對于諸如電池和LED驅動器的充電器之類的低規(guī)模應用以及諸如光伏（PV）系統(tǒng)和電動汽車之類的高規(guī)模應用，電力電子在工業(yè)中的使用正在增加。2通常，電力系統(tǒng)包括三個部分：發(fā)電廠，輸電線路和配電系統(tǒng)。3傳統(tǒng)上，低頻變壓器用于兩個目的，即電氣隔離和電壓匹配，但50- / 60-Hz變壓器體積大且重量大。4電源轉換器用于使新舊電源系統(tǒng)兼容，該電源系統(tǒng)利用了固態(tài)變壓器（SST）的概念。它具有一個高頻或中頻功率轉換器，與舊式變壓器相比，它可以減小變壓器的尺寸，并具有高功率密度。

具有高磁通密度，高功率和高頻率以及低功率損耗的磁性材料的發(fā)展已幫助研究人員開發(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)的雙繞組變壓器上。分布式發(fā)電的增長以及智能電網和微電網的發(fā)展引發(fā)了多端口固態(tài)變壓器（MPSST）的概念。

在轉換器的每個端口上，都使用雙有源橋（DAB）轉換器，該轉換器使用變壓器的漏電感作為轉換器電感。由于不需要額外的電感器，因此減小了尺寸，并且還減少了損耗。漏感取決于繞組的位置，鐵芯的幾何形狀和耦合系數(shù)，這使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端口的功率流，但是在MPSST中，一個端口的相移會影響另一端口的功率流。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應用的固態(tài)變壓器的設計。該變壓器具有集成在單個內核上的四個端口。1變壓器的工作頻率為50 kHz，每個端口可以處理25 kW的額定功率。1選擇端口的方式代表由電網，儲能系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)和負載組成的實際微電網模型，其中網格端口在4,160 VAC上運行，而其他三個端口在400 V上運行。1

圖1：四端口SST

設計變壓器

表1顯示了不同材料的優(yōu)缺點，這些材料通常用于制造變壓器鐵芯。想法是選擇一種在50 kHz頻率下可支持25 kW /端口的材料。商業(yè)上常用的變壓器鐵心材料是硅鋼，非晶態(tài)，鐵氧體和納米晶。目標應用要求在開關頻率為50kHz的25kW /端口四端口變壓器中使用最理想的布。通過分析表格，我們可以選擇納米晶和鐵氧體。納米晶體的缺點是在超過20 kHz的開關頻率下會產生功率損耗，因此最終確定了鐵氧體作為變壓器的核心材料。

表1：不同的芯材及其特性（變壓器）

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的兩端口變壓器，已經比較了鐵芯形狀和外殼類型，并證明了外殼類型可提供較低的漏感和平穩(wěn)的功率流。8因此，將使用殼式配置，其中所有四個繞組在變壓器的中支腳處彼此疊置，從而提高了耦合系數(shù)。1個

殼型磁芯的尺寸為186×152×30 mm，鐵氧體3C94的尺寸為4×U93×76×0 mm。9Litz導線用于繞組和多電壓（MV）端口；電流的額定值為3.42 A和62.5A。對于LV端口，使用16 AWG和4 AWG電線。通過將LV導線纏繞在一起，也可以提高耦合效果。

模擬

在完成了建議的MV MPSST的設計后，進行了Maxwell-3D / Simplorer仿真。對于中壓電網，用于存儲，負載端口和PV系統(tǒng)的端口電壓為7.2 kVDC和400 VDC。1該仿真是在滿載條件下進行的，以在負載端口提供25 kW的功率，并以50 kHz的頻率運行，占空比為50％，并且通過在轉換器之間進行移相來獲得功率控制。結果顯示在表中。顯示了具有不同屬性（例如，鐵芯形狀，橫截面積，損耗量等）的不同模型。表2顯示模型7顯示出較低的漏感和較高的效率。

表2：模型和仿真結果

實驗裝置

一層核心由4個U核心組成。磁芯由三層組成，并在其上纏繞。三個低壓端口繞組被纏繞在一起。1DAB轉換器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，整流橋由SiC二極管設計而成，并且還裝有電阻器組以支持7.2 kV。1個

圖2：原型

結論

本文重點介紹四端口MV MPSST變壓器的設計，該變壓器可為微電網應用實現(xiàn)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。除了設計變壓器之外，測試設置還針對MV端口和LV端口設計。獲得的效率為99％。

參考文獻
1中壓，高功率，高頻四端口變壓器的設計和實現(xiàn)艾哈邁德·沙菲，薩班·奧茲邁爾，內克米·阿丁，加里·讓·皮埃爾和阿德爾·納西里。威斯康星州密爾沃基大學可持續(xù)能源系統(tǒng)中心，美國密爾沃基；土耳其安卡拉加濟大學技術科學職業(yè)學院電力與能源系；土耳其安卡拉加濟大學技術學院電氣電子工程系。

2Y. Wei，Q. Luo，Z. Wang，L. Wang，J. Wang和J. Chen，“用于LEV應用的具有磁控制的LLC諧振轉換器的設計”，2019 IEEE第10屆分布式電源電力電子國際研討會系統(tǒng)（PEDG），中國，西安，2019年，第857–862頁。

3X. She和A. Huang，“未來智能電氣系統(tǒng)中的固態(tài)變壓器”，2013 IEEE Power＆Energy Society General Meeting，溫哥華，不列顛哥倫比亞省，2013年，第1-5頁。

4N. Kimura和T. Morizane，“固態(tài)變壓器的中頻變壓器研究”，2018年國際智能電網大會（icSmartGrid），日本長崎，2018年，第107-112頁。

5W. Shen，F(xiàn)。Wang，D。Boroyevich和CW Tipton，“用于高頻磁學應用的納米晶核的損耗表征和計算”，《電力電子IEEE期刊》，第1卷。23，第1號，第475-484頁，2008年1月。

6W. A. Reass等人，“高頻多兆瓦多相諧振功率調節(jié)”，《等離子科學》 IEEE期刊，第1卷。33號

7M. K. Das等人，“適用于高頻，中壓應用的10 kV，120 A SiC半H橋功率MOSFET模塊”，IEEE能源轉化。國會和博覽會，亞利桑那州鳳凰城，2011年，第2,689–2,692頁。

8由Akacia System設計，www.akacia.com.tw，“ Cores＆Accessories”，F(xiàn)erroxcube。https://www.ferroxcube.com/englobal/products_ferroxcube/stepTwo/shape_cores_accessories？s_sel = 161＆series_sel = 2658＆material_sel = 3C94＆material =＆part =。于2019年7月24日訪問。9A. El Shafei，S。Ozdemir，N。Altin，G。Jean-Pierre和A. Nasiri，“用于固態(tài)變壓器應用的大功率高頻變壓器設計”，國際可再生??能源大會能源研究與應用（ICRERA 2019），羅馬尼亞布拉索夫，2019年，第1-6頁。

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