Проектування чотирьохпортового твердотільного трансформатора: ефективне інтеграційне рішення для мікромереж

Використання електроніки живлення в промисловості зростає, починаючи від малих застосувань, таких як зарядні пристрої для акумуляторів та драйвери LED, до великих застосувань, таких як фотоелектричні (PV) системи та електромобілі. Зазвичай, система живлення складається з трьох частин: електростанцій, систем передачі та розподілу. Традиційно, перетворники низької частоти використовуються для двох цілей: електричної ізоляції та підгонки напруги. Однак, перетворники на 50/60 Гц великі та важкі. Перетворювачі живлення використовуються для забезпечення сумісності між новими та існуючими системами живлення, використовуючи концепцію твердотільних перетворників (SST). Використовуючи високочастотне або середньочастотне перетворення, SST зменшують розмір перетворника та надають більшу щільність потужності по відношенню до традиційних перетворників.

Прогрес у магнітних матеріалах, які мають високу густина потоку, високу потужність та частоту, а також низькі втрати, дозволив дослідникам розробити SST з високою щільністю потужності та ефективністю. У більшості випадків, дослідження були зосереджені на традиційних двопровідних перетворниках. Однак, зростання інтеграції розподіленого виробництва, разом з розвитком розумних мереж та мікромереж, призвело до концепції багатопортових твердотільних перетворників (MPSST).

На кожному порту перетворювача використовується двоактивний міст (DAB), який використовує виток витоку перетворника як індуктор перетворювача. Це зменшує розмір, усунувши потребу у додаткових індукторах, та також знижує втрати. Виток витоку залежить від розташування витків, геометрії сердечника та коефіцієнта зв'язку, що робить проектування перетворника більш складним. Керування фазовим зсувом використовується в DAB-перетворювачах для регулювання потоку потужності між портами. Однак, у MPSST, фазовий зсув на одному порту впливає на потік потужності на інших портах, що збільшує складність керування зі збільшенням числа портів. В результаті, більшість досліджень MPSST зосереджена на системах з трьома портами.

Ця стаття зосереджена на проектуванні твердотільного перетворника для застосувань в мікромережах. Перетворник інтегрує чотири порти на одному магнітному сердечнику. Він працює на частоті комутації 50 кГц, з кожним портом, який має потужність 25 кВт. Конфігурація портів представляє реальну модель мікромережі, що складається з електросіті, системи зберігання енергії, фотоелектричної системи та місцевого споживання. Порт електросіті працює на 4,160 ВАС, тоді як інші три порти працюють на 400 В.

Чотирипортовий SST

Проектування перетворника

Таблиця 1 показує різні часто використовувані матеріали для виготовлення сердечників перетворників, разом з їхніми перевагами та недоліками. Мета полягає у виборі матеріалу, здатного підтримувати 25 кВт на порт при робочій частоті 50 кГц. Комерційно доступні матеріали для сердечників перетворників включають силиконову сталь, аморфний сплав, ферит та нанокристалічний. Для цільового застосування — чотирипортового перетворника, що працює на частоті 50 кГц з 25 кВт на порт — найбільш підходящий матеріал сердечника повинен бути визначений. Аналізуючи таблицю, обидва нанокристалічний та феритовий матеріали були вибрані як потенційні кандидати. Однак, нанокристалічний матеріал демонструє більші втрати при частотах комутації вище 20 кГц. Тому, ферит був остаточно вибраний як матеріал сердечника перетворника.

Різні матеріали сердечника та їх характеристики

Проектування сердечника перетворника також є критичним, оскільки впливає на компактність, щільність потужності та загальний розмір, але найважливіше, впливає на виток витоку перетворника. Для 330-кВт, 50-Гц двопортового перетворника, порівнювалися форми сердечника, такі як тип сердечника та тип оболонки, що показало, що конфігурація типу оболонки надає нижчу виток витоку та більш плавний потік потужності. Тому, буде використана конфігурація типу оболонки, з усіма чотирма витками, розташованими концентрично на центральній стрижні перетворника, що покращує коефіцієнт зв'язку.

Розміри сердечника типу оболонки становлять 186×152×30 мм, а використаний феритовий матеріал — 3C94 у конфігурації 4xU93×76×30 мм. Для намотки середньонапругових (MV) та високострумових портів використовується провід Ліца, з номінальними значеннями 3.42 А та 62.5 А відповідно. Для низьконапругових (LV) портів використовуються провода 16 AWG та 4 AWG. Сплесення LV витків разом подальше підвищує магнітне зв'язування.

Після завершення запропонованого проекту MV MPSST, проводяться симуляції Maxwell-3D/Simplorer. Напруги на портах для середньонапругової електросіті, системи зберігання енергії, споживання та фотоелектричної системи встановлюються на 7.2 кВ DC та 400 В DC відповідно. Симуляції проводяться при повному навантаженні, з портом споживання, який надає 25 кВт при частоті комутації 50 кГц та 50% коефіцієнтом заповнення. Керування потужністю здійснюється шляхом налаштування фазового зсуву між клітинами перетворювача. Результати представлені в таблиці. Різні моделі демонструють різні характеристики, такі як форма сердечника, площина перерізу, втрати та об'єм. Як показано в таблиці, модель 7 демонструє нижчий виток витоку та вищу ефективність.

Модель та результати симуляції

Експериментальна установка

Сердечник побудований з чотирьох U-подібних сердечників, зібраних в один шар. Повний сердечник складається з трьох шарів з витками, розташованими на центральній стрижні. Три низьконапругових (LV) портових витки намотані разом для підвищення зв'язку. Двоактивний міст (DAB) перетворювач був спроектований для тестування запропонованого перетворника. В дизайні перетворювача використовуються SiC MOSFET. Для середньонапругового (MV) порту реалізований ректифікаційний міст за допомогою SiC діодів, який також підключений до резистивної банки навантаження, розрахованої на 7.2 кВ.

Висновок

Ця стаття зосереджена на проектуванні чотирипортового середньонапругового багатопортового твердотільного перетворника (MV MPSST), який дозволяє інтеграцію чотирьох різних джерел або навантажень у застосуваннях мікромереж. Один порт перетворника — середньонапруговий (MV) порт, розрахований на 4.16 кВ AC. Було розглянуто різні моделі перетворників та матеріали сердечника. Окрім проектування перетворника, були розроблені тестові установки для обох MV та LV портів. Ефективність 99% була досягнута в експериментальній перевірці.