Dizajn četvoroputne čvrstotelo transformatore: Efikasna integraciona rešenja za mikromreže

Korišćenje strujnih elektronika u industriji se povećava, od malih primena poput naplatnih uredjaja za baterije i LED pogona, do velikih sistema poput fotovoltaičkih (PV) sistema i električnih vozila. Obično, sistem snage sastoji se od tri dela: elektrana, sistemi prenosa i distribucijski sistemi. Tradicionalno, niskofrekventni transformatori koriste se sa dve svrhe: električna izolacija i usklađivanje napona. Međutim, 50-/60-Hz transformatori su obimni i teški. Pregrađivači snage koriste se kako bi omogućili kompatibilnost između novih i postojećih sistema snage, ispoljavajući koncept čvrstostanih transformatora (SST). Korišćenjem visokofrekventne ili srednjefrekventne pretvorbe snage, SST-i smanjuju dimenzije transformatora i nude veću gustinu snage u poređenju sa standardnim transformatorima.

Napredak u magnetnim materijalima - koji imaju visoku gustoću fluksa, visoku sposobnost snage i frekvencije, kao i niske gubitke snage - omogućio je istraživačima da razviju SST-e sa visokom gustinom snage i efikasnošću. U većini slučajeva, istraživanja su se fokusirala na tradicionalne transformatore sa dva vijka. Međutim, rastuća integracija raspodeljenog proizvodnog kapaciteta, zajedno sa razvojem pametnih mreža i mikromreža, dovela je do koncepta višeportnih čvrstostanih transformatora (MPSST).

Na svakom portu pregrađivača koristi se pregrađivač sa dva aktivna mosta (DAB), koji koristi curenje induktivnosti transformatora kao induktor pregrađivača. To smanjuje dimenzije eliminisanjem potrebe za dodatnim induktorima i takođe smanjuje gubitke. Curenje induktivnosti zavisi od položaja vijaka, geometrije jezgra i koeficijenta spajanja, čime dizajn transformatora postaje složeniji. Kontrola faznog pomera koristi se u DAB pregrađivačima kako bi regulisala protok snage između portova. Međutim, u MPSST-u, fazni pomjer na jednom portu utiče na protok snage na drugim portovima, povećavajući kompleksnost kontrole sa brojem portova. Zbog toga, većina istraživanja MPSST-a fokusira se na sisteme sa tri porta.

Ovaj rad fokusira se na dizajn čvrstostanog transformatora za primene mikromreže. Transformator integriše četiri porta na jednom magnetnom jezgru. Radi na frekvenciji preklapanja od 50 kHz, pri čemu je svaki port označen za 25 kW. Konfiguracija portova predstavlja realističan model mikromreže koji uključuje javnu mrežu, sistem skladištenja energije, fotovoltaički sistem i lokalnu opterećenost. Port mreže radi na 4,160 VAC, dok ostala tri porta rade na 400 V.

Četvoroportni SST

Dizajn transformatora

Tabela 1 pokazuje različite materijale često korišćene za proizvodnju jezgra transformatora, zajedno sa njihovim prednostima i nedostacima. Cilj je da se izabere materijal sposoban da podrži 25 kW po portu na radnoj frekvenciji od 50 kHz. Komercijalno dostupni materijali za jezgra transformatora uključuju silicijsku čelik, amorfni leguri, ferit i nanokristalni materijali. Za ciljanu primenu - četvoroportni transformator koji radi na 50 kHz sa 25 kW po portu - mora se identifikovati najprikladniji materijal za jezgro. Analizom tabele, nanokristalni materijali i feriti su izabrani kao potencijalni kandidati. Međutim, nanokristalni materijali pokazuju veće gubitke snage na frekvencijama preklapanja iznad 20 kHz. Stoga, ferit je konačno izabran kao materijal za jezgro transformatora.

Različiti materijali za jezgro i njihove karakteristike

Dizajn jezgra transformatora je takođe ključan, jer utiče na kompaktnost, gustinu snage i ukupnu veličinu, ali najviše utiče na curenje induktivnosti transformatora. Za 330-kW, 50-Hz transformator sa dva porta, upoređeni su oblici jezgra poput jezgra tipa i škaljasto-jezgra, pokazavši da škaljasto-jezgrasta konfiguracija pruža niže curenje induktivnosti i glađi protok snage. Stoga će se koristiti škaljasto-jezgrasta konfiguracija, sa svim četiri vijka slojevitom na centralnom grananju transformatora, time poboljšavajući koeficijent spajanja.

Škaljasto-jezgrasti materijal meri 186×152×30 mm, a koristi se feritni materijal 3C94 u konfiguraciji 4xU93×76×30 mm. Litz žica se koristi za vijanje srednjeg naponskog (MV) i visokotrenutnog porta, označenog sa 3.42 A i 62.5 A, redom. Za niskonaponske (LV) porte koriste se žice 16 AWG i 4 AWG. Skrivenje LV vijaka zajedno dalje poboljšava magnetno spajanje.

Nakon završetka predloženog dizajna MV MPSST-a, vršene su simulacije Maxwell-3D/Simplorer. Naponi na portovima za srednji napon, sistem skladištenja energije, opterećenje i fotovoltaički sistem su postavljeni na 7.2 kVDC i 400 VDC, redom. Simulacije su izvršene pod punom opterećenošću, sa portom opterećenja koji isporučuje 25 kW na frekvenci preklapanja od 50 kHz i sa dužinom talasa od 50%. Kontrola snage postiže se prilagođavanjem faznog pomera između celija pregrađivača. Rezultati su prikazani u tabeli. Različiti modeli pokazuju različite karakteristike poput oblika jezgra, presečnog površine, gubitaka i zapremine. Kao što je prikazano u tabeli, Model 7 pokazuje niže curenje induktivnosti i veću efikasnost.

Model i rezultati simulacije

Eksperimentalna postavka

Jezgro je konstruisano korišćenjem četiri U-oblikovana jezgra asamblirana u jedan sloj. Potpuno jezgro sastoji se od tri sloja sa vijcima postavljenim na centralno grananje. Tri niskonaponska (LV) porta su vijani zajedno kako bi se poboljšalo spajanje. Pregrađivač sa dva aktivna mosta (DAB) je dizajniran kako bi se testirao predloženi transformator. Koriste se SiC MOSFET-ovi u dizajnu pregrađivača. Za srednji naponski (MV) port, implementiran je rektifikatorski most korišćenjem SiC dijodova, koji je takođe povezan sa opterećenjem bankom otpornika označenom da može da obrađuje 7.2 kV.

Zaključak

Ovaj rad se fokusira na dizajn četvoroportnog srednjeg naponskog višeportnog čvrstostanog transformatora (MV MPSST) koji omogućava integraciju četiri različite izvore ili opterećenja u primenama mikromreže. Jedan port transformatora je srednji naponski (MV) port označen za 4.16 kV AC. Razmatrani su različiti modeli transformatora i materijali za jezgro. Pored dizajna transformatora, razvijeni su testni postavci za MV i LV portove. Efikasnost od 99% je dostignuta u eksperimentalnoj validaciji.