- als de LV-poorten. Een efficiëntie van 99% werd bereikt bij de experimentele validatie.