適用于微電網(wǎng)應(yīng)用的固態(tài)變壓器的設(shè)計(jì)方案

對(duì)于諸如電池和LED驅(qū)動(dòng)器的充電器之類的低規(guī)模應(yīng)用以及諸如光伏（PV）系統(tǒng)和電動(dòng)汽車之類的高規(guī)模應(yīng)用，電力電子在工業(yè)中的使用正在增加。2通常，電力系統(tǒng)包括三個(gè)部分：發(fā)電廠，輸電線路和配電系統(tǒng)。3傳統(tǒng)上，低頻變壓器用于兩個(gè)目的，即電氣隔離和電壓匹配，但50- / 60-Hz變壓器體積大且重量大。4電源轉(zhuǎn)換器用于使新舊電源系統(tǒng)兼容，該電源系統(tǒng)利用了固態(tài)變壓器（SST）的概念。它具有一個(gè)高頻或中頻功率轉(zhuǎn)換器，與舊式變壓器相比，它可以減小變壓器的尺寸，并具有高功率密度。

具有高磁通密度，高功率和高頻率以及低功率損耗的磁性材料的發(fā)展已幫助研究人員開發(fā)出具有高功率密度和效率的SST。5-7大多數(shù)情況下，研究集中在傳統(tǒng)的雙繞組變壓器上。分布式發(fā)電的增長以及智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)的發(fā)展引發(fā)了多端口固態(tài)變壓器（MPSST）的概念。

在轉(zhuǎn)換器的每個(gè)端口上，都使用雙有源橋（DAB）轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器使用變壓器的漏電感作為轉(zhuǎn)換器電感。由于不需要額外的電感器，因此減小了尺寸，并且還減少了損耗。漏感取決于繞組的位置，鐵芯的幾何形狀和耦合系數(shù)，這使變壓器的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。1相移用于DAB轉(zhuǎn)換器中從一個(gè)端口到另一端口的功率流，但是在MPSST中，一個(gè)端口的相移會(huì)影響另一端口的功率流。因此，控制復(fù)雜度隨著端口數(shù)量的增加而增加。因此，MPSST專注于三端口系統(tǒng)。

本文將重點(diǎn)介紹用于微電網(wǎng)應(yīng)用的固態(tài)變壓器的設(shè)計(jì)。該變壓器具有集成在單個(gè)內(nèi)核上的四個(gè)端口。1變壓器的工作頻率為50 kHz，每個(gè)端口可以處理25 kW的額定功率。1選擇端口的方式代表由電網(wǎng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)和負(fù)載組成的實(shí)際微電網(wǎng)模型，其中網(wǎng)格端口在4,160 VAC上運(yùn)行，而其他三個(gè)端口在400 V上運(yùn)行。1

圖1：四端口SST

設(shè)計(jì)變壓器

表1顯示了不同材料的優(yōu)缺點(diǎn)，這些材料通常用于制造變壓器鐵芯。想法是選擇一種在50 kHz頻率下可支持25 kW /端口的材料。商業(yè)上常用的變壓器鐵心材料是硅鋼，非晶態(tài)，鐵氧體和納米晶。目標(biāo)應(yīng)用要求在開關(guān)頻率為50kHz的25kW /端口四端口變壓器中使用最理想的布。通過分析表格，我們可以選擇納米晶和鐵氧體。納米晶體的缺點(diǎn)是在超過20 kHz的開關(guān)頻率下會(huì)產(chǎn)生功率損耗，因此最終確定了鐵氧體作為變壓器的核心材料。

表1：不同的芯材及其特性（變壓器）

變壓器鐵芯的設(shè)計(jì)也很重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響緊湊性，功率密度和體積，但最重要的是，它會(huì)影響變壓器的漏感。對(duì)于330 kW，50 Hz的兩端口變壓器，已經(jīng)比較了鐵芯形狀和外殼類型，并證明了外殼類型可提供較低的漏感和平穩(wěn)的功率流。8因此，將使用殼式配置，其中所有四個(gè)繞組在變壓器的中支腳處彼此疊置，從而提高了耦合系數(shù)。1個(gè)

殼型磁芯的尺寸為186×152×30 mm，鐵氧體3C94的尺寸為4×U93×76×0 mm。9Litz導(dǎo)線用于繞組和多電壓（MV）端口；電流的額定值為3.42 A和62.5A。對(duì)于LV端口，使用16 AWG和4 AWG電線。通過將LV導(dǎo)線纏繞在一起，也可以提高耦合效果。

模擬

在完成了建議的MV MPSST的設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了Maxwell-3D / Simplorer仿真。對(duì)于中壓電網(wǎng)，用于存儲(chǔ)，負(fù)載端口和PV系統(tǒng)的端口電壓為7.2 kVDC和400 VDC。1該仿真是在滿載條件下進(jìn)行的，以在負(fù)載端口提供25 kW的功率，并以50 kHz的頻率運(yùn)行，占空比為50％，并且通過在轉(zhuǎn)換器之間進(jìn)行移相來獲得功率控制。結(jié)果顯示在表中。顯示了具有不同屬性（例如，鐵芯形狀，橫截面積，損耗量等）的不同模型。表2顯示模型7顯示出較低的漏感和較高的效率。

表2：模型和仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置

一層核心由4個(gè)U核心組成。磁芯由三層組成，并在其上纏繞。三個(gè)低壓端口繞組被纏繞在一起。1DAB轉(zhuǎn)換器用于測試建議的變壓器。SiC MOSFET用于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器。對(duì)于中壓端口，整流橋由SiC二極管設(shè)計(jì)而成，并且還裝有電阻器組以支持7.2 kV。1個(gè)

圖2：原型

結(jié)論

本文重點(diǎn)介紹四端口MV MPSST變壓器的設(shè)計(jì)，該變壓器可為微電網(wǎng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)四種不同負(fù)載或電源的連接。變壓器的一個(gè)端口是支持4.16-kV AC的MV端口。審查了變壓器的不同型號(hào)和材料。除了設(shè)計(jì)變壓器之外，測試設(shè)置還針對(duì)MV端口和LV端口設(shè)計(jì)。獲得的效率為99％。

參考文獻(xiàn)
1中壓，高功率，高頻四端口變壓器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)艾哈邁德·沙菲，薩班·奧茲邁爾，內(nèi)克米·阿丁，加里·讓·皮埃爾和阿德爾·納西里。威斯康星州密爾沃基大學(xué)可持續(xù)能源系統(tǒng)中心，美國密爾沃基；土耳其安卡拉加濟(jì)大學(xué)技術(shù)科學(xué)職業(yè)學(xué)院電力與能源系；土耳其安卡拉加濟(jì)大學(xué)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系。

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4N. Kimura和T. Morizane，“固態(tài)變壓器的中頻變壓器研究”，2018年國際智能電網(wǎng)大會(huì)（icSmartGrid），日本長崎，2018年，第107-112頁。

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7M. K. Das等人，“適用于高頻，中壓應(yīng)用的10 kV，120 A SiC半H橋功率MOSFET模塊”，IEEE能源轉(zhuǎn)化。國會(huì)和博覽會(huì)，亞利桑那州鳳凰城，2011年，第2,689–2,692頁。

8由Akacia System設(shè)計(jì)，www.akacia.com.tw，“ Cores＆Accessories”，F(xiàn)erroxcube。https://www.ferroxcube.com/englobal/products_ferroxcube/stepTwo/shape_cores_accessories？s_sel = 161＆series_sel = 2658＆material_sel = 3C94＆material =＆part =。于2019年7月24日訪問。9A. El Shafei，S。Ozdemir，N。Altin，G。Jean-Pierre和A. Nasiri，“用于固態(tài)變壓器應(yīng)用的大功率高頻變壓器設(shè)計(jì)”，國際可再生??能源大會(huì)能源研究與應(yīng)用（ICRERA 2019），羅馬尼亞布拉索夫，2019年，第1-6頁。

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