電力電子產品在行業中越來越多地用于電池充電器和 LED 驅動器等小規模應用以及光伏 (PV) 系統和電動汽車等大規模應用。2通常，電力系統由三部分組成：發電廠、輸電線路和配電系統。3傳統上，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出具有高功率密度和效率的 SST。5–7大多數情況下，研究集中在傳統的兩繞組變壓器上。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，它使用變壓器的漏電感作為轉換器電感。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，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、儲能系統、光伏系統和負載組成的現實微電網模型，其中電網端口在 4,160 VAC 下運行，而其他三個端口在 400 V 下運行。1
圖 1：四端口 SST
設計變壓器
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 50 kHz 開關頻率下工作的 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。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換器之間的相位獲得的。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。對于中壓端口，整流橋是由 SiC 二極管設計的，它還裝有電阻器組以支持 7.2 kV。1
圖 2：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。審查了變壓器的不同型號和材料。除了設計變壓器外，測試裝置還針對 MV 端口和 LV 端口設計。獲得的效率為99%。
審核編輯：劉清