電力電子在行業(yè)中的使用正在增加，無論是用于電池和 LED 驅(qū)動器的充電器等小規(guī)模應(yīng)用，還是光伏 (PV) 系統(tǒng)和電動汽車等大規(guī)模應(yīng)用。2通常，電力系統(tǒng)由三個部分組成：發(fā)電廠、輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)。3傳統(tǒng)上，低頻變壓器用于電氣隔離和電壓匹配兩個目的，但 50-/60-Hz 變壓器體積和重量都很大。4電源轉(zhuǎn)換器用于使新舊電力系統(tǒng)兼容，它利用了固態(tài)變壓器(SST)的概念。具有高頻或中頻功率變換器，減小了變壓器的體積，與舊式變壓器相比功率密度高。
具有高通量密度、高功率和頻率以及低功率損耗的磁性材料的進步幫助研究人員開發(fā)了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)電的增加以及智能和微電網(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)換器的每個端口，使用雙有源橋 (DAB) 轉(zhuǎn)換器，它使用變壓器的漏感作為轉(zhuǎn)換器電感。這減小了尺寸，因為不需要額外的電感器，并且還減少了損耗。漏感取決于繞組放置、磁芯幾何形狀和耦合系數(shù)，這使得變壓器的設(shè)計更加復(fù)雜。1相移用于 DAB 轉(zhuǎn)換器中從一個端口到另一個端口的功率流，但在 MPSST 中，一個端口的相移會影響其他端口的功率流。所以控制復(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)。
本文將重點介紹用于微電網(wǎng)應(yīng)用的固態(tài)變壓器的設(shè)計。變壓器有四個端口集成在一個鐵芯上。1變壓器工作頻率為 50 kHz，每個端口可處理 25 kW 的額定功率。1端口的選擇方式代表了一個由電網(wǎng)、儲能系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和負載組成的真實微電網(wǎng)模型，電網(wǎng)端口在 4,160 VAC 下運行，而其他三個端口在 400 V 下運行。1
四端口 SST
設(shè)計變壓器
表 1 顯示了制造變壓器鐵芯常用的不同材料及其優(yōu)缺點。這個想法是選擇一種可以在 50 kHz 頻率下支持 25 kW/端口的材料。商業(yè)上常用的變壓器鐵芯材料有硅鋼、非晶、鐵氧體和納米晶。目標應(yīng)用要求在 50kHz 開關(guān)頻率下工作的 25kW/端口四端口變壓器使用最理想的布料。通過分析表格，我們可以選擇納米晶和鐵氧體。納米晶在開關(guān)頻率超過 20 kHz 時存在功率損耗的缺點，因此鐵氧體最終確定為變壓器的核心材料。
不同的芯材及其特點
變壓器鐵芯的設(shè)計也很重要，因為它會影響緊湊性、功率密度和體積，但最重要的是，它會影響變壓器的漏感。對于 330-kW 50-Hz 雙端口變壓器，鐵芯形狀和殼型已經(jīng)過比較，證明殼型提供更低的漏感和平滑的功率流。8因此，將使用殼型配置，其中所有四個繞組將在變壓器的中間腿上相互疊放，從而提高了耦合系數(shù)。1
殼型磁芯尺寸為186×152×30mm，鐵氧體3C94尺寸為4xU93×76×0mm。9利茲線用于繞線和多電壓(MV)端口;電流額定值為 3.42 A 和 62.5 A。對于 LV 端口，使用 16 AWG 和 4 AWG 線。將 LV 線纏繞在一起也可以提高耦合效果。
在完成提出的 MV MPSST 的設(shè)計后，進行 Maxwell-3D/Simplorer 模擬。對于中壓電網(wǎng)，存儲、負載端口和光伏系統(tǒng)的端口電壓為 7.2 kVDC 和 400 VDC。1仿真在滿負載下進行，負載端口提供 25 kW 功率，頻率為 50 kHz，占空比為 50%，通過變換轉(zhuǎn)換器之間的相位獲得功率控制。結(jié)果示于表中。不同的模型顯示了不同的屬性，如磁芯形狀、橫截面積、損耗體積等。從表中可以看出，模型 7 的漏感更低，效率更高。
模型和仿真結(jié)果
實驗裝置
一層芯由 4 個 U 型芯制成。鐵芯由三層組成，上面有繞組。三個低壓端口繞組纏繞在一起。1 DAB 轉(zhuǎn)換器設(shè)計用于測試建議的變壓器。SiC MOSFET 用于設(shè)計轉(zhuǎn)換器。對于 MV 端口，整流橋是由 SiC 二極管設(shè)計的，它還加載了電阻組以支持 7.2 kV。1
原型
結(jié)論
本文重點介紹四端口 MV MPSST 變壓器的設(shè)計，該變壓器可實現(xiàn)微電網(wǎng)應(yīng)用中四種不同負載或電源的連接。變壓器的一個端口是支持 4.16 kV AC 的 MV 端口。回顧了變壓器的不同型號和材料。除了設(shè)計變壓器外，還為 MV 端口和 LV 端口設(shè)計了測試裝置。獲得的效率為 99%。
審核編輯：湯梓紅