Dört Portlı Katı Hal Dönüşüm Cihazının Tasarımı: Mikro Ağlar için Verimli Entegrasyon Çözümü

Endüstride güç elektroniğinin kullanımı artmaktadır bu kullanım küçük ölçekli uygulamalardan pil şarj cihazları ve LED sürücülerine büyük ölçekli uygulamalara光伏发电在工业中的应用日益广泛，从电池充电器和LED驱动器等小规模应用到光伏（PV）系统和电动汽车等大规模应用。通常，一个电力系统由三部分组成：发电厂、输电系统和配电系统。传统上，低频变压器用于两个目的：电气隔离和电压匹配。然而，50/60赫兹的变压器体积庞大且沉重。电力转换器被用来实现新旧电力系统之间的兼容性，利用固态变压器（SST）的概念。通过采用高频或中频电力转换，SST相比传统变压器减小了尺寸并提供了更高的功率密度。 磁性材料的进步——具有高磁通密度、高功率和频率能力以及低功率损耗——使研究人员能够开发出高功率密度和效率的SST。大多数情况下，研究集中在传统的双绕组变压器上。然而，分布式发电的日益集成，以及智能电网和微电网的发展，导致了多端口固态变压器（MPSST）的概念出现。 在转换器的每个端口，都使用了双主动桥（DAB）转换器，该转换器利用变压器的漏感作为转换器的电感。这通过消除对额外电感的需求来减小尺寸，并且还降低了损耗。漏感取决于绕组位置、铁芯几何形状和耦合系数，使得变压器设计更加复杂。DAB转换器中使用相移控制来调节端口间的功率流。然而，在MPSST中，一个端口的相移会影响其他端口的功率流，随着端口数量的增加控制复杂度也随之增加。因此，大多数MPSST的研究集中在三端口系统上。 本文重点介绍了一种适用于微电网应用的固态变压器的设计。该变压器在一个磁芯上集成了四个端口。它的工作开关频率为50 kHz，每个端口的额定功率为25 kW。端口配置代表了一个现实的微电网模型，包括公用电网、储能系统、光伏系统和本地负载。电网端口工作在4,160 VAC，而其他三个端口工作在400 V。

四端口SST

变压器设计

表1显示了制造变压器铁芯时常用的几种材料及其优缺点。目标是选择一种能够在50 kHz工作频率下支持每个端口25 kW功率的材料。市场上可用的变压器铁芯材料包括硅钢、非晶合金、铁氧体和纳米晶体。对于目标应用——一个在50 kHz下运行、每个端口功率为25 kW的四端口变压器——最合适的铁芯材料必须被确定。通过分析表格，纳米晶体和铁氧体都被列为潜在候选材料。然而，纳米晶体在高于20 kHz的开关频率下表现出较高的功率损耗。因此，最终选择了铁氧体作为变压器的铁芯材料。

不同铁芯材料及其特性

变压器铁芯设计也至关重要，因为它影响紧凑性、功率密度和整体尺寸——但最重要的是，它影响变压器的漏感。对于一个330 kW、50 Hz的双端口变压器，比较了如芯型和壳型等不同的铁芯形状，结果表明壳型配置提供了较低的漏感和平滑的功率流。因此，将使用壳型配置，所有四个绕组同心堆叠在变压器的中心腿上，从而提高耦合系数。

壳型铁芯的尺寸为186×152×30毫米，使用的铁氧体材料为3C94，配置为4xU93×76×30毫米。中压（MV）和大电流端口的绕组使用利兹线，分别额定为3.42 A和62.5 A。对于低压（LV）端口，使用16 AWG和4 AWG导线。将低压绕组绞在一起进一步增强了磁耦合。

完成所提出的MV MPSST设计后，进行了Maxwell-3D/Simplorer仿真。中压电网、储能、负载和光伏系统的端口电压分别设置为7.2 kVDC和400 VDC。在满载条件下进行仿真，负载端口在50 kHz开关频率和50%占空比下提供25 kW的功率。通过调整转换器单元之间的相移来实现功率控制。结果在表中呈现。不同的模型表现出不同的特性，如铁芯形状、截面积、损耗和体积。如表所示，模型7表现出较低的漏感和更高的效率。

模型与仿真结果

实验装置

铁芯由四个U形铁芯组装成一层。完整的铁芯由三层组成，绕组放置在中心腿上。三个低压（LV）端口绕组绞在一起以增强耦合。设计了一个双主动桥（DAB）转换器来测试所提出的变压器。转换器设计中使用了SiC MOSFET。对于中压（MV）端口，使用SiC二极管实现整流桥，该整流桥连接到一个额定承受7.2 kV的电阻负载库。

结论

本文重点介绍了一种四端口中压多端口固态变压器（MV MPSST）的设计，该变压器能够整合微电网应用中的四种不同电源或负载。变压器的一个端口是额定为4.16 kV AC的中压（MV）端口。审查了各种变压器模型和铁芯材料。除了变压器设计外，还为MV和LV端口开发了测试装置。实验验证中实现了99%的效率。