電力電子在行業中的使用正在增加，無論是用于電池和 LED 驅動器的充電器等小規模應用，還是光伏 (PV) 系統和電動汽車等大規模應用。2通常，電力系統由三個部分組成：發電廠、輸電系統和配電系統。3傳統上，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電源轉換器用于使新舊電力系統兼容，它利用了固態變壓器(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了具有高功率密度和效率的 SST。5-7大多數情況下，研究集中在傳統的雙繞組變壓器上。分布式發電的增加以及智能和微電網的發展引發了多端口固態變壓器 (MPSST) 的概念。
在轉換器的每個端口，使用雙有源橋 (DAB) 轉換器，它使用變壓器的漏感作為轉換器電感。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，這使得變壓器的設計更加復雜。1相移用于 DAB 轉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。所以控制復雜度隨著端口數量的增加而增加。因此，MPSST 專注于三端口系統。
本文將重點介紹用于微電網應用的固態變壓器的設計。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、儲能系統、光伏系統和負載組成的真實微電網模型，電網端口在 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 50kHz 開關頻率下工作的 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。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 的設計后，進行 Maxwell-3D/Simplorer 模擬。對于中壓電網，存儲、負載端口和光伏系統的端口電壓為 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%，通過變換轉換器之間的相位獲得功率控制。結果示于表中。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 轉換器設計用于測試建議的變壓器。SiC MOSFET 用于設計轉換器。對于 MV 端口，整流橋是由 SiC 二極管設計的，它還加載了電阻組以支持 7.2 kV。1
原型
結論
本文重點介紹四端口 MV MPSST 變壓器的設計，該變壓器可實現微電網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。回顧了變壓器的不同型號和材料。除了設計變壓器外，還為 MV 端口和 LV 端口設計了測試裝置。獲得的效率為 99%。
審核編輯：湯梓紅