電力電子產(chǎn)品在行業(yè)中越來越多地用于電池充電器和 LED 驅(qū)動器等小規(guī)模應用以及光伏 (PV) 系統(tǒng)和電動汽車等大規(guī)模應用。2通常，電力系統(tǒng)由三部分組成：發(fā)電廠、輸電線路和配電系統(tǒng)。3傳統(tǒng)上，低頻變壓器有兩個用途，電氣隔離和電壓匹配，但50-/60-Hz變壓器體積大，重量大。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，與老式變壓器相比功率密度高。
具有高磁通密度、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)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)的兩繞組變壓器上。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，它使用變壓器的漏電感作為轉(zhuǎn)換器電感。這減小了尺寸，因為不需要額外的電感器，并且還降低了損耗。漏感取決于繞組布置、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，一個端口中的相移會影響其他端口中的功率流。因此控制復雜度隨著端口數(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)應用的固態(tài)變壓器的設(shè)計。變壓器具有集成在單個核心上的四個端口。1變壓器以 50 kHz 運行，每個端口可以處理 25 kW 的額定功率。1端口的選擇方式代表了由電網(wǎng)、儲能系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和負載組成的現(xiàn)實微電網(wǎng)模型，其中電網(wǎng)端口在 4,160 VAC 下運行，而其他三個端口在 400 V 下運行。1
圖 1：四端口 SST
設(shè)計變壓器
表 1 顯示了通常用于制造變壓器磁芯的不同材料及其優(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。目標應用要求在 50 kHz 開關(guān)頻率下工作的 25 kW/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 時有功率損耗的缺點，因此鐵氧體最終確定為變壓器的磁芯材料。
表1：不同磁芯材料及其特性（變壓器）
變壓器鐵芯的設(shè)計也很重要，因為它對緊湊性、功率密度和體積都有影響，但最重要的是，它會影響變壓器的漏感。對于 330-kW 50-Hz 二端口變壓器，已經(jīng)比較了磁芯形狀和外殼類型，并證明外殼類型具有更低的漏電感和平滑的功率流。8因此，將使用殼式配置，其中所有四個繞組將在變壓器的中間腿上彼此重疊，從而提高耦合系數(shù)。1
殼式磁芯尺寸為186×152×30mm，鐵氧體3C94尺寸為4×U93×76×0mm。9絞合線用于繞組和多電壓（MV）端口；額定電流值為3.42 A和62.5 A。對于低壓端口，使用16 AWG和4 AWG電線。也可以通過將低壓電線纏繞在一起來改善耦合效果。
在完成所提議的 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模擬是在滿載下進行的，在負載端口提供 25 kW 的功率和 50 kHz 的頻率，占空比為 50%，功率控制是通過變換轉(zhuǎn)換器之間的相位獲得的。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、損耗量等。表 2 顯示模型 7 顯示出更低的漏電感和更高的效率。
表 2：模型和仿真結(jié)果
實驗裝置
一層磁芯由 4 個 U 磁芯制成。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。對于中壓端口，整流橋是由 SiC 二極管設(shè)計的，它還裝有電阻器組以支持 7.2 kV。1
圖 2：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。審查了變壓器的不同型號和材料。除了設(shè)計變壓器外，測試裝置還針對 MV 端口和 LV 端口設(shè)計。獲得的效率為99%。
審核編輯：劉清