Thiết kế của Máy biến áp trạng thái rắn bốn cổng: Giải pháp tích hợp hiệu quả cho hệ thống vi mạng

Sử dụng điện tử công suất trong công nghiệp đang tăng lên, từ các ứng dụng nhỏ như bộ sạc pin và bộ điều khiển LED, đến các ứng dụng lớn như hệ thống quang điện (PV) và xe điện. Thông thường, một hệ thống điện bao gồm ba phần: nhà máy điện, hệ thống truyền tải và hệ thống phân phối. Theo truyền thống, biến áp tần số thấp được sử dụng cho hai mục đích: cách ly điện và khớp nối điện áp. Tuy nhiên, biến áp 50/60 Hz cồng kềnh và nặng nề. Bộ chuyển đổi điện được sử dụng để cho phép tương thích giữa các hệ thống điện mới và cũ, dựa trên khái niệm biến áp bán dẫn (SST). Bằng cách sử dụng chuyển đổi điện năng ở tần số cao hoặc trung bình, SST giảm kích thước biến áp và cung cấp mật độ công suất cao hơn so với biến áp thông thường.

Các tiến bộ trong vật liệu từ tính - có mật độ dòng từ cao, khả năng chịu công suất và tần số cao, và tổn thất công suất thấp - đã cho phép các nhà nghiên cứu phát triển SST với mật độ công suất và hiệu suất cao. Trong hầu hết các trường hợp, nghiên cứu tập trung vào các biến áp hai cuộn dây truyền thống. Tuy nhiên, sự tích hợp ngày càng tăng của nguồn điện phân tán, cùng với sự phát triển của lưới điện thông minh và lưới điện vi mô, đã dẫn đến khái niệm về biến áp bán dẫn đa cổng (MPSST).

Tại mỗi cổng của bộ chuyển đổi, một bộ chuyển đổi cầu đôi hoạt động (DAB) được sử dụng, tận dụng cảm ứng rò của biến áp làm cuộn cảm của bộ chuyển đổi. Điều này giảm kích thước bằng cách loại bỏ nhu cầu sử dụng cuộn cảm bổ sung và cũng giảm tổn thất. Cảm ứng rò phụ thuộc vào vị trí cuộn dây, hình dạng lõi và hệ số ghép, khiến thiết kế biến áp trở nên phức tạp hơn. Điều khiển pha dịch chuyển được sử dụng trong bộ chuyển đổi DAB để điều chỉnh dòng điện giữa các cổng. Tuy nhiên, trong MPSST, dịch chuyển pha tại một cổng ảnh hưởng đến dòng điện ở các cổng khác, tăng độ phức tạp của việc kiểm soát theo số lượng cổng. Do đó, hầu hết các nghiên cứu về MPSST tập trung vào hệ thống ba cổng.

Bài viết này tập trung vào thiết kế biến áp bán dẫn cho ứng dụng lưới điện vi mô. Biến áp tích hợp bốn cổng trên một lõi từ duy nhất. Nó hoạt động ở tần số chuyển mạch 50 kHz, với mỗi cổng có công suất định mức 25 kW. Cấu hình cổng đại diện cho mô hình lưới điện vi mô thực tế bao gồm lưới điện, hệ thống lưu trữ năng lượng, hệ thống quang điện và tải địa phương. Cổng lưới hoạt động ở 4.160 VAC, trong khi ba cổng khác hoạt động ở 400 V.

Biến Áp Bán Dẫn Đa Cổng

Thiết Kế Biến Áp

Bảng 1 hiển thị các vật liệu thường được sử dụng để sản xuất lõi biến áp, cùng với ưu điểm và nhược điểm của chúng. Mục tiêu là chọn một vật liệu có khả năng hỗ trợ 25 kW cho mỗi cổng ở tần số hoạt động 50 kHz. Các vật liệu lõi biến áp thương mại bao gồm thép silic, hợp kim vô định hình, ferrit và nano tinh thể. Đối với ứng dụng mục tiêu - biến áp bốn cổng hoạt động ở 50 kHz với 25 kW cho mỗi cổng - vật liệu lõi phù hợp nhất phải được xác định. Qua việc phân tích bảng, cả nano tinh thể và ferrit đều được lựa chọn làm ứng viên tiềm năng. Tuy nhiên, nano tinh thể có tổn thất công suất cao hơn ở tần số chuyển mạch trên 20 kHz. Do đó, ferrit cuối cùng được chọn làm vật liệu lõi cho biến áp.

Các Vật Liệu Lõi Khác Nhau và Đặc Điểm Của Chúng

Thiết kế lõi biến áp cũng rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến tính gọn gàng, mật độ công suất và kích thước tổng thể - nhưng quan trọng nhất là nó ảnh hưởng đến cảm ứng rò của biến áp. Đối với biến áp hai cổng 330 kW, 50 Hz, các hình dạng lõi như lõi kiểu core và lõi kiểu vỏ đã được so sánh, chứng tỏ rằng cấu hình lõi kiểu vỏ cung cấp cảm ứng rò thấp hơn và dòng điện mượt mà hơn. Do đó, cấu hình lõi kiểu vỏ sẽ được sử dụng, với tất cả bốn cuộn dây xếp chồng đồng tâm trên cánh giữa của biến áp, do đó cải thiện hệ số ghép.

Lõi kiểu vỏ có kích thước 186×152×30 mm, và vật liệu ferrit được sử dụng là 3C94 trong cấu hình 4xU93×76×30 mm. Dây Litz được sử dụng để quấn cả hai cổng điện áp trung bình (MV) và cổng dòng điện cao, có công suất định mức lần lượt là 3,42 A và 62,5 A. Đối với các cổng điện áp thấp (LV), dây 16 AWG và 4 AWG được sử dụng. Việc xoắn các cuộn dây LV lại với nhau giúp tăng cường ghép từ.

Sau khi hoàn thành thiết kế MPSST MV đề xuất, các mô phỏng Maxwell-3D/Simplorer được thực hiện. Điện áp cổng cho lưới điện trung áp, hệ thống lưu trữ năng lượng, tải và hệ thống quang điện được đặt ở 7,2 kVDC và 400 VDC, tương ứng. Các mô phỏng được thực hiện dưới tải đầy đủ, với cổng tải cung cấp 25 kW ở tần số chuyển mạch 50 kHz và chu kỳ nhiệm vụ 50%. Điều khiển công suất được thực hiện bằng cách điều chỉnh dịch chuyển pha giữa các tế bào chuyển đổi. Kết quả được trình bày trong bảng. Các mô hình khác nhau thể hiện các đặc điểm khác nhau như hình dạng lõi, diện tích mặt cắt ngang, tổn thất và thể tích. Như được hiển thị trong bảng, Mô hình 7 thể hiện cảm ứng rò thấp hơn và hiệu suất cao hơn.

Mô Hình và Kết Quả Mô Phỏng

Thiết Lập Thí Nghiệm

Lõi được xây dựng bằng cách lắp ráp bốn lõi U thành một lớp. Lõi hoàn chỉnh bao gồm ba lớp với các cuộn dây được đặt trên cánh giữa. Ba cuộn dây cổng điện áp thấp (LV) được quấn cùng nhau để tăng cường ghép từ. Một bộ chuyển đổi cầu đôi hoạt động (DAB) được thiết kế để kiểm tra biến áp đề xuất. MOSFET SiC được sử dụng trong thiết kế bộ chuyển đổi. Đối với cổng điện áp trung bình (MV), một cầu chỉnh lưu được thực hiện sử dụng diode SiC, cũng được kết nối với ngân hàng tải điện trở có công suất định mức 7,2 kV.

Kết Luận

Bài viết này tập trung vào thiết kế biến áp bán dẫn đa cổng điện áp trung bình (MV MPSST) có bốn cổng, cho phép tích hợp bốn nguồn hoặc tải khác nhau trong ứng dụng lưới điện vi mô. Một cổng của biến áp là cổng điện áp trung bình (MV) có công suất định mức 4,16 kV AC. Các mô hình biến áp và vật liệu lõi khác nhau đã được xem xét. Ngoài ra, các thiết lập thử nghiệm đã được phát triển cho cả cổng MV và LV. Hiệu suất 99% đã được đạt được trong quá trình xác minh thí nghiệm.