চার পোর্ট সলিড-স্টেট ট্রান্সফরমারের ডিজাইন: মাইক্রোগ্রিডের জন্য দক্ষ সংযোজন সমাধান

পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সের ব্যবহার শিল্পে বৃদ্ধি পাচ্ছে, যা ব্যাটারি চার্জার এবং LED ড্রাইভার থেকে শুরু করে ফোটোভোলটাইক (PV) সিস্টেম এবং ইলেকট্রিক গাড়ি পর্যন্ত বিভিন্ন আকারের অ্যাপ্লিকেশনে প্রসারিত হচ্ছে। সাধারণত, একটি পাওয়ার সিস্টেম তিনটি অংশে বিভক্ত: পাওয়ার প্ল্যান্ট, ট্রান্সমিশন সিস্টেম, এবং ডিস্ট্রিবিউশন সিস্টেম। ঐতিহ্যগতভাবে, নিম্ন-ফ্রিকোয়েন্সি ট্রান্সফরমার দুইটি উদ্দেশ্যে ব্যবহৃত হয়: ইলেকট্রিক্যাল আইসোলেশন এবং ভোল্টেজ ম্যাচিং। তবে, 50/60-Hz ট্রান্সফরমার বড় এবং ভারী। পাওয়ার কনভার্টার নতুন এবং পুরাতন পাওয়ার সিস্টেমের মধ্যে সামঞ্জস্য সৃষ্টি করার জন্য ব্যবহৃত হয়, সলিড-স্টেট ট্রান্সফরমার (SST) ধারণাটি ব্যবহার করে। উচ্চ-অথবা মধ্য-ফ্রিকোয়েন্সি পাওয়ার কনভার্শন ব্যবহার করে SST টি ট্রান্সফরমারের আকার কমায় এবং ঐতিহ্যগত ট্রান্সফরমারের তুলনায় উচ্চতর পাওয়ার ঘনত্ব প্রদান করে।

ম্যাগনেটিক মেটেরিয়ালের উন্নতি—উচ্চ ফ্লাক্স ঘনত্ব, উচ্চ পাওয়ার এবং ফ্রিকোয়েন্সি ক্ষমতা, এবং কম পাওয়ার লস—এর ফলে গবেষকরা উচ্চ পাওয়ার ঘনত্ব এবং দক্ষতা সম্পন্ন SST তৈরি করতে সক্ষম হয়েছেন। বেশিরভাগ ক্ষেত্রে, গবেষণা ঐতিহ্যগত দুই-প্রতিসার ট্রান্সফরমারে ফোকাস করেছে। তবে, বিতরণ করা জেনারেশনের বৃদ্ধি, স্মার্ট গ্রিড এবং মাইক্রোগ্রিডের বিকাশের ফলে বহু-পোর্ট সলিড-স্টেট ট্রান্সফরমার (MPSST) ধারণাটি বিকাশ লাভ করেছে।

কনভার্টারের প্রতিটি পোর্টে দুই সক্রিয় ব্রিজ (DAB) কনভার্টার ব্যবহৃত হয়, যা ট্রান্সফরমারের লিকেজ ইনডাক্টেন্সকে কনভার্টারের ইনডাক্টর হিসাবে ব্যবহার করে। এটি অতিরিক্ত ইনডাক্টরের প্রয়োজনীয়তা বাতিল করে আকার কমায় এবং লসও কমায়। লিকেজ ইনডাক্টেন্স প্রতিসার স্থাপন, কোর জ্যামিতি, এবং কোপলিং সহগের উপর নির্ভর করে, যা ট্রান্সফরমার ডিজাইনকে আরও জটিল করে। DAB কনভার্টারে পাওয়ার ফ্লো নিয়ন্ত্রণের জন্য ফেজ শিফট নিয়ন্ত্রণ ব্যবহৃত হয়। তবে, MPSST-তে একটি পোর্টে ফেজ শিফট অন্যান্য পোর্টের পাওয়ার ফ্লোতে প্রভাব ফেলে, যা পোর্টের সংখ্যা বৃদ্ধির সাথে নিয়ন্ত্রণের জটিলতা বাড়ায়। ফলে, বেশিরভাগ MPSST গবেষণা তিন-পোর্ট সিস্টেমে ফোকাস করে।

এই পেপার মাইক্রোগ্রিড অ্যাপ্লিকেশনের জন্য একটি সলিড-স্টেট ট্রান্সফরমারের ডিজাইনে ফোকাস করে। ট্রান্সফরমারটি একটি একক ম্যাগনেটিক কোরে চারটি পোর্ট একত্রিত করে। এটি 50 kHz সুইচিং ফ্রিকোয়েন্সিতে কাজ করে, প্রতিটি পোর্ট 25 kW রেটেড। পোর্ট কনফিগারেশনটি বিদ্যুৎ গ্রিড, শক্তি সঞ্চয় সিস্টেম, ফোটোভোলটাইক সিস্টেম, এবং স্থানীয় লোড সহ একটি বাস্তব মাইক্রোগ্রিড মডেল প্রতিনিধিত্ব করে। গ্রিড পোর্ট 4,160 VAC-তে কাজ করে, অন্য তিনটি পোর্ট 400 V-তে কাজ করে।

চার-পোর্ট SST

ট্রান্সফরমার ডিজাইন

তালিকা 1 ট্রান্সফরমার কোর তৈরির জন্য বিভিন্ন ব্যবহৃত মেটেরিয়াল এবং তাদের সুবিধা এবং অসুবিধা দেখায়। লক্ষ্য হল 50 kHz পরিচালনা ফ্রিকোয়েন্সিতে প্রতিটি পোর্টে 25 kW সমর্থন করতে সক্ষম এমন একটি মেটেরিয়াল নির্বাচন করা। বাণিজ্যিকভাবে উপলব্ধ ট্রান্সফরমার কোর মেটেরিয়ালগুলি হল সিলিকন স্টিল, অ্যামরফাস অ্যালয়, ফেরাইট, এবং ন্যানোক্রিস্টালিন। লক্ষ্য অ্যাপ্লিকেশনের জন্য—50 kHz-তে 25 kW প্রতিটি পোর্টে কাজ করা চার-পোর্ট ট্রান্সফরমার—সবচেয়ে উপযুক্ত কোর মেটেরিয়াল নির্বাচন করতে হবে। তালিকা বিশ্লেষণ করে, ন্যানোক্রিস্টালিন এবং ফেরাইট দুটি প্রার্থী হিসাবে শর্টলিস্ট করা হয়েছে। তবে, 20 kHz-এর উপরে সুইচিং ফ্রিকোয়েন্সিতে ন্যানোক্রিস্টালিন উচ্চতর পাওয়ার লস দেখায়। ফলে, ট্রান্সফরমারের কোর মেটেরিয়াল হিসাবে ফেরাইট চূড়ান্তভাবে নির্বাচিত হয়েছে।

বিভিন্ন কোর মেটেরিয়াল এবং তাদের বৈশিষ্ট্য

ট্রান্সফরমার কোর ডিজাইনও গুরুত্বপূর্ণ, কারণ এটি কম্প্যাক্টনেস, পাওয়ার ঘনত্ব, এবং মোট আকারের উপর প্রভাব ফেলে—তবে সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণভাবে ট্রান্সফরমারের লিকেজ ইনডাক্টেন্সের উপর প্রভাব ফেলে। 330-kW, 50-Hz দুই-পোর্ট ট্রান্সফরমারের জন্য কোর-টাইপ এবং শেল-টাইপ কোর আকৃতি তুলনা করা হয়েছে, যা দেখায় যে শেল-টাইপ কনফিগারেশন কম লিকেজ ইনডাক্টেন্স এবং সুষম পাওয়ার ফ্লো প্রদান করে। তাই, শেল-টাইপ কনফিগারেশন ব্যবহার করা হবে, ট্রান্সফরমারের কেন্দ্রীয় লিম্বে সমকেন্দ্রিকভাবে চারটি প্রতিসার স্থাপন করে, যার ফলে কোপলিং সহগ উন্নত হবে।

শেল-টাইপ কোরের মাপ 186×152×30 mm, এবং ব্যবহৃত ফেরাইট মেটেরিয়াল 3C94, 4xU93×76×30 mm কনফিগারেশনে। মিডিয়াম-ভোল্টেজ (MV) এবং উচ্চ-কারেন্ট পোর্টের জন্য লিটজ তার ব্যবহৃত হয়, যার রেটিং যথাক্রমে 3.42 A এবং 62.5 A। নিম্ন-ভোল্টেজ (LV) পোর্টের জন্য 16 AWG এবং 4 AWG তার ব্যবহৃত হয়। LV প্রতিসারগুলিকে একসাথে টোর্ন করা হয় যাতে ম্যাগনেটিক কোপলিং উন্নত হয়।

প্রস্তাবিত MV MPSST ডিজাইন সম্পন্ন হওয়ার পর, Maxwell-3D/Simplorer সিমুলেশন পরিচালিত হয়। মিডিয়াম-ভোল্টেজ গ্রিড, শক্তি সঞ্চয়, লোড, এবং ফোটোভোলটাইক সিস্টেমের জন্য পোর্ট ভোল্টেজ যথাক্রমে 7.2 kVDC এবং 400 VDC সেট করা হয়। সিমুলেশন পূর্ণ লোডের অধীনে পরিচালিত হয়, লোড পোর্ট 50 kHz সুইচিং ফ্রিকোয়েন্সি এবং 50% ডিউটি সাইকেলে 25 kW প্রদান করে। পাওয়ার নিয়ন্ত্রণ কনভার্টার সেলের মধ্যে ফেজ শিফট সমন্বয়ে অর্জিত হয়। ফলাফলগুলি তালিকায় প্রদর্শিত হয়। বিভিন্ন মডেল কোর আকৃতি, অনুভূমিক অঞ্চল, লস, এবং আয়তনে পার্থক্য দেখায়। তালিকায় দেখা যায়, মডেল 7 কম লিকেজ ইনডাক্টেন্স এবং উচ্চতর দক্ষতা প্রদর্শন করে।

মডেল এবং সিমুলেশন ফলাফল

পরীক্ষামূলক সেটআপ

কোরটি চারটি U-আকৃতির কোর একত্রিত করে একটি লেয়ারে তৈরি করা হয়। সম্পূর্ণ কোরটি তিনটি লেয়ার নিয়ে গঠিত, কেন্দ্রীয় লিম্বে প্রতিসার স্থাপন করা হয়। তিনটি নিম্ন-ভোল্টেজ (LV) পোর্ট প্রতিসার একসাথে স্থাপন করা হয় যাতে কোপলিং উন্নত হয়। প্রস্তাবিত ট্রান্সফরমারটি পরীক্ষা করার জন্য একটি দুই সক্রিয় ব্রিজ (DAB) কনভার্টার ডিজাইন করা হয়। কনভার্টার ডিজাইনে SiC MOSFETs ব্যবহৃত হয়। MV পোর্টের জন্য, SiC ডায়োড ব্যবহার করে একটি রেক্টিফায়ার ব্রিজ বাস্তবায়িত করা হয়, যা 7.2 kV-এর রেটিংযুক্ত একটি রেজিস্টিভ লোড ব্যাঙ্কের সাথে সংযুক্ত থাকে।

সিদ্ধান্ত

এই পেপার চার-পোর্ট মিডিয়াম-ভোল্টেজ বহু-পোর্ট সলিড-স্টেট ট্রান্সফরমার (MV MPSST) এর ডিজাইনে ফোকাস করে, যা মাইক্রোগ্রিড অ্যাপ্লিকেশনে চারটি ভিন্ন সোর্স বা লোড এর যোগাযোগকে সম্ভব করে। ট্রান্সফরমারের একটি পোর্ট হল মিডিয়াম-ভোল্টেজ (MV) পোর্ট, 4.16 kV AC-এ রেটিং করা হয়। বিভিন্ন ট্রান্সফরমার মডেল এবং কোর মেটেরিয়াল পর্যালোচিত হয়েছে। ট্রান্সফরমার ডিজাইনের পাশাপাশি, MV এবং LV পোর্টের জন্য পরীক্ষামূলক সেটআপ তৈরি করা হয়েছে। পরীক্ষামূলক যাচাইকরণে 99% দক্ষতা অর্জিত হয়েছে।