모듈형 무접점 변압기 하위 모듈의 작동 원리

전력 전자 변압기라고도 알려진 무접점 변압기(SST)는 50Hz 자기장에서 작동하는 기존 라인 주파수 변압기와 다릅니다. 전력 전자 변환기와 고주파 변압기로 구성된 제어 가능한 전력 변환 장치입니다. 기존 라인 주파수 변압기는 권선비에 따라 전압을 수동적으로만 변환합니다. 갈바닉 절연 및 전압 변환 외에도 SST는 양방향 전력 흐름, 전압 조정, 고조파 억제 및 무효 전력 보상을 포함한 디지털 제어 기능을 제공하여 스마트 그리드에서 전력 라우터 역할을 합니다.

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하위 모듈 전체 아키텍처

각 하위 모듈은 두 개의 주요 하드웨어 섹션, 즉 AC-DC 고전압 변환 장치와 DAB 고주파 절연 DC-DC 장치로 구성됩니다. 10kV 시스템과 같은 중전압 그리드 애플리케이션의 경우 여러 하위 모듈이 해당 위치에 직렬로 연결됩니다.AC 측 단자총 그리드 전압을 공유합니다. 각 하위 모듈에는 DC 전압 스태킹 없이 다른 모듈과 갈바닉 절연된 독립적인 중간 DC 링크가 있습니다. DAB 컨버터의 모든 저전압 DC 출력은 병렬로 연결되어 통합 저전압 DC 버스를 형성합니다.

블록 다이어그램

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1단계: 양방향 H-브리지 AC-DC 변환

입력측 단상 H 브리지는 4개의 SiC 전원 스위치, 부스트 인덕터 및 DC 링크 커패시터로 구성되어 킬로헤르츠 레벨 스위칭 주파수에서 작동하는 양방향 부스트 PFC 토폴로지를 구현합니다. 정류와 역그리드 연결 반전을 모두 지원합니다.

정류 모드에서 하위 모듈은 분할된 그리드 주파수 AC 전압을 수신합니다. H 브리지 스위치의 고속 PWM 스위칭은 부스트 ​​인덕터와 협력하여 자기장 에너지를 저장 및 방출하여 그리드 주파수 AC를 안정화된 중간 DC 링크 전압으로 변환합니다. 또한 이 단계에서는 역률 보정을 실현하여 정현파 그리드 측 전류 및 고조파 억제를 보장합니다. 부스트 작동 조건을 충족하려면 DC 링크 전압이 입력 AC 전압의 피크 값을 초과해야 한다는 점에 유의해야 합니다.

역전력 작동 중에는 H 브리지가 인버터로 작동합니다. 이는 중간 DC 링크에 저장된 에너지를 배전 계통에 주입된 계통 주파수 AC로 다시 변환합니다. 그리드 전력 품질 조절을 위해 무효 전력 출력도 달성할 수 있습니다.

AC-DC 변환

2단계: DAB 듀얼-액티브-브리지 고주파 절연 DC-DC 변환

서브 모듈의 절연 코어인 DAB는 1차측 풀 브리지, 고주파 변압기 및 2차측 풀 브리지로 구성됩니다. 기본 양방향 전력 기능을 통해 수백 킬로헤르츠에서 작동합니다.

1차측 풀 브리지 반전: 이전 H 브리지 중간 DC 링크에서 에너지를 끌어오는 SiC 스위치는 DC 전압을 진폭이 DC 링크 전압과 동일한 고주파 AC 구형파로 절단하여 고주파 변압기의 1차 권선에 전력을 공급합니다. 변압기는 DC 전류를 전도할 수 없습니다. 교류 구형파 전압만이 에너지 전달을 위해 코어 내부에 교류 자기장을 형성합니다. 고주파수 작동을 통해 변압기 코어를 더 작게 만들고 ZVS(제로 전압 스위칭)를 허용하여 스위칭 손실을 줄일 수 있습니다.

전압 변환 및 갈바닉 절연용 고주파 변압기: 고주파 구형파를 공급받는 변압기는 권선 권선비에 따라 전압 진폭을 변경하고 고전압 1차 도메인과 저전압 2차 도메인 사이에 완전한 갈바닉 절연을 제공합니다.전압 변환비는 위상 편이 제어가 아닌 변압기 권선비에 의해 결정됩니다.. 변압기의 고유 누설 인덕턴스는 DAB용 직렬 전력 전송 인덕터로 활용됩니다.

2차측 풀 브리지 능동 정류: 2차측 풀 브리지는 변압기에서 전달되는 고주파 구형파 전압을 처리합니다. 패시브 다이오드 정류와 달리 액티브 풀 브리지는 SiC 스위칭 타이밍을 정밀하게 제어합니다. 구형파가 양의 반주기인지 음의 반주기인지에 관계없이 교류 AC 에너지는 출력 커패시터를 위한 충전 전류로 변환됩니다. 출력 커패시터는 고주파 리플을 필터링하고 부드러운 저전압 DC 출력을 생성합니다.

역방향 전력 흐름의 경우 2차측 풀 브리지는 인버터 역할을 하여 저전압 DC를 변압기 2차측으로 전송되는 고주파 구형파로 다시 잘라냅니다. 에너지는 변압기에 의해 증폭된 다음 1차측 풀 브리지에 의해 중간 DC 전압으로 재구성됩니다.

DAB는 SPS(단상 변이) 제어를 채택합니다. 1차측 및 2차측 풀 브리지 모두 50% 듀티비 구형파 파형을 생성합니다. 컨트롤러는 두 파형 세트 간의 위상각 차이를 조정합니다. 위상 변이 크기는 전송된 전력 크기를 제어하고 위상 변이 극성은 전력 흐름 방향을 결정합니다.위상 변이는 전력만 조절하며 광범위한 정상 상태 출력 전압 조정은 달성할 수 없습니다.. 출력 전압을 권선비 일치 공칭 작동 지점에서 멀리 떨어뜨리면 ZVS 조건이 손실되고 과도한 순환 전류가 발생하며 심각한 장치 과열이 발생합니다. 정격 출력 전압을 변경하려면 고주파 변압기 권선비를 재설계해야 합니다.

소량

시스템 확장 및 엔지니어링 제약

중전압 고전력 애플리케이션에서 전압 및 전력 스케일링은 직렬 연결된 AC 입력과 병렬 연결된 DC 출력이 있는 여러 하위 모듈을 통해 실현됩니다. 병렬 연결된 서브 모듈의 공통 저전압 버스 전압은 DAB 변압기 권선비에 의해 고정됩니다. 목표 출력 전압이 고유 DAB 출력 전압에서 벗어날 경우 두 가지 실용적인 솔루션이 존재합니다.

원래 하드웨어를 유지하고 조정 후 강압을 위해 별도의 비절연 DC-DC 컨버터를 추가합니다.

고주파수 트랜스포머를 재설계하고, 구성 요소 스트레스를 재검증하고, 심층적인 DAB 수정을 위한 제어 알고리즘을 재조정합니다.

SST가 컴팩트 사이즈를 달성한 이유

기존 배전 변압기는 50Hz 선 주파수에서 작동하며 정격 전력을 전달하려면 큰 자기 코어 단면적이 필요합니다. 전자기 원리에 따르면:주어진 전력 등급에 대해 작동 주파수가 높을수록 필요한 코어 부피와 무게가 줄어듭니다..

50Hz 주전원 전압으로 절연 변압기를 직접 구동하는 대신 SST 전력 전자 장치는 그리드 주파수 전력을 고주파 절연 변압기에 공급하는 수백 kHz 고주파 구형파 전압으로 변환합니다. 라인 주파수에 비해 작동 주파수는 수천 배 증가하므로 고주파 자기 구성 요소의 부피와 무게를 10배 이상 줄일 수 있습니다.

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

k - 전환 기간에 대한 최대 켜짐-시간의 비율, 일반적으로 k=0.4;

U - 1차 권선 입력 전압(V), 대략 DC 입력 전압과 동일.

f - 변압기의 작동 주파수(kHz);

Ae - 자기 코어의 유효 단면적-(cm²);

Bmax - 자속밀도(G)의 최대 허용 스윙.

본질적인 단점

대량 반도체 장치는 기존 변압기에 비해 하드웨어 복잡성이 높고 비용도 높습니다. 고주파 스위칭은 전자기 간섭(EMI)을 발생시켜 PCB 레이아웃, 자기 부품 설계 및 열 관리에 대한 엄격한 요구 사항을 부과합니다. 따라서 SST는 라인 주파수 변압기를 완전히 대체할 수 없으며 주로 소형 설치 공간, 양방향 전력 흐름, DC 인터페이스 및 능동 전력 품질 제어를 요구하는 새로운 전력 시스템 시나리오에 적용됩니다.