モジュール式ソリッドステートトランスサブモジュールの動作原理

パワーエレクトロニクス変圧器としても知られるソリッドステート変圧器 (SST) は、50 Hz の磁場で動作する従来の線間周波数変圧器とは異なります。パワーエレクトロニクスコンバータと高周波トランスから構成される制御可能な電力変換装置です。従来の線周波変圧器は、巻数比に従って受動的に電圧を変換するだけです。 SST は、ガルバニック絶縁と電圧変換に加えて、双方向電力潮流、電圧調整、高調波抑制、無効電力補償などのデジタル制御機能を提供し、スマート グリッドの電力ルーターとして機能します。

ボードのセットアップ

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サブモジュールの全体的なアーキテクチャ

各サブモジュールは、AC-DC 高電圧変換ユニットと DAB 高周波絶縁 DC-DC ユニットという 2 つの主要なハードウェア セクションで構成されます。 10 kV システムなどの中電圧グリッド アプリケーションの場合、複数のサブモジュールがそれぞれの接続点で直列に接続されます。AC側端子総系統電圧を共有します。各サブモジュールは独立した中間 DC リンクを所有しており、DC 電圧のスタッキングがなく他のサブモジュールから電気的に絶縁されています。 DAB コンバータのすべての低電圧 DC 出力は並列接続され、統合された低電圧 DC バスを形成します。

ブロック図

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ステージ 1: 双方向 H ブリッジ AC-DC 変換

入力側の単相 H ブリッジは、4 つの SiC パワー スイッチ、ブースト インダクタ、DC リンク コンデンサで構成され、キロヘルツ レベルのスイッチング周波数で動作する双方向ブースト PFC トポロジを実装します。整流と逆グリッドタイド反転の両方をサポートします。

整流モードでは、サブモジュールは分周されたグリッド周波数の AC 電圧を受け取ります。 H ブリッジ スイッチの高速 PWM スイッチングは、ブースト インダクタと連携して磁界エネルギーを蓄積および放出し、グリッド周波数 AC を安定した中間 DC リンク電圧に変換します。この段では力率補正も実現し、正弦波状のグリッド側電流と高調波抑制を保証します。昇圧動作条件を満たすには、DC リンク電圧が入力 AC 電圧のピーク値を超える必要があることに注意してください。

逆電力動作中、H ブリッジはインバータとして動作します。中間 DC リンクに蓄積されたエネルギーを電力網に注入される電力網周波数 AC に変換します。無効電力出力は、系統電力品質調整のためにも実現可能です。

AC-DC変換

ステージ 2: DAB デュアルアクティブブリッジ高周波絶縁型 DC-DC 変換

サブモジュールの絶縁コアとして、DAB は一次側フルブリッジ、高周波トランス、二次側フルブリッジで構成されます。ネイティブの双方向電力機能により、数百 kHz で動作します。

一次側フルブリッジ反転: 先行する H ブリッジ中間 DC リンクからエネルギーを引き出し、SiC スイッチは DC 電圧を振幅が DC リンク電圧に等しい高周波 AC 方形波に分割し、高周波トランスの一次巻線に電力を供給します。変圧器は DC 電流を流すことができません。交流方形波電圧のみが、エネルギー伝達のためにコア内に交流磁場を確立します。高周波動作によりトランスコアの小型化が可能になり、ゼロ電圧スイッチング (ZVS) が可能になってスイッチング損失が低減されます。

変圧およびガルバニック絶縁用の高周波トランス: 高周波方形波によって供給されるトランスは、巻線の巻数比に応じて電圧振幅を変更し、高電圧の一次ドメインと低電圧の二次ドメイン間に完全なガルバニック絶縁を提供します。電圧変換比は、位相シフト制御ではなく、トランスの巻数比によって決まります。。トランスの固有漏れインダクタンスは、DAB の直列電力伝送インダクタとして利用されます。

二次側フルブリッジアクティブ整流: 二次側フルブリッジは、変圧器から供給される高周波方形波電圧を処理します。パッシブ ダイオード整流とは異なり、アクティブ フルブリッジは SiC スイッチング タイミングを正確に制御します。方形波が正の半サイクルであっても負の半サイクルであっても、交流 AC エネルギーは出力コンデンサの充電電流に変換されます。出力コンデンサは高周波リップルをフィルタリングし、滑らかな低電圧 DC 出力を生成します。

逆潮流の場合、二次側フルブリッジはインバータとして機能し、低電圧 DC をチョップして高周波方形波に戻し、変圧器の二次側に送信します。エネルギーは変圧器によって昇圧され、一次側フルブリッジによって中間 DC 電圧に再構成されます。

DAB は単相シフト (SPS) 制御を採用しています。一次側と二次側の両方のフルブリッジが、デューティ比 50 % の方形波波形を生成します。コントローラは、2 組の波形間の位相角の差を調整します。位相シフトの大きさは送信電力の大きさを制御し、位相シフト極性は電力潮流の方向を決定します。位相シフトは電力を調整するだけであり、広範囲の定常状態の出力電圧調整を実現することはできません。。巻数比が一致した公称動作点から出力電圧を大きく遠ざけると、ZVS 条件が失われ、大量の循環電流が発生し、デバイスの深刻な過熱が発生します。定格出力電圧を変更するには、高周波トランスの巻数比を再設計する必要があります。

DAB

システムのスケーリングとエンジニアリング上の制約

中電圧高電力アプリケーションでは、電圧と電力のスケーリングは、直列接続された AC 入力と並列接続された DC 出力を備えた複数のサブモジュールによって実現されます。並列サブモジュールの共通低電圧バス電圧は、DAB トランスの巻数比によってロックされます。ターゲット出力電圧が固有の DAB 出力電圧から逸脱する場合、2 つの実用的な解決策が存在します。

元のハードウェアを保持し、ポストレギュレーション降圧用に追加の非絶縁型 DC-DC コンバータを追加します。

高周波トランスを再設計し、コンポーネントの応力を再検証し、DAB を大幅に修正するために制御アルゴリズムを再調整します。

SSTがコンパクトサイズを実現する理由

従来の配電変圧器は 50 Hz の線間周波数で動作し、定格電力を供給するには大きな磁気コア断面積が必要です。電磁原理によると:所定の電力定格の場合、動作周波数が高くなると、必要なコアの体積と重量が減少します。.

50 Hz の主電源電圧で絶縁変圧器を直接駆動する代わりに、SST パワー エレクトロニクスはグリッド周波数電力を数百 kHz の高周波方形波電圧に変換し、高周波絶縁変圧器に供給します。電源周波数と比較して、動作周波数は数千倍増加するため、高周波磁気部品の体積と重量は 10 倍以上削減できます。

N=k * 10^5 * U / (f * Ae * Bmax )

k - 最大オン時間とスイッチング期間の比-、通常は k=0.4;

U - 一次巻線入力電圧 (V)、DC 入力電圧にほぼ等しい。

f - 変圧器の動作周波数 (kHz);

Ae - 磁気コアの有効断面積 (cm²);

Bmax - 磁束密度 (G) の最大許容振幅。

固有の欠点

大量の半導体デバイスは、従来の変圧器に比べてハードウェアの複雑性とコストの上昇をもたらします。高周波スイッチングは電磁干渉 (EMI) を生成し、PCB レイアウト、磁気部品の設計、熱管理に厳しい要件を課します。したがって、SST はライン周波数変圧器を完全に置き換えるものではなく、主にコンパクトな設置面積、双方向電力潮流、DC インターフェース、およびアクティブな電力品質制御を必要とする新しい電力システムのシナリオに適用されます。