CAREER: Multi-level Bridge Tapped Resonant (MBTR) Solid-State Transformers (SSTs)

职业:多级桥抽头谐振 (MBTR) 固态变压器 (SST)

基本信息

  • 批准号:
    2238472
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 53.8万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-04-15 至 2028-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Solid State Transformers (SSTs) play a critical role in various applications for a sustainable future including integrating renewable energy and energy storage into modern electrical grids, electrified transportation systems, buildings etc. These applications require SSTs to comply with grid integration standard IEEE 1547, have the agility to deal with very abrupt load changes with high energy conversion efficiency over a wide load range. Present SSTs fall short of meeting these needs, having remained virtually unchanged since their inception. This necessitates the need to rethink the realization of SSTs, leading to the introduction of a family of new AC-DC bidirectional power converter topologies and control strategies to perform power conversion at higher switching frequencies with reduced component count and size for a wide range of applications. Simultaneously, the proposed approach takes full advantage of emerging Wide and Ultra-Wide Band Gap (WBG and UWBG) power semiconductors and innovations in magnetic materials for power conversion. A tightly-coupled educational plan supports the national priority to create renewable energy systems-based jobs through a power electronics workforce training program that includes students from diverse backgrounds and includes outreach to community colleges, public high schools, and Native reservations. The outcomes contribute to a sustainable future by reducing the cost and complexity of integration of renewable energy, reducing power conversion losses in such systems and transforming the charging infrastructure for electrified transportations, thus increasing their range and payload.This project engages in fundamental research to realize a new family of WBG and UWBG device-based, SSTs. The anticipated outcomes include 1) discovery and validation by analysis, prototyping, and testing of a new family of reduced device count, soft switched, high frequency, light weight fault-tolerant non-modular and modular power and voltage scalable SSTs naturally conforming to IEEE 1547; 2) unique multi-carrier space vector modulation and control techniques for the new SSTs; 3) novel additive manufacturing techniques for high temperature nano-crystalline integrated magnetics for SSTs. The new SSTs will have 25% fewer devices compared to state of art, will be 30% cheaper, 40% more power dense, and 5% more efficient resulting in a more sustainable future. In applications to battery energy storage alone, which is expected to expend to 4000 Tera-Watt Hours by 2030 in the US, the new family of SSTs will reduce the losses during power conversion by about 400 GWatt-Hours.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
固态变压器(SSTs)在可持续未来的各种应用中发挥着关键作用,包括将可再生能源和能源存储集成到现代电网,电气化运输系统,建筑等。这些应用要求SSTs符合电网集成标准IEEE 1547,在宽负载范围内具有高能量转换效率,能够灵活地处理非常突然的负载变化。目前的SSTs无法满足这些需求,自成立以来几乎没有变化。这就需要重新考虑sst的实现,从而引入一系列新的AC-DC双向功率转换器拓扑和控制策略,以便在更高的开关频率下进行功率转换,同时减少组件数量和尺寸,适用于广泛的应用。同时,该方法充分利用了新兴的宽带和超宽带隙(WBG和UWBG)功率半导体以及用于功率转换的磁性材料的创新。一项紧密结合的教育计划支持通过电力电子劳动力培训项目创造以可再生能源系统为基础的就业机会,该项目包括来自不同背景的学生,并延伸到社区大学、公立高中和土著保留地。通过降低可再生能源集成的成本和复杂性,减少此类系统的电力转换损失,改变电气化运输的充电基础设施,从而增加其范围和有效载荷,这些成果有助于实现可持续的未来。本项目从事基础研究,以实现基于WBG和UWBG设备的新系列SSTs。预期的结果包括:1)通过分析、原型设计和测试发现和验证新系列器件数量减少、软开关、高频、轻量级容错非模块化和模块化功率和电压可扩展的sst,这些sst自然符合IEEE 1547;2)新型SSTs独特的多载波空间矢量调制和控制技术;3)高温纳米晶集成磁性材料的新型增材制造技术。与现有技术相比,新型SSTs的设备数量将减少25%,成本将降低30%,功率密度提高40%,效率提高5%,从而实现更可持续的未来。仅在电池储能方面的应用中,预计到2030年,美国的电池储能规模将达到4000太瓦时,新的SSTs系列将减少电力转换过程中的损耗约400吉瓦时。该奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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