电力电子产品在行业中越来越多地用于电池充电器和 LED 驱动器等小规模应用以及光伏 (PV) 系统和电动汽车等大规模应用。2通常，电力系统由三部分组成：发电厂、输电线路和配电系统。3传统上，低频变压器有两个用途，电气隔离和电压匹配，但50-/60-Hz变压器体积大，重量大。4电源转换器用于使新旧电力系统兼容，它利用了固态变压器（SST）的概念。具有高频或中频功率变换器，减小了变压器的体积，与老式变压器相比功率密度高。
具有高磁通密度、高功率和频率以及低功率损耗的磁性材料的进步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，研究集中在传统的两绕组变压器上。分布式发电的增加以及智能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，使用双有源桥（DAB）转换器，它使用变压器的漏电感作为转换器电感。这减小了尺寸，因为不需要额外的电感器，并且还降低了损耗。漏感取决于绕组布置、磁芯几何形状和耦合系数，这使得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个端口的功率流，但在 MPSST 中，一个端口中的相移会影响其他端口中的功率流。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。变压器具有集成在单个核心上的四个端口。1变压器以 50 kHz 运行，每个端口可以处理 25 kW 的额定功率。1端口的选择方式代表了由电网、储能系统、光伏系统和负载组成的现实微电网模型，其中电网端口在 4,160 VAC 下运行，而其他三个端口在 400 V 下运行。1
图 1：四端口 SST
设计变压器
表 1 显示了通常用于制造变压器磁芯的不同材料及其优缺点。这个想法是选择一种可以在 50 kHz 频率下支持 25 kW/端口的材料。商业上常用的变压器铁芯材料有硅钢、非晶、铁氧体和纳米晶。目标应用要求在 50 kHz 开关频率下工作的 25 kW/端口四端口变压器使用最理想的布料。通过分析表格，我们可以选择纳米晶和铁氧体。纳米晶在开关频率超过 20 kHz 时有功率损耗的缺点，因此铁氧体最终确定为变压器的磁芯材料。
表1：不同磁芯材料及其特性（变压器）
变压器铁芯的设计也很重要，因为它对紧凑性、功率密度和体积都有影响，但最重要的是，它会影响变压器的漏感。对于 330-kW 50-Hz 二端口变压器，已经比较了磁芯形状和外壳类型，并证明外壳类型具有更低的漏电感和平滑的功率流。8因此，将使用壳式配置，其中所有四个绕组将在变压器的中间腿上彼此重叠，从而提高耦合系数。1
壳式磁芯尺寸为186×152×30mm，铁氧体3C94尺寸为4×U93×76×0mm。9绞合线用于绕组和多电压（MV）端口；额定电流值为3.42 A和62.5 A。对于低压端口，使用16 AWG和4 AWG电线。也可以通过将低压电线缠绕在一起来改善耦合效果。
在完成所提议的 MV MPSST 的设计后，进行 Maxwell-3D/Simplorer 模拟。对于中压电网，存储、负载端口和光伏系统的端口电压为 7.2 kVDC 和 400 VDC。1模拟是在满载下进行的，在负载端口提供 25 kW 的功率和 50 kHz 的频率，占空比为 50%，功率控制是通过变换转换器之间的相位获得的。结果示于表中。不同的模型显示了不同的属性，如磁芯形状、横截面积、损耗量等。表 2 显示模型 7 显示出更低的漏电感和更高的效率。
表 2：模型和仿真结果
实验装置
一层磁芯由 4 个 U 磁芯制成。铁芯由三层组成，上面有绕组。三个低压端口绕组缠绕在一起。1 DAB 转换器设计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，整流桥是由 SiC 二极管设计的，它还装有电阻器组以支持 7.2 kV。1
图 2：原型
结论
本文重点介绍四端口 MV MPSST 变压器的设计，该变压器可实现微电网应用中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。除了设计变压器外，测试装置还针对 MV 端口和 LV 端口设计。获得的效率为99%。
审核编辑：刘清