Design av en fyrportad fasttillståndstransformator: Effektiv integrationslösning för mikronät

Användningen av styrströmskonverterare i industrin ökar, från småskaliga tillämpningar som laddare för batterier och LED-drivrutiner, till storskaliga tillämpningar som fotovoltaiska (PV) system och elbilar. Typiskt sett består ett strömsystem av tre delar: kraftverk, transmissionsystem och distributionsystem. Traditionellt används lågfrekventa transformer för två ändamål: elektrisk isolering och spänningsanpassning. Dock är 50-/60-Hz-transformer tunga och stora. Styrströmskonverterare används för att möjliggöra kompatibilitet mellan nya och äldre strömsystem, genom att utnyttja konceptet med fasta tillståndstransformatorer (SST). Genom att använda hög- eller medelfrekvensstyrströmskonvertering minskar SST-transformatorernas storlek och erbjuder högre effektstäthet jämfört med traditionella transformer.

Framsteg inom magnetiska material – med hög flödestäthet, hög effektfrekvenskapacitet och låga effektavslag – har möjliggjort för forskare att utveckla SST med hög effektstäthet och effektivitet. I de flesta fall har forskningen fokuserat på traditionella dubbelvindings-transformatorer. Men den växande integrationen av distribuerad generering, tillsammans med utvecklingen av smarta nät och mikronät, har lett till konceptet med flera portar för fasta tillstånds-transformatorer (MPSST).

Vid varje port i omvandlaren används en dubbel aktiv bro (DAB)-omvandlare, vilken använder transformatorns läckageinduktans som omvandlarens induktans. Detta minskar storleken genom att eliminera behovet av ytterligare induktorer och minskar också avslagen. Läckageinduktansen beror på vindningsplacering, kärngeometri och kopplingskoefficient, vilket gör transformatordesign mer komplex. Fasförskjutningskontroll används i DAB-omvandlare för att reglera effektflöde mellan portar. Men i en MPSST påverkar fasförskjutning vid en port effektflödet vid andra portar, vilket ökar kontrollens komplexitet med antalet portar. Som resultat fokuserar de flesta MPSST-forskningar på treportssystem.

Detta arbete fokuserar på designen av en fast tillstånds-transformator för mikronätapplikationer. Transformatorn integrerar fyra portar på en enda magnetisk kärna. Den fungerar vid en kommuteringsfrekvens på 50 kHz, med varje port dimensionerad för 25 kW. Portkonfigurationen representerar ett realistiskt mikronätsmodell som består av nätet, energilagringsystem, fotovoltaiskt system och lokal belastning. Nätporten fungerar vid 4,160 VAC, medan de andra tre portarna fungerar vid 400 V.

Fyra-Port SST

Transformator Design

Tabell 1 visar olika vanligt använda material för tillverkning av transformatorkärnor, tillsammans med deras fördelar och nackdelar. Målet är att välja ett material som kan stödja 25 kW per port vid en driftsfrekvens på 50 kHz. Kommerciellt tillgängliga transformatorkärnmaterial inkluderar siliciumstål, amorf alloy, ferrit och nanokristallin. För målanvändningen – en fyraports-transformator som fungerar vid 50 kHz med 25 kW per port – måste det mest lämpliga kärnmaterial identifieras. Genom att analysera tabellen listas både nanokristallin och ferrit som potentiella kandidater. Men nanokristallin visar högre effektavslag vid kommuteringsfrekvenser över 20 kHz. Därför väljs ferrit som kärnmaterial för transformatorn.

Olika Kärnmaterial och Deras Egenskaper

Designen av transformatorkärnan är också kritisk, eftersom den påverkar kompakthet, effektstäthet och total storlek – men framför allt påverkar den transformatorns läckageinduktans. För en 330-kW, 50-Hz dubbelportstransformator har kärnformer som kärntyp och skaltyp jämförts, vilket visar att skaltypskonfigurationen erbjuder lägre läckageinduktans och smidigare effektflöde. Därför kommer en skaltypskonfiguration att användas, med alla fyra vindningar staplade koncentriskt på transformatorns mittersta ben, vilket förbättrar kopplingskoefficienten.

Skaltypskärnan mäter 186×152×30 mm, och det ferritmaterial som används är 3C94 i en 4xU93×76×30 mm-konfiguration. Litztråd används för vindning av både mediumspänning (MV) och högström-portar, dimensionerade för respektive 3.42 A och 62.5 A. För lågspänning (LV)-portar används 16 AWG och 4 AWG-trådar. Att vrida LV-vindningarna tillsammans förbättrar ytterligare den magnetiska kopplingen.

Efter att ha slutfört den föreslagna MV MPSST-designen genomförs Maxwell-3D/Simplorer-simuleringar. Portspänningarna för mediumspänning-nät, energilagring, belastning och fotovoltaiska system sätts till respektive 7.2 kVDC och 400 VDC. Simuleringar genomförs under full belastning, där belastningsporten levererar 25 kW vid en kommuteringsfrekvens på 50 kHz och en 50% plustrapp. Effektreglering uppnås genom att justera fasförskjutningen mellan omvandlarcellerna. Resultaten presenteras i tabellen. Olika modeller visar olika egenskaper som kärnform, tvärsnittsområde, avslag och volym. Enligt tabellen visar Modell 7 lägre läckageinduktans och högre effektivitet.

Modell och Simuleringsresultat

Experimentell Uppbyggnad

Kärnan byggs med hjälp av fyra U-formade kärnor som samlas i en lager. Den fullständiga kärnan består av tre lager med vindningar placerade på mittersta benet. De tre lågspänning (LV)-portsvindningarna viras tillsammans för att förbättra kopplingen. En dubbel aktiv bro (DAB)-omvandlare är utformad för att testa den föreslagna transformatorn. SiC MOSFET används i omvandlardesignen. För mediumspänning (MV)-porten implementeras en rektifieringsbro med SiC-dioder, som också är ansluten till en resistiv belastningsbank dimensionerad för att hantera 7.2 kV.

Slutsats

Detta arbete fokuserar på designen av en fyra-port mediumspänning multi-port fast tillstånds-transformator (MV MPSST) som möjliggör integration av fyra olika källor eller belastningar i mikronätapplikationer. En port av transformatorn är en mediumspänning (MV)-port dimensionerad för 4.16 kV AC. Olika transformatormodeller och kärnmaterial granskades. Utöver transformatordesignen utvecklades testuppsättningar för både MV- och LV-portar. En effektivitet på 99% uppnåddes i experimentell validering.