用于微电网应用的固态变压器的设计

电力电子在行业中的使用正在增加，无论是用于电池和 LED 驱动器的充电器等小规模应用，还是光伏 (PV) 系统和电动汽车等大规模应用。2通常，电力系统由三个部分组成：发电厂、输电系统和配电系统。3传统上，低频变压器用于电气隔离和电压匹配两个目的，但 50-/60-Hz 变压器体积和重量都很大。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，与旧式变压器相比功率密度高。

具有高通量密度、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了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，并且还减少了损耗。漏感取决于绕组放置、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，一个端口的相移会影响其他端口的功率流。所以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。变压器有四个端口集成在一个铁芯上。1变压器工作频率为 50 kHz，每个端口可处理 25 kW 的额定功率。1端口的选择方式代表了一个由电网、储能系统、光伏系统和负载组成的真实微电网模型，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

四端口 SST

设计变压器

表 1 显示了制造变压器铁芯常用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 50kHz 开关频率下工作的 25kW/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 时存在功率损耗的缺点，因此铁氧体最终确定为变压器的核心材料。

不同的芯材及其特点

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 双端口变压器，铁芯形状和壳型已经过比较，证明壳型提供更低的漏感和平滑的功率流。8因此，将使用壳型配置，其中所有四个绕组将在变压器的中间腿上相互叠放，从而提高了耦合系数。1

壳型磁芯尺寸为186×152×30mm，铁氧体3C94尺寸为4xU93×76×0mm。9利兹线用于绕线和多电压(MV)端口;电流额定值为 3.42 A 和 62.5 A。对于 LV 端口，使用 16 AWG 和 4 AWG 线。将 LV 线缠绕在一起也可以提高耦合效果。

模拟

在完成提出的 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仿真在满负载下进行，负载端口提供 25 kW 功率，频率为 50 kHz，占空比为 50%，通过变换转换器之间的相位获得功率控制。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、损耗体积等。从表中可以看出，模型 7 的漏感更低，效率更高。

模型和仿真结果

实验装置

一层芯由 4 个 U 型芯制成。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 MV 端口，整流桥是由 SiC 二极管设计的，它还加载了电阻组以支持 7.2 kV。1

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。回顾了变压器的不同型号和材料。除了设计变压器外，还为 MV 端口和 LV 端口设计了测试装置。获得的效率为 99%。

　　审核编辑：汤梓红