适用于微电网应用的固态变压器的设计方案

对于诸如电池和LED驱动器的充电器之类的低规模应用以及诸如光伏（PV）系统和电动汽车之类的高规模应用，电力电子在工业中的使用正在增加。2通常，电力系统包括三个部分：发电厂，输电线路和配电系统。3传统上，低频变压器用于两个目的，即电气隔离和电压匹配，但50- / 60-Hz变压器体积大且重量大。4电源转换器用于使新旧电源系统兼容，该电源系统利用了固态变压器（SST）的概念。它具有一个高频或中频功率转换器，与旧式变压器相比，它可以减小变压器的尺寸，并具有高功率密度。

具有高磁通密度，高功率和高频率以及低功率损耗的磁性材料的发展已帮助研究人员开发出具有高功率密度和效率的SST。5-7大多数情况下，研究集中在传统的双绕组变压器上。分布式发电的增长以及智能电网和微电网的发展引发了多端口固态变压器（MPSST）的概念。

在转换器的每个端口上，都使用双有源桥（DAB）转换器，该转换器使用变压器的漏电感作为转换器电感。由于不需要额外的电感器，因此减小了尺寸，并且还减少了损耗。漏感取决于绕组的位置，铁芯的几何形状和耦合系数，这使变压器的设计更加复杂。1相移用于DAB转换器中从一个端口到另一端口的功率流，但是在MPSST中，一个端口的相移会影响另一端口的功率流。因此，控制复杂度随着端口数量的增加而增加。因此，MPSST专注于三端口系统。

本文将重点介绍用于微电网应用的固态变压器的设计。该变压器具有集成在单个内核上的四个端口。1变压器的工作频率为50 kHz，每个端口可以处理25 kW的额定功率。1选择端口的方式代表由电网，储能系统，光伏系统和负载组成的实际微电网模型，其中网格端口在4,160 VAC上运行，而其他三个端口在400 V上运行。1

图1：四端口SST

设计变压器

表1显示了不同材料的优缺点，这些材料通常用于制造变压器铁芯。想法是选择一种在50 kHz频率下可支持25 kW /端口的材料。商业上常用的变压器铁心材料是硅钢，非晶态，铁氧体和纳米晶。目标应用要求在开关频率为50kHz的25kW /端口四端口变压器中使用最理想的布。通过分析表格，我们可以选择纳米晶和铁氧体。纳米晶体的缺点是在超过20 kHz的开关频率下会产生功率损耗，因此最终确定了铁氧体作为变压器的核心材料。

表1：不同的芯材及其特性（变压器）

变压器铁芯的设计也很重要，因为它会影响紧凑性，功率密度和体积，但最重要的是，它会影响变压器的漏感。对于330 kW，50 Hz的两端口变压器，已经比较了铁芯形状和外壳类型，并证明了外壳类型可提供较低的漏感和平稳的功率流。8因此，将使用壳式配置，其中所有四个绕组在变压器的中支脚处彼此叠置，从而提高了耦合系数。1个

壳型磁芯的尺寸为186×152×30 mm，铁氧体3C94的尺寸为4×U93×76×0 mm。9Litz导线用于绕组和多电压（MV）端口；电流的额定值为3.42 A和62.5A。对于LV端口，使用16 AWG和4 AWG电线。通过将LV导线缠绕在一起，也可以提高耦合效果。

模拟

在完成了建议的MV MPSST的设计后，进行了Maxwell-3D / Simplorer仿真。对于中压电网，用于存储，负载端口和PV系统的端口电压为7.2 kVDC和400 VDC。1该仿真是在满载条件下进行的，以在负载端口提供25 kW的功率，并以50 kHz的频率运行，占空比为50％，并且通过在转换器之间进行移相来获得功率控制。结果显示在表中。显示了具有不同属性（例如，铁芯形状，横截面积，损耗量等）的不同模型。表2显示模型7显示出较低的漏感和较高的效率。

表2：模型和仿真结果

实验装置

一层核心由4个U核心组成。磁芯由三层组成，并在其上缠绕。三个低压端口绕组被缠绕在一起。1DAB转换器用于测试建议的变压器。SiC MOSFET用于设计转换器。对于中压端口，整流桥由SiC二极管设计而成，并且还装有电阻器组以支持7.2 kV。1个

图2：原型

结论

本文重点介绍四端口MV MPSST变压器的设计，该变压器可为微电网应用实现四种不同负载或电源的连接。变压器的一个端口是支持4.16-kV AC的MV端口。审查了变压器的不同型号和材料。除了设计变压器之外，测试设置还针对MV端口和LV端口设计。获得的效率为99％。

参考文献
1中压，高功率，高频四端口变压器的设计和实现艾哈迈德·沙菲，萨班·奥兹迈尔，内克米·阿丁，加里·让·皮埃尔和阿德尔·纳西里。威斯康星州密尔沃基大学可持续能源系统中心，美国密尔沃基；土耳其安卡拉加济大学技术科学职业学院电力与能源系；土耳其安卡拉加济大学技术学院电气电子工程系。

2Y. Wei，Q. Luo，Z. Wang，L. Wang，J. Wang和J. Chen，“用于LEV应用的具有磁控制的LLC谐振转换器的设计”，2019 IEEE第10届分布式电源电力电子国际研讨会系统（PEDG），中国，西安，2019年，第857–862页。

3X. She和A. Huang，“未来智能电气系统中的固态变压器”，2013 IEEE Power＆Energy Society General Meeting，温哥华，不列颠哥伦比亚省，2013年，第1-5页。

4N. Kimura和T. Morizane，“固态变压器的中频变压器研究”，2018年国际智能电网大会（icSmartGrid），日本长崎，2018年，第107-112页。

5W. Shen，F。Wang，D。Boroyevich和CW Tipton，“用于高频磁学应用的纳米晶核的损耗表征和计算”，《电力电子IEEE期刊》，第1卷。23，第1号，第475-484页，2008年1月。

6W. A. Reass等人，“高频多兆瓦多相谐振功率调节”，《等离子科学》 IEEE期刊，第1卷。33号

7M. K. Das等人，“适用于高频，中压应用的10 kV，120 A SiC半H桥功率MOSFET模块”，IEEE能源转化。国会和博览会，亚利桑那州凤凰城，2011年，第2,689–2,692页。

8由Akacia System设计，www.akacia.com.tw，“ Cores＆Accessories”，Ferroxcube。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日访问。9A. El Shafei，S。Ozdemir，N。Altin，G。Jean-Pierre和A. Nasiri，“用于固态变压器应用的大功率高频变压器设计”，国际可再生​​能源大会能源研究与应用（ICRERA 2019），罗马尼亚布拉索夫，2019年，第1-6页。

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