Проектирование твердотельного трансформатора с четырьмя портами: эффективное интеграционное решение для микросетей

Использование силовой электроники в промышленности растет, охватывая от маломасштабных приложений, таких как зарядные устройства для аккумуляторов и драйверы светодиодов, до крупномасштабных приложений, таких как фотоэлектрические (PV) системы и электромобили. Обычно энергетическая система состоит из трех частей: электростанций, систем передачи и распределения. Традиционно низкочастотные трансформаторы используются для двух целей: электрической изоляции и согласования напряжений. Однако трансформаторы на 50/60 Гц громоздки и тяжелы. Преобразователи мощности используются для обеспечения совместимости между новыми и устаревшими энергетическими системами, используя концепцию твердотельных трансформаторов (SST). Благодаря использованию высокочастотного или среднечастотного преобразования мощности SST уменьшают размер трансформатора и предлагают более высокую плотность мощности по сравнению с традиционными трансформаторами.

Прогресс в области магнитных материалов, обладающих высокой плотностью потока, высокой мощностью и частотой, а также низкими потерями мощности, позволил исследователям разработать твердотельные трансформаторы с высокой плотностью мощности и эффективностью. В большинстве случаев исследования сосредоточены на традиционных двухобмоточных трансформаторах. Однако растущая интеграция распределенной генерации, а также развитие умных сетей и микросетей, привели к концепции многопортовых твердотельных трансформаторов (MPSST).

На каждом порту преобразователя используется двойной активный мост (DAB), который использует утечку индуктивности трансформатора в качестве индуктивности преобразователя. Это уменьшает размеры, исключая необходимость дополнительных индуктивностей, и снижает потери. Утечка индуктивности зависит от расположения обмоток, геометрии сердечника и коэффициента связи, что делает проектирование трансформатора более сложным. В DAB-преобразователях используется фазовое сдвиговое управление для регулирования потока мощности между портами. Однако в MPSST фазовый сдвиг на одном порту влияет на поток мощности на других портах, увеличивая сложность управления с увеличением числа портов. В результате большинство исследований MPSST сосредоточено на трехпортовых системах.

В данной работе рассматривается проектирование твердотельного трансформатора для применения в микросетях. Трансформатор интегрирует четыре порта на одном магнитном сердечнике. Он работает на частоте переключения 50 кГц, каждый порт рассчитан на 25 кВт. Конфигурация портов представляет собой реалистичную модель микросети, включающую энергосистему, систему хранения энергии, фотоэлектрическую систему и локальную нагрузку. Порт сети работает на напряжении 4,160 В переменного тока, тогда как другие три порта работают на напряжении 400 В.

Четырехпортовый SST

Проектирование трансформатора

Таблица 1 показывает различные материалы, часто используемые для изготовления сердечников трансформаторов, вместе с их преимуществами и недостатками. Цель - выбрать материал, способный поддерживать 25 кВт на каждом порту при рабочей частоте 50 кГц. Коммерчески доступные материалы для сердечников трансформаторов включают силиконовую сталь, аморфный сплав, феррит и нанокристаллический материал. Для целевого применения - четырехпортового трансформатора, работающего на частоте 50 кГц с 25 кВт на каждом порту - необходимо определить наиболее подходящий материал сердечника. Анализируя таблицу, в качестве потенциальных кандидатов выбираются нанокристаллический и феррит. Однако нанокристаллический материал демонстрирует более высокие потери мощности при частотах переключения выше 20 кГц. Поэтому в качестве материала сердечника трансформатора выбирается феррит.

Различные материалы сердечника и их характеристики

Проектирование сердечника трансформатора также критически важно, так как оно влияет на компактность, плотность мощности и общий размер, но, что самое важное, влияет на утечку индуктивности трансформатора. Для 330-кВт, 50-Гц двухпортового трансформатора были сравнены формы сердечников, такие как сердечник типа "сердечник" и "корпус", показав, что конфигурация типа "корпус" обеспечивает меньшую утечку индуктивности и более плавный поток мощности. Поэтому будет использована конфигурация типа "корпус", с четырьмя обмотками, расположенными концентрически на центральной части трансформатора, что улучшает коэффициент связи.

Размеры сердечника типа "корпус" составляют 186×152×30 мм, и используемый ферритовый материал - 3C94 в конфигурации 4xU93×76×30 мм. Для намотки средневольтных (MV) и высокотоковых портов используется провод Литц, рассчитанный на 3.42 А и 62.5 А соответственно. Для низковольтных (LV) портов используются провода 16 AWG и 4 AWG. Скручивание низковольтных обмоток вместе дополнительно улучшает магнитное соединение.

После завершения предложенного дизайна MV MPSST проводятся симуляции Maxwell-3D/Simplorer. Напряжения на портах для средневольтной сети, системы хранения энергии, нагрузки и фотоэлектрической системы установлены на 7.2 кВ постоянного тока и 400 В постоянного тока соответственно. Симуляции проводятся при полной нагрузке, когда порт нагрузки выдает 25 кВт при частоте переключения 50 кГц и 50% коэффициенте заполнения. Управление мощностью осуществляется путем регулирования фазового сдвига между ячейками преобразователя. Результаты представлены в таблице. Различные модели демонстрируют различные характеристики, такие как форма сердечника, площадь поперечного сечения, потери и объем. Как показано в таблице, модель 7 демонстрирует меньшую утечку индуктивности и более высокую эффективность.

Модель и результаты симуляции

Экспериментальная установка

Сердечник изготовлен из четырех U-образных сердечников, собранных в один слой. Полный сердечник состоит из трех слоев с обмотками, расположенными на центральной части. Три низковольтные (LV) портовые обмотки наматываются вместе, чтобы улучшить связь. Двухактивный мост (DAB) разработан для тестирования предложенного трансформатора. В конструкции преобразователя используются SiC MOSFET. Для средневольтного (MV) порта реализуется выпрямительный мост с использованием диодов SiC, который также подключен к резистивному нагрузочному банку, рассчитанному на 7.2 кВ.

Заключение

В данной работе рассматривается проектирование четырехпортового средневольтного многопортового твердотельного трансформатора (MV MPSST), который позволяет интегрировать четыре различных источника или нагрузки в приложениях микросетей. Один порт трансформатора - это средневольтный (MV) порт, рассчитанный на 4.16 кВ переменного тока. Рассмотрены различные модели трансформаторов и материалы сердечников. Кроме того, были разработаны испытательные установки как для MV, так и для LV портов. В экспериментальной проверке была достигнута эффективность 99%.