Projekt czteropортowego przekształtnika stałościennego: Efektywne rozwiązanie integracji dla mikrosieci

Zastosowanie elektroniki mocy w przemyśle jest coraz większe, od małoskalowych zastosowań, takich jak ładowarki do baterii i sterowniki LED, po duże skale, takie jak systemy fotowoltaiczne (PV) i pojazdy elektryczne. Typowy system energetyczny składa się z trzech części: elektrowni, systemów transmisyjnych i systemów dystrybucyjnych. Tradycyjnie transformatory niskiej częstotliwości są używane do dwóch celów: izolacji elektrycznej i dopasowania napięcia. Jednak transformatory o częstotliwości 50/60 Hz są objętościowe i ciężkie. Przetwornice mocy są wykorzystywane do zapewnienia kompatybilności między nowymi i istniejącymi systemami energetycznymi, korzystając z koncepcji transformatorów stanu stałego (SST). Dzięki zastosowaniu wysokoczęstotliwościowej lub średnio-częstotliwościowej konwersji mocy, SST zmniejszają rozmiar transformatora i oferują wyższą gęstość mocy w porównaniu z tradycyjonalnymi transformatorami.

Postępy w materiałach magnetycznych – charakteryzujących się wysoką gęstością strumienia, wysoką mocą i częstotliwością oraz niskimi stratami mocy – umożliwiły naukowcom opracowanie SST o wysokiej gęstości mocy i efektywności. W większości przypadków badania skupiały się na tradycyjnych transformatorach dwuwindingowych. Jednak rosnąca integracja rozproszonej generacji, wraz z rozwojem inteligentnych sieci energetycznych i mikrosieci, doprowadziła do koncepcji wieloportowych transformatorów stanu stałego (MPSST).

W każdym porcie przetwornicy stosowany jest przetwornik mostu aktywnego podwójnego (DAB), który wykorzystuje indukcyjność przecieku transformatora jako induktor przetwornika. To redukuje rozmiar poprzez eliminację potrzeby dodatkowych induktorów i również obniża straty. Indukcyjność przecieku zależy od rozmieszczenia wirowodów, geometrii rdzenia i współczynnika sprzężenia, co sprawia, że projektowanie transformatora staje się bardziej skomplikowane. W przetwornikach DAB do regulacji przepływu mocy między portami stosuje się kontrolę przesunięcia fazowego. Jednak w MPSST, przesunięcie fazy w jednym porcie wpływa na przepływ mocy w innych portach, co zwiększa złożoność kontroli wraz ze wzrostem liczby portów. W rezultacie większość badań nad MPSST skupia się na systemach trójportowych.

Ten artykuł skupia się na projektowaniu transformatora stanu stałego do zastosowań w mikrosieciach. Transformator integruje cztery porty na jednym magnetycznym rdzeniu. Działa przy częstotliwości przełączania 50 kHz, z każdym portem o mocy 25 kW. Konfiguracja portów reprezentuje realistyczny model mikrosieci obejmujący sieć energetyczną, system magazynowania energii, system fotowoltaiczny i lokalne obciążenie. Port sieci działa przy 4,160 VAC, podczas gdy pozostałe trzy porty działają przy 400 V.

Czteroportowy SST

Projektowanie transformatora

Tabela 1 przedstawia różne powszechnie używane materiały do produkcji rdzeni transformatorów, wraz z ich zaletami i wadami. Celem jest wybranie materiału zdolnego do obsługi 25 kW na każdy port przy częstotliwości pracy 50 kHz. Komercyjnie dostępne materiały do rdzeni transformatorów to stal krzemu, stop amorficzny, ferrit i nanokrystaliczny. Dla docelowego zastosowania – czteroportowego transformatora działającego przy 50 kHz z 25 kW na każdy port – należy zidentyfikować najbardziej odpowiedni materiał rdzenia. Na podstawie analizy tabeli, zarówno nanokrystaliczny, jak i ferrit, są shortlistowane jako potencjalne kandydatury. Jednak nanokrystaliczny materiał wykazuje wyższe straty mocy przy częstotliwościach przełączania powyżej 20 kHz. Dlatego ostatecznie ferrit jest wybierany jako materiał rdzenia transformatora.

Różne materiały rdzenia i ich cechy

Projektowanie rdzenia transformatora jest również kluczowe, ponieważ wpływa na zwartość, gęstość mocy i ogólny rozmiar – ale najważniejsze, ma wpływ na indukcyjność przecieku transformatora. Dla 330-kW, 50-Hz transformatora dwupoortowego porównano kształty rdzenia, takie jak typ rdzenia i typ obudowy, pokazując, że konfiguracja typu obudowy oferuje niższą indukcyjność przecieku i płynniejszy przepływ mocy. Dlatego będzie używana konfiguracja typu obudowy, z wszystkimi czterema wirowodami ułożonymi koncentrycznie na środkowym ramieniu transformatora, co poprawia współczynnik sprzężenia.

Rdzeń typu obudowy ma wymiary 186×152×30 mm, a materiał ferritowy używany to 3C94 w konfiguracji 4xU93×76×30 mm. Do nawinięcia zarówno portów średniego napięcia (MV), jak i portów o wysokim prądzie, wykorzystywany jest drut Litz, o mocy 3,42 A i 62,5 A, odpowiednio. Dla portów niskiego napięcia (LV) używane są przewody 16 AWG i 4 AWG. Splątanie wirowodów LV dalej zwiększa sprzężenie magnetyczne.

Po ukończeniu zaproponowanego projektu MV MPSST przeprowadzono symulacje Maxwell-3D/Simplorer. Napięcia portów dla sieci średniego napięcia, systemu magazynowania energii, obciążenia i systemu fotowoltaicznego ustawiono odpowiednio na 7,2 kVDC i 400 VDC. Symulacje przeprowadzono przy pełnym obciążeniu, z portem obciążenia dostarczającym 25 kW przy częstotliwości przełączania 50 kHz i cyklu pracy 50%. Kontrola mocy jest osiągana przez dostosowanie przesunięcia fazowego między komórkami przetwornika. Wyniki przedstawione są w tabeli. Różne modele mają różne cechy, takie jak kształt rdzenia, pole przekroju, straty i objętość. Jak pokazano w tabeli, Model 7 demonstruje niższą indukcyjność przecieku i wyższą efektywność.

Model i wyniki symulacji

Układ doświadczalny

Rdzeń jest budowany z czterech U-kształtnych rdzeni złożonych w jedną warstwę. Cały rdzeń składa się z trzech warstw, z wirowodami umieszczonymi na środkowym ramieniu. Trzy wirowody portów niskiego napięcia (LV) są nawijane razem, aby zwiększyć sprzężenie. Projektowany jest przetwornik mostu aktywnego podwójnego (DAB) do testowania zaproponowanego transformatora. W projekcie przetwornika wykorzystywane są tranzystory MOSFET SiC. Dla portu średniego napięcia (MV) zaimplementowana jest mostowa prostownica z diodami SiC, która jest również podłączona do banku obciążeń opornych o mocy 7,2 kV.

Wnioski

Ten artykuł skupia się na projektowaniu czteroportowego transformatora wieloportowego stanu stałego o średnim napięciu (MV MPSST), który umożliwia integrację czterech różnych źródeł lub obciążeń w zastosowaniach mikrosieci. Jeden port transformatora to port średniego napięcia (MV) o mocy 4,16 kV AC. Przejrzano różne modele transformatorów i materiały rdzenia. Oprócz projektu transformatora opracowano układy doświadczalne zarówno dla portów MV, jak i LV. W walidacji doświadczalnej osiągnięto efektywność 99%.