Uundishaji wa Transformer wa Kimataifa wa Nguuza Nne: Suluhisho la Integreti Kwa Ufanisi kwa Microgrids

Matumizi ya elektroniki ya nguvu katika uchumi unaongezeka, kutoka kwenye mitumizi madogo kama muhifadhi wa mizigo na midhibiti ya LED, hadi kwenye mitumizi makubwa kama majukumu ya photovoltaic (PV) na magari ya umeme. Mara nyingi, mfumo wa nguvu unajumuisha sehemu tatu: viwanja vya nguvu, misimamisho, na usambazaji. Kwa kawaida, transforma zinazotumika ni za kiwango cha chini kwa maana mbili: ukomeleo wa umeme na upanuzi wa volti. Lakini, transforma za 50/60 Hz zina jaza na ni nyuma. Wanatumia power converters kusaidia ustawi wa awamu kati ya mfumo wa nguvu wa hivi pengine na wa zamani, kwa kutumia mafanikio ya solid-state transformers (SST). Kwa kutumia upanuzi wa nguvu wa kiwango cha juu au kati, SST zinaondokanya ukubwa wa transforma na kunayo nguvu ya sawa kwa ubora wa transforma za zamani.

Maendeleo katika matumizi ya magnetic materials—zina flux density ya juu, nguvu na uwezo wa kiwango cha juu, na hasara ndogo za nguvu—yamefanya watafsiri waweze kutengeneza SST zinazo na nguvu ya sawa na ufunguo. Katika siku nyingi, utafiti unahusisha transforma za dual-winding za zamani. Lakini, uzalishaji wa distributed generation, pamoja na maendeleo ya smart grids na microgrids, umekuleta mawazo ya multi-port solid-state transformers (MPSST).

Kwenye kila mlango wa converter, inatumika dual active bridge (DAB) converter, ambayo hutumia leakage inductance ya transforma kama inductor ya converter. Hii inapunguza ukubwa kwa kuondokana na hitaji wa inductors zingine na pia kurekebisha hasara. Leakage inductance inategemea kwenye placement ya winding, core geometry, na coupling coefficient, ikifuatilia kufanya design ya transforma iwe na ujenzi mkubwa. Phase shift control inatumika kwenye DAB converters kusimamia mzunguko wa nguvu kati ya milango. Lakini, katika MPSST, phase shift moja kwenye mlango huathiri mzunguko wa nguvu kwenye milango mingine, kuongeza ujenzi wa simamia kwa idadi ya milango. Kama matokeo, utafiti wa MPSST unahusisha na mfumo wa milango matatu.

Hii karatasi inahusu design ya solid-state transformer kwa ajili ya mitumizi ya microgrid. Transforma hii inajumuisha milango nne kwenye magnetic core moja. Inafanya kazi kwenye switching frequency ya 50 kHz, na kila mlango una rating ya 25 kW. Mfumo wa milango unarepresenta modeli halisi ya microgrid inayojumuisha utility grid, energy storage system, photovoltaic system, na local load. Grid port unafanya kazi kwenye 4,160 VAC, na milango miwili mingine yanafanya kazi kwenye 400 V.

Njia Nne SST

Design ya Transformer

Meza 1 inashow matumizi yasiyofanikiwa kwa kutengeneza transformer cores, pamoja na faida na changamoto zao. Lengo ni kuchagua material inayoweza kusaidia 25 kW kwa kila mlango kwenye operating frequency ya 50 kHz. Transformer core materials zinazotumika kwa biashara zinajumuisha silicon steel, amorphous alloy, ferrite, na nanocrystalline. Kwa ajili ya target application—transformer wa milango nne unfanyike kazi kwenye 50 kHz na 25 kW kwa kila mlango—material bora ya core lazima likamilishwe. Kwa kuhakikisha meza, nanocrystalline na ferrite zimechaguliwa kama watu wa kushiriki kama wanachagua. Lakini, nanocrystalline ina hasara zaidi ya nguvu kwenye switching frequencies zinazozidi 20 kHz. Kwa hiyo, ferrite imechaguliwa kama material ya core kwa transformer.

Vitofauti vya Core Materials na Sifa Zao

Design ya core ya transformer pia ni muhimu, kwa sababu inaathiri compactness, power density, na ukubwa wa jumla—lakini zaidi, inaathiri leakage inductance ya transformer. Kwa transformer wa 330-kW, 50-Hz dual-port, core shapes kama core-type na shell-type zimehakikishwa, inasaidia kuonyesha kuwa shell-type configuration inatoa leakage inductance ndogo na mzunguko wa nguvu mzuri. Kwa hiyo, shell-type configuration itatumika, na windings nne zote zitatengenezwa kwenye center limb ya transformer, kutoa athari nzuri ya coupling coefficient.

Shell-type core ina ukubwa wa 186×152×30 mm, na ferrite material inayotumika ni 3C94 kwenye 4xU93×76×30 mm. Litz wire inatumika kwa winding ya medium-voltage (MV) na high-current ports, zinazotolewa kwa 3.42 A na 62.5 A, kwa mtazamo. Kwa low-voltage (LV) ports, 16 AWG na 4 AWG wires zinatumika. Twisting LV windings pamoja kutoa athari nzuri ya magnetic coupling.

Baada ya kumaliza proposed MV MPSST design, simulations za Maxwell-3D/Simplorer zinajihusisha. Port voltages kwa medium-voltage grid, energy storage, load, na photovoltaic systems zimestawishwa kwenye 7.2 kVDC na 400 VDC, kwa mtazamo. Simulations zinajihusisha kwenye full load, na load port inatoa 25 kW kwenye switching frequency ya 50 kHz na 50% duty cycle. Power control kinapatikana kwa kutengeneza phase shift kati ya converter cells. Matokeo yameonyeshwa kwenye meza. Models tofauti zinatoa sifa tofauti kama vile shape ya core, cross-sectional area, loss, na volume. Kama linavyoonyeshwa kwenye meza, Model 7 inatoa leakage inductance ndogo na efficiency ya juu.

Model na Simulation Results

Experimental Setup

Core imetengenezwa kwa kutumia cores za U-shaped nne zilizounganishwa kwenye layer moja. Core kamili inajumuisha layers tatu na windings zimetengenezwa kwenye center limb. Low-voltage (LV) port windings tatu zimepepetwa kwa kuongeza coupling. Dual active bridge (DAB) converter imeundwa kujihusisha na proposed transformer. SiC MOSFETs zinatumika kwenye design ya converter. Kwa medium-voltage (MV) port, rectifier bridge imeundwa kwa kutumia SiC diodes, ambayo pia imeunganishwa kwenye resistive load bank inayotolewa kusimamia 7.2 kV.

Malizia

Hii karatasi inahusu design ya four-port medium-voltage multi-port solid-state transformer (MV MPSST) ambayo inaweza kusambaza sources tofauti au loads nne kwenye mitumizi ya microgrid. Mlango mmoja wa transformer ni medium-voltage (MV) port inayotolewa kwa 4.16 kV AC. Models tofauti za transformer na core materials zimehakikishwa. Pamoja na design ya transformer, test setups zimeundwa kwa MV na LV ports. Efficiency ya 99% ilipatakatwa kwenye experimental validation.