Design av en fireport solid-state transformer: Effektiv integrasjonsløsning for mikronettverk

Bruken av kraftelektronikk i industri øker, fra småskalaapplikasjoner som ladbokser for batterier og LED-drev, til storskalaapplikasjoner som fotovoltiske (PV) systemer og elektriske kjøretøy. Et typisk strømsystem består av tre deler: kraftverk, overføringsystemer, og distribusjonssystemer. Tradisjonelt brukes lavfrekvente transformatorer til to formål: elektrisk isolering og spenningsmatch. Imidlertid er 50-/60-Hz-transformatorer klumpete og tunge. Kraftkonvertere benyttes for å muliggjøre kompatibilitet mellom nye og eldre strømsystemer, ved å utnytte konseptet med fasttilstandstransformatorer (SST). Ved å benytte høy- eller mellomfrekvenskraftkonvertering reduserer SST-transformatorstørrelsen og gir høyere effektetthet sammenlignet med konvensjonelle transformatorer.

Fremgang i magnetiske materialer—med høy fluktdensitet, høy effekt- og frekvensevne, samt lave effekttap—har gjort det mulig for forskere å utvikle SST-er med høy effektetthet og effektivitet. I de fleste tilfeller har forskningen fokusert på tradisjonelle dobbeltspoletransformatorer. Imidlertid har den økende integrasjonen av fordelt generering, sammen med utviklingen av smarte nett og mikronett, ført til konseptet med flerportede fasttilstandstransformatorer (MPSST).

På hver port av konverteren brukes en dobbelt aktiv bro (DAB)-konverter, som benytter transformatorens lekkasjeinduktans som konverterens induktans. Dette reduserer størrelsen ved å eliminere behovet for ekstra induktorer og reduserer også tap. Leakkasjeinduktansen avhenger av vindingsplassering, kjernegometri, og koblingskoeffisient, noe som gjør transformatordesign mer kompleks. Faseskiftkontroll brukes i DAB-konvertere for å regulere effektflyt mellom porter. Imidlertid påvirker faseskiftet på en port effektflyten på andre porter i et MPSST, noe som øker kontrollkompleksiteten med antallet porter. Derfor fokuserer de fleste MPSST-forskningsprosjektene på treferdige systemer.

Denne artikkelen fokuserer på designet av en fasttilstandstransformator for mikronettapplikasjoner. Transformatoren integrerer fire porter på en enkelt magnetisk kjerner. Den opererer med en skifrefrekvens på 50 kHz, med hver port satt til 25 kW. Portkonfigurasjonen representerer et realistisk mikronettmodell som består av nettverket, energilagringssystem, fotovoltisk system, og lokal belastning. Nettporten opererer ved 4,160 VAC, mens de tre andre portene opererer ved 400 V.

Fireporter SST

Transformatordesign

Tabell 1 viser ulike vanlig brukte materialer for produksjon av transformatorkjerner, sammen med deres fordele og ulemper. Målet er å velge et materiale som kan støtte 25 kW per port ved en driftsfrekvens på 50 kHz. Kommercielt tilgjengelige transformatorkjernematerialer inkluderer silisjøl, amorf legeme, ferritt, og nanokristallin. For målanvendelsen—en fireports transformator som opererer på 50 kHz med 25 kW per port—må det mest egnet kjernemateriale identifiseres. Ved å analysere tabellen blir både nanokristallin og ferritt kortlistet som potensielle kandidater. Imidlertid viser nanokristallin høyere effekttap ved skifrefrekvenser over 20 kHz. Derfor velges ferritt som det endelige kjernematerialet for transformator.

Ulike Kjernematerialer og Deres Karakteristika

Transformatorkjernedesign er også viktig, da det påvirker kompakthet, effektetthet, og total størrelse—men fremfor alt påvirker det transformatorens lekkasjeinduktans. For en 330-kW, 50-Hz dobbelporttransformator har kjerneshaper som kjernetype og skalletype blitt sammenlignet, og det har vist seg at skalletypekonfigurasjonen gir lavere lekkasjeinduktans og jevnere effektflyt. Derfor vil en skalletypekonfigurasjon bli brukt, med alle fire vindinger lagret sentralt på midtkjernen av transformator, noe som forbedrer koblingskoeffisienten.

Skalletypekjernen måler 186×152×30 mm, og ferrittmaterialet som brukes er 3C94 i en 4xU93×76×30 mm-konfigurasjon. Litz-tråd brukes for vindingen av både mediumspennings- (MV) og høystrømporte, satt til henholdsvis 3.42 A og 62.5 A. For lavspennings- (LV) porter brukes 16 AWG og 4 AWG tråd. Ved å twist LV-vindingene sammen forbedres magnetisk kobling ytterligere.

Etter å ha fullført det foreslåtte MV MPSST-designet, utføres Maxwell-3D/Simplorer-simuleringer. Portspenningene for mediumspenningsnett, energilagring, belastning, og fotovoltiske systemer settes til henholdsvis 7.2 kVDC og 400 VDC. Simuleringer utføres under full last, med belastningsporten som leverer 25 kW ved en skifrefrekvens på 50 kHz og en 50% plikt. Effektregulering oppnås ved å justere faseskiftet mellom konvertercellene. Resultater presenteres i tabellen. Ulige modeller viser ulike karakteristika som kjerneshape, tverrsnittareal, tap, og volum. Som vist i tabellen viser Modell 7 lavere lekkasjeinduktans og høyere effektivitet.

Modell og Simuleringsresultater

Eksperimentell Oppsett

Kjernen er konstruert ved hjelp av fire U-formede kjerner montert i ett lag. Den fullstendige kjernen består av tre lag med vindinger plassert på midtkjernen. De tre lavspennings- (LV) portvindingene er vindet sammen for å forbedre kobling. En dobbelt aktiv bro (DAB)-konverter er designet for å teste den foreslåtte transformator. SiC MOSFET-er brukes i konverterdesignet. For mediumspennings- (MV) porten implementeres en rettiferingsbro ved hjelp av SiC-dioder, som også er koblet til en resistiv belastningsbank satt til å håndtere 7.2 kV.

Konklusjon

Denne artikkelen fokuserer på designet av en fireports mediumspennings flerportet fasttilstandstransformator (MV MPSST) som muliggjør integrasjon av fire ulike kilder eller belastninger i mikronettapplikasjoner. Én port av transformator er en mediumspennings- (MV) port satt til 4.16 kV AC. Forskellige transformatormodeller og kjernematerialer er gennemgått. I tillegg til transformatordesignet er testoppsett utviklet for både MV- og LV-portene. En effektivitet på 99% ble oppnådd i eksperimentell validering.