Transformadores de estado sólido para aplicaciones de microrred

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Fuente: https://www.powerelectronicsnews.com/

El uso de la electrónica de potencia está aumentando en la industria tanto para aplicaciones de baja escala como cargadores de baterías y controladores LED como para aplicaciones de gran escala como sistemas fotovoltaicos (PV) y vehículos eléctricos. 2 Normalmente, el sistema de energía eléctrica consta de tres partes: planta de generación de energía, tensiones de transmisión y sistema de distribución. 3 Tradicionalmente, los transformadores de baja frecuencia se utilizan para dos propósitos, aislamiento eléctrico y adaptación de voltaje, pero los transformadores de 50/60 Hz son grandes en tamaño y peso. 4Los convertidores de energía se utilizan para hacer compatibles el sistema de energía antiguo y el nuevo, que ha utilizado el concepto de un transformador de estado sólido (SST). Tiene un convertidor de potencia de alta o media frecuencia, lo que reduce el tamaño del transformador, y una alta densidad de potencia en comparación con los transformadores antiguos.

El avance en los materiales magnéticos con alta densidad de flujo, alta potencia y frecuencia, y bajas pérdidas de potencia ha ayudado a los investigadores a desarrollar SST con alta densidad de potencia y eficiencia. 5-7 Principalmente, la investigación se centra en el transformador tradicional de dos devanados. El aumento de las generaciones distribuidas y el desarrollo de microredes inteligentes y ha desencadenado el concepto de un transformador de estado sólido multipuerto (MPSST).

En cada puerto del convertidor, se utilizan convertidores de puente activo dual (DAB), que utiliza el inductor de fuga del transformador como inductor del convertidor. Esto reduce el tamaño, ya que no se requiere inductor adicional y también reduce las pérdidas. La inductancia de fuga depende de la ubicación del devanado, la geometría del núcleo y el factor de acoplamiento, lo que complica el diseño del transformador. 1 El cambio de fase se utiliza para el flujo de energía de un puerto a otro en los convertidores DAB, pero en los MPSST, el cambio de fase en un puerto afecta el flujo de energía en los otros puertos. Por tanto, la complejidad del control aumenta con el aumento del número de puertos. Por lo tanto, MPSST se centra en un sistema de tres puertos.

Este artículo se centrará en el diseño de transformadores de estado sólido para aplicaciones de microrredes. El transformador tiene cuatro puertos integrados en un solo núcleo. 1 El transformador funciona a 50 kHz y cada puerto puede manejar una potencia nominal de 25 kW. 1 Los puertos son elegidos de tal manera para representar un modelo microrred realista que consiste en rejilla, el sistema de almacenamiento de energía, sistema de PV, y la carga, con el funcionamiento de puerto de red en 4160 VAC, mientras que los otros tres puertos operan a 400 V. 1

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Figura 1: SST de cuatro puertos

Diseñando un transformador

La tabla 1 muestra diferentes materiales con sus pros y contras, que se utilizan comúnmente para fabricar el núcleo del transformador. La idea es seleccionar un material que pueda soportar 25 kW / puerto a una frecuencia de 50 kHz. Los materiales de núcleo de transformador de uso comercial son acero al silicio, amorfo, ferrita y nanocristalino. La aplicación específica dicta el uso de la tela más deseable para un transformador de cuatro puertos de 25 kW / puerto que funcione a una frecuencia de conmutación de 50 kHz. Al analizar la tabla, podemos seleccionar nanocristalinos y ferrita. El nanocristalino tiene la desventaja de las pérdidas de potencia a una frecuencia de conmutación superior a 20 kHz, por lo que la ferrita se finaliza como material del núcleo del transformador.

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Tabla 1: Diferentes materiales de núcleo y sus características (transformadores)

El diseño del núcleo del transformador también es importante porque tiene un impacto en la compacidad, la densidad de potencia y el volumen, pero lo más importante es que afecta la inductancia de fuga del transformador. Para un transformador de dos puertos de 330 kW y 50 Hz, la forma del núcleo y el tipo de carcasa se han comparado y se ha demostrado que el tipo de carcasa proporciona una menor inductancia de fuga y un flujo de potencia uniforme. 8 Por lo tanto, se utilizará una configuración tipo carcasa en la que los cuatro devanados estarán uno encima del otro en la rama central del transformador, lo que mejora el coeficiente de acoplamiento. 1

El núcleo tipo carcasa tiene unas dimensiones de 186 × 152 × 30 mm, y las dimensiones de la ferrita 3C94 son 4 × U93 × 76 × 0 mm. El cable 9 Litz se utiliza para bobinar y para puertos multivoltaje (MV); el valor nominal de la corriente es de 3,42 A y 62,5 A. Para los puertos de baja tensión, se utilizan cables de 16 AWG y 4 AWG. El efecto de acoplamiento también se puede mejorar envolviendo los cables de BT juntos.

Simulaciones

Una vez finalizado el diseño del MV MPSST propuesto, se llevan a cabo simulaciones Maxwell-3D / Simplorer. Para redes de MT, el voltaje del puerto es de 7,2 kVCC y 400 VCC para almacenamiento, puertos de carga y sistemas fotovoltaicos. 1 Las simulaciones se llevan a cabo a plena carga para proporcionar 25 kW en el puerto de carga y a una frecuencia de 50 kHz, el ciclo de trabajo es del 50% y el control de potencia se obtiene cambiando la fase entre los convertidores. Los resultados se muestran en la tabla. Se muestran diferentes modelos con diferentes atributos como la forma del núcleo, el área de la sección transversal, el volumen de pérdida, etc. La tabla 2 muestra que el Modelo 7 muestra una menor inductancia de fuga y una mayor eficiencia.

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Tabla 2: Modelos y resultados de simulación

Configuración experimental

Una capa de núcleo se produce a partir de núcleos de 4 U. El núcleo se compone de tres capas con bobinado. Tres devanados de puerto de bajo voltaje se envuelven juntos. 1 Los convertidores DAB están diseñados para probar el transformador propuesto. Los MOSFET de SiC se utilizan para diseñar convertidores. Para los puertos de MT, se diseña un puente rectificador a partir de los diodos de SiC y también se carga con el banco de resistencias para soportar 7,2 kV. 1

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Figura 2: Prototipo

Conclusión

Este artículo se centra en el diseño de un transformador MV MPSST de cuatro puertos, que permite la conectividad de cuatro cargas o fuentes diferentes para aplicaciones de microrred. Uno de los puertos del transformador es un puerto de MT que admite 4,16 kV de CA. Se revisan diferentes modelos y materiales para transformadores. Además de diseñar el transformador, la configuración de prueba también está diseñada tanto para el puerto de MT como para los puertos de BT. La eficiencia obtenida es del 99%.

Referencias
Diseño e implementación de un transformador de cuatro puertos de media tensión, alta potencia y alta frecuencia Ahmad El Shafei, Saban Ozdemir, Necmi Altin, Garry Jean-Pierre y Adel Nasiri, Centro de Sistemas de Energía Eléctrica Sostenible, Universidad de Wisconsin-Milwaukee , Milwaukee, Estados Unidos; Departamento de Electricidad y Energía, Escuela Vocacional de Ciencias Técnicas, Universidad Gazi, Ankara, Turquía; Departamento de Ingeniería Eléctrica-Electrónica, Facultad de Tecnología, Universidad Gazi, Ankara, Turquía.

2 Y. Wei, Q. Luo, Z. Wang, L. Wang, J. Wang y J. Chen, «Diseño de convertidor resonante LLC con control magnético para aplicación LEV», Décimo Simposio Internacional IEEE de 2019 sobre Electrónica de Potencia para Generación Distribuida Systems (PEDG), Xi’an, China, 2019, págs. 857–862.

3 X. Ella y A. Huang, “Transformador de estado sólido en el futuro sistema eléctrico inteligente”, Reunión general de la Sociedad de Energía y Energía de IEEE 2013, Vancouver, BC, 2013, págs. 1–5.

4 N. Kimura y T. Morizane, “Investigación de transformadores de frecuencia media para transformadores de estado sólido”, Conferencia internacional de 2018 sobre redes inteligentes (icSmartGrid), Nagasaki, Japón, 2018, págs. 107–112.

5 W. Shen, F. Wang, D. Boroyevich y CW Tipton, “Caracterización de pérdidas y cálculo de núcleos nanocristalinos para aplicaciones magnéticas de alta frecuencia”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, núm. 1, págs. 475–484, enero de 2008.

6 W. A. ​​Reass et al., “Acondicionamiento de potencia resonante polifásica multimegavatios de alta frecuencia”, IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 33, No.

7 M. K. Das et al., “Módulos MOSFET de potencia de medio puente H de 10 kV, 120 A SiC adecuados para aplicaciones de alta frecuencia y voltaje medio”, IEEE Energy Conv. Congreso y Exposición, Phoenix, AZ, 2011, págs. 2.689–2.692.

8 Diseñado por Akacia System www.akacia.com.tw, ​​“Núcleos y accesorios”, Ferroxcube. https://www.ferroxcube.com/englobal/products_ferroxcube/stepTwo/shape_cores_accessories? s_sel = 161 & series_sel = 2658 & material_sel = 3C94 & material = & part =. Consultado el 24 de julio de 2019. 9 A. El Shafei, S. Ozdemir, N. Altin, G. Jean-Pierre y A. Nasiri, “Un diseño de transformador de alta frecuencia de alta potencia para aplicaciones de transformadores de estado sólido”, Conferencia Internacional sobre Renovables Investigación y aplicaciones energéticas (ICRERA 2019), Brasov, Rumania, 2019, págs. 1–6.

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