Pagsisikap ng IEE-Business sa Pagdisenyo ng Apat na Pwestong Solid-State Transformer: Epektibong Solusyon sa Pagsasama para sa Microgrids

Ang paggamit ng power electronics sa industriya ay patuloy na tumataas, mula sa maliliit na aplikasyon tulad ng mga charger para sa mga battery at LED drivers, hanggang sa malalaking aplikasyon tulad ng mga photovoltaic (PV) systems at electric vehicles. Karaniwan, ang isang power system ay binubuo ng tatlong bahagi: power plants, transmission systems, at distribution systems. Tradisyonal, ang mga low-frequency transformers ay ginagamit para sa dalawang layunin: electrical isolation at voltage matching. Gayunpaman, ang mga 50-/60-Hz transformers ay mabigat at mabigat. Ang mga power converters ay ginagamit upang mapabilis ang kompatibilidad sa pagitan ng mga bagong at legacy power systems, gamit ang konsepto ng solid-state transformers (SST). Sa pamamagitan ng paggamit ng high- o medium-frequency power conversion, ang mga SST ay nagbabawas ng laki ng transformer at nagbibigay ng mas mataas na power density kumpara sa mga tradisyonal na transformers.

Ang mga pag-unlad sa magnetic materials—na may mataas na flux density, mataas na power at frequency capability, at mababang power losses—ay nagbigay-daan sa mga mananaliksik na bumuo ng mga SST na may mataas na power density at efficiency. Sa karamihan ng mga kaso, ang pagsasaliksik ay nakatuon sa mga traditional dual-winding transformers. Gayunpaman, ang patuloy na integrasyon ng distributed generation, kasama ang pag-unlad ng smart grids at microgrids, ay naging sanhi ng konsepto ng multi-port solid-state transformers (MPSST).

Sa bawat port ng converter, ginagamit ang dual active bridge (DAB) converter, na gumagamit ng leakage inductance ng transformer bilang inductor ng converter. Ito ay nagbabawas ng laki sa pamamagitan ng pag-eliminate ng pangangailangan para sa karagdagang inductors at nagbabawas din ng mga loss. Ang leakage inductance ay depende sa placement ng winding, core geometry, at coupling coefficient, na nagpapahaba ng design ng transformer. Ang phase shift control ay ginagamit sa DAB converters upang ma-regulate ang power flow sa pagitan ng mga port. Gayunpaman, sa isang MPSST, ang phase shift sa isang port ay nakakaapekto sa power flow sa iba pang mga port, na nagpapataas ng complexity ng control sa bilang ng mga port. Bilang resulta, ang karamihan sa mga pagsasaliksik ng MPSST ay nakatuon sa three-port systems.

Ang paper na ito ay nakatuon sa disenyo ng isang solid-state transformer para sa mga aplikasyon ng microgrid. Ang transformer ay naglalaman ng apat na ports sa iisang magnetic core. Ito ay gumagana sa switching frequency ng 50 kHz, na may bawat port na rated para sa 25 kW. Ang configuration ng port ay kumakatawan sa isang realistic na microgrid model na binubuo ng utility grid, energy storage system, photovoltaic system, at local load. Ang grid port ay gumagana sa 4,160 VAC, habang ang iba pang tatlong ports ay gumagana sa 400 V.

Four-Port SST

Transformer Design

Ang Table 1 ay nagpapakita ng iba't ibang karaniwang ginagamit na materyales para sa paggawa ng mga transformer cores, kasama ang kanilang mga benepisyo at diskarte. Ang layunin ay pumili ng materyal na kayang suportahan ang 25 kW per port sa 50 kHz operating frequency. Ang mga commercially available na transformer core materials ay kinabibilangan ng silicon steel, amorphous alloy, ferrite, at nanocrystalline. Para sa target application—apat na port na transformer na gumagana sa 50 kHz na may 25 kW per port—kinakailangan na makilala ang pinakasuitable na core material. Sa pamamagitan ng pag-analyze ng table, ang nanocrystalline at ferrite ay napili bilang potential candidates. Gayunpaman, ang nanocrystalline ay nagpapakita ng mas mataas na power losses sa switching frequencies na higit sa 20 kHz. Kaya, ang ferrite ang napili bilang core material para sa transformer.

Iba't Ibang Core Materials at Kanilang mga Katangian

Ang disenyo ng transformer core ay mahalaga rin, dahil ito ay nakakaapekto sa compactness, power density, at overall size—ngunit lalo na, ito ay nakakaapekto sa leakage inductance ng transformer. Para sa 330-kW, 50-Hz dual-port transformer, ang mga core shapes tulad ng core-type at shell-type ay ipinagpaliban, na nagpapakita na ang shell-type configuration ay nagbibigay ng mas mababang leakage inductance at mas smooth na power flow. Kaya, ang shell-type configuration ang gagamitin, na may lahat ng apat na windings na stacked concentrically sa center limb ng transformer, na nagpapabuti ng coupling coefficient.

Ang shell-type core ay may sukat na 186×152×30 mm, at ang ferrite material na ginagamit ay 3C94 sa 4xU93×76×30 mm configuration. Ang Litz wire ay ginagamit para sa winding ng medium-voltage (MV) at high-current ports, na may rating na 3.42 A at 62.5 A, respectively. Para sa low-voltage (LV) ports, ginagamit ang 16 AWG at 4 AWG wires. Ang pag-twist ng LV windings nagsasama-sama pa rin ng magnetic coupling.

Pagkatapos ng proposed MV MPSST design, ang Maxwell-3D/Simplorer simulations ay isinasagawa. Ang port voltages para sa medium-voltage grid, energy storage, load, at photovoltaic systems ay itinakda sa 7.2 kVDC at 400 VDC, respectively. Ang mga simulation ay isinasagawa sa full load, na may load port na nagbibigay ng 25 kW sa switching frequency ng 50 kHz at 50% duty cycle. Ang power control ay nakuha sa pamamagitan ng pag-adjust ng phase shift sa pagitan ng mga converter cells. Ang mga resulta ay ipinapakita sa table. Ang iba't ibang models ay nagpapakita ng iba't ibang katangian tulad ng core shape, cross-sectional area, loss, at volume. Tulad ng ipinapakita sa table, ang Model 7 ay nagpapakita ng mas mababang leakage inductance at mas mataas na efficiency.

Model and Simulation Results

Experimental Setup

Ang core ay binuo gamit ang apat na U-shaped cores na naka-assemble sa isang layer. Ang buong core ay binubuo ng tatlong layers na may windings na naka-place sa center limb. Ang tatlong low-voltage (LV) port windings ay wound together upang palakasin ang coupling. Ang isang dual active bridge (DAB) converter ay idinisenyo upang subukan ang proposed transformer. Ginamit ang SiC MOSFETs sa disenyo ng converter. Para sa medium-voltage (MV) port, isinasagawa ang isang rectifier bridge gamit ang SiC diodes, na kasama ring konektado sa isang resistive load bank na may rating na 7.2 kV.

Conclusion

Ang paper na ito ay nakatuon sa disenyo ng isang apat na port na medium-voltage multi-port solid-state transformer (MV MPSST) na nagbibigay-daan sa integrasyon ng apat na iba't ibang sources o loads sa mga aplikasyon ng microgrid. Ang isang port ng transformer ay isang medium-voltage (MV) port na may rating na 4.16 kV AC. In-review ang iba't ibang transformer models at core materials. Bukod sa disenyo ng transformer, ang mga test setups ay naimpluwensyahan para sa parehong MV at LV ports. Nakamit ang 99% na efficiency sa experimental validation.