طراحی یک ترانسفورماتور حالت جامد چهار پورت: راه حل ادغام کارآمد برای شبکه‌های خرد

استفاده از الکترونیک قدرت در صنعت در حال افزایش است، از کاربردهای کوچک مانند شارژرها برای باتری‌ها و رانندگان LED تا کاربردهای بزرگ‌مقیاس مانند سیستم‌های فتوولتائیک (PV) و خودروهای الکتریکی. معمولاً، یک سیستم قدرت شامل سه بخش است: نیروگاه‌ها، سیستم‌های انتقال و سیستم‌های توزیع. به طور سنتی، ترانسفورماتورهای با فرکانس پایین برای دو منظور استفاده می‌شوند: جداسازی الکتریکی و تطبیق ولتاژ. با این حال، ترانسفورماتورهای ۵۰/۶۰ هرتز حجیم و سنگین هستند. تبدیل‌دهندگان قدرت برای امکان‌پذیری سازگاری بین سیستم‌های قدرت جدید و قدیمی استفاده می‌شوند، با استفاده از مفهوم ترانسفورماتورهای جامد (SST). با استفاده از تبدیل قدرت با فرکانس بالا یا متوسط، SST‌ها اندازه ترانسفورماتور را کاهش می‌دهند و تراکم قدرت بیشتری نسبت به ترانسفورماتورهای سنتی ارائه می‌دهند.

پیشرفت‌های مواد مغناطیسی—دارای چگالی جریان بالا، قابلیت قدرت و فرکانس بالا و ضریب زیان‌های قدرت پایین—به پژوهشگران اجازه داده است تا SST‌هایی با تراکم قدرت و کارایی بالا توسعه دهند. در بیشتر موارد، تحقیقات روی ترانسفورماتورهای دو-پیچه سنتی متمرکز بوده است. با این حال، یکپارچه‌سازی رو به رشد تولید توزیع‌شده، همراه با توسعه شبکه‌های هوشمند و شبکه‌های کوچک، به مفهوم ترانسفورماتورهای جامد چند-پورت (MPSST) منجر شده است.

در هر پورت تبدیل‌دهنده، یک تبدیل‌دهنده پل دوگانه فعال (DAB) استفاده می‌شود که از القای ترانسفورماتور به عنوان القای تبدیل‌دهنده استفاده می‌کند. این عمل اندازه را با حذف نیاز به القای اضافی کاهش می‌دهد و همچنین زیان‌ها را کاهش می‌دهد. القای ترانسفورماتور به موقعیت پیچه‌ها، هندسه هسته و ضریب جفت‌شدن بستگی دارد که طراحی ترانسفورماتور را پیچیده‌تر می‌کند. کنترل فازی‌اشیب در تبدیل‌دهنده‌های DAB برای تنظیم جریان قدرت بین پورت‌ها استفاده می‌شود. با این حال، در یک MPSST، فازی‌اشیب در یک پورت تأثیر بر جریان قدرت در پورت‌های دیگر دارد و با افزایش تعداد پورت‌ها، پیچیدگی کنترل افزایش می‌یابد. بنابراین، بیشتر تحقیقات MPSST روی سیستم‌های سه-پورت متمرکز شده است.

این مقاله روی طراحی یک ترانسفورماتور جامد برای کاربردهای شبکه‌های کوچک متمرکز شده است. ترانسفورماتور چهار پورت را روی یک هسته مغناطیسی یکپارچه می‌کند. آن در فرکانس سوئیچینگ ۵۰ کیلوهرتز کار می‌کند، با هر پورت با ظرفیت ۲۵ کیلووات. پیکربندی پورت‌ها یک مدل واقعی از شبکه کوچک را نشان می‌دهد که شامل شبکه عمومی، سیستم ذخیره‌سازی انرژی، سیستم فتوولتائیک و بار محلی است. پورت شبکه در ولتاژ ۴،۱۶۰ VAC کار می‌کند، در حالی که سه پورت دیگر در ۴۰۰ V کار می‌کنند.

چهار-پورت SST

طراحی ترانسفورماتور

جدول ۱ مواد مختلف معمولاً استفاده شده برای ساخت هسته‌های ترانسفورماتور را نشان می‌دهد، همراه با مزایا و معایب آنها. هدف انتخاب یک ماده که قادر به پشتیبانی از ۲۵ کیلووات در هر پورت در فرکانس کاری ۵۰ کیلوهرتز باشد. مواد هسته ترانسفورماتور موجود در بازار شامل فولاد سیلیسیوم، آلیاژ غیربلوری، فریت و نانوبلوری هستند. برای کاربرد هدف—یک ترانسفورماتور چهار-پورت کاری در ۵۰ کیلوهرتز با ۲۵ کیلووات در هر پورت—ماده هسته مناسب باید شناسایی شود. با تحلیل جدول، هر دو نانوبلوری و فریت به عنوان نامزدهای بالقوه انتخاب می‌شوند. با این حال، نانوبلوری در فرکانس‌های سوئیچینگ بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز زیان‌های قدرت بیشتری نشان می‌دهد. بنابراین، فریت به عنوان ماده هسته ترانسفورماتور انتخاب می‌شود.

مواد هسته مختلف و مشخصات آنها

طراحی هسته ترانسفورماتور نیز حیاتی است، زیرا تأثیر مستقیم بر فشردگی، تراکم قدرت و اندازه کلی دارد—اما مهم‌تر از همه، تأثیر می‌گذارد بر القای ترانسفورماتور. برای یک ترانسفورماتور دو-پورت ۳۳۰ کیلووات، ۵۰ هرتز، اشکال هسته مانند نوع هسته و نوع پوسته مقایسه شده‌اند و نشان داده شده است که پیکربندی نوع پوسته القای ترانسفورماتور را کاهش می‌دهد و جریان قدرت را هموار می‌کند. بنابراین، یک پیکربندی نوع پوسته استفاده خواهد شد، با تمام چهار پیچه به صورت هم‌مرکز روی لیم مرکزی ترانسفورماتور پیچیده شده، که ضریب جفت‌شدن را بهبود می‌بخشد.

هسته نوع پوسته اندازه ۱۸۶×۱۵۲×۳۰ میلی‌متر دارد و ماده فریت استفاده شده ۳C94 در پیکربندی ۴xU93×۷۶×۳۰ میلی‌متر است. سیم Litz برای پیچیدن هر دو پورت ولتاژ متوسط (MV) و پورت جریان بالا استفاده می‌شود، با ظرفیت ۳٫۴۲ A و ۶۲٫۵ A به ترتیب. برای پورت‌های ولتاژ پایین (LV)، سیم‌های ۱۶ AWG و ۴ AWG استفاده می‌شوند. پیچیدن پیچه‌های LV با هم میزان جفت‌شدن مغناطیسی را افزایش می‌دهد.

پس از تکمیل طراحی پیشنهادی MV MPSST، شبیه‌سازی‌های Maxwell-3D/Simplorer انجام می‌شوند. ولتاژ پورت‌ها برای شبکه ولتاژ متوسط، سیستم ذخیره‌سازی انرژی، بار و سیستم فتوولتائیک به ترتیب ۷٫۲ kVDC و ۴۰۰ VDC تنظیم می‌شوند. شبیه‌سازی‌ها تحت بار کامل انجام می‌شوند، با پورت بار که ۲۵ کیلووات در فرکانس سوئیچینگ ۵۰ کیلوهرتز و ۵۰٪ دیوتی‌سیکل تحویل می‌دهد. کنترل قدرت با تعدیل اختلاف فاز بین سلول‌های تبدیل‌دهنده انجام می‌شود. نتایج در جدول ارائه شده‌اند. مدل‌های مختلف مشخصات متفاوتی مانند شکل هسته، مساحت مقطعی، زیان و حجم دارند. همان‌طور که در جدول نشان داده شده است، مدل ۷ القای ترانسفورماتور کمتر و کارایی بالاتری دارد.

مدل و نتایج شبیه‌سازی

تنظیم آزمایشی

هسته با استفاده از چهار هسته U-شکل که در یک لایه گردآوری شده‌اند ساخته شده است. هسته کامل شامل سه لایه با پیچه‌هایی که روی لیم مرکزی قرار داده شده‌اند است. سه پیچه پورت ولتاژ پایین (LV) با هم پیچیده شده‌اند تا جفت‌شدن را افزایش دهند. یک تبدیل‌دهنده پل دوگانه فعال (DAB) برای تست ترانسفورماتور پیشنهادی طراحی شده است. در طراحی تبدیل‌دهنده از MOSFET‌های SiC استفاده شده است. برای پورت ولتاژ متوسط (MV)، یک پل مستطیلی با استفاده از دیود‌های SiC پیاده‌سازی شده است که به یک بانک بار مقاومتی متصل شده است که قادر به مدیریت ۷٫۲ kV است.

نتیجه‌گیری

این مقاله روی طراحی یک ترانسفورماتور جامد چهار-پورت ولتاژ متوسط (MV MPSST) متمرکز شده است که امکان یکپارچه‌سازی چهار منبع یا بار مختلف در کاربردهای شبکه کوچک را فراهم می‌کند. یکی از پورت‌های ترانسفورماتور یک پورت ولتاژ متوسط (MV) با ظرفیت ۴٫۱۶ kV AC است. مدل‌های مختلف ترانسفورماتور و مواد هسته بررسی شده‌اند. علاوه بر طراحی ترانسفورماتور، تنظیمات آزمایشی برای هر دو پورت MV و LV توسعه یافته است. در اعتبارسنجی آزمایشی کارایی ۹۹٪ به دست آمده است.