طراحی یک ترانسفورماتور جامد چهار پورته: راه‌حل ادغام کارآمد برای شبکه‌های خرد

استفاده از الکترونیک قدرت در صنعت در حال افزایش است، از کاربردهای کوچک مانند شارژر باتری و راننده‌های LED تا کاربردهای بزرگ 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 هدف استفاده می‌شوند: جداسازی الکتریکی و تطبیق ولتاژ. با این حال، ترانسفورماتورهای ۵۰/۶۰ هرتز حجم زیادی دارند و سنگین هستند. تبدیل‌کننده‌های قدرت برای امکان‌پذیری سازگاری بین سیستم‌های قدرت جدید و قدیمی استفاده می‌شوند که از مفهوم ترانسفورماتورهای جامد حالت (SST) بهره می‌برند. 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.

پیشرفت در مواد مغناطیسی - که دارای چگالی شار مغناطیسی بالا، قابلیت قدرت و فرکانس بالا و تلفات قدرت کم هستند - به پژوهشگران اجازه داده است تا SST‌هایی با تراکم قدرت و کارایی بالا توسعه دهند. در بیشتر موارد، تحقیقات روی ترانسفورماتورهای دوپیچه سنتی متمرکز بوده است. با این حال، یکپارچه‌سازی رشد یافته تولید توزیع شده، همراه با توسعه شبکه‌های هوشمند و شبکه‌های کوچک، منجر به مفهوم ترانسفورماتورهای جامد حالت چندپورت (MPSST) شده است.

در هر پورت تبدیل‌کننده، از یک تبدیل‌کننده پل دوگانه فعال (DAB) استفاده می‌شود که از لکز اندوکتانس ترانسفورماتور به عنوان اندوکتانس تبدیل‌کننده استفاده می‌کند. این کار با حذف نیاز به اندوکتانس‌های اضافی اندازه را کاهش می‌دهد و همچنین تلفات را کاهش می‌دهد. لکز اندوکتانس به موقعیت پیچه‌ها، هندسه هسته و ضریب کوپلینگ بستگی دارد که طراحی ترانسفورماتور را پیچیده‌تر می‌کند. کنترل فازی در تبدیل‌کننده‌های DAB برای تنظیم جریان قدرت بین پورت‌ها استفاده می‌شود. با این حال، در یک MPSST، فازی در یک پورت بر جریان قدرت در پورت‌های دیگر تأثیر می‌گذارد و با افزایش تعداد پورت‌ها پیچیدگی کنترل افزایش می‌یابد. بنابراین، بیشتر تحقیقات MPSST روی سیستم‌های سه پورت متمرکز است.

این مقاله روی طراحی یک ترانسفورماتور جامد حالت برای کاربردهای شبکه کوچک تمرکز دارد. این ترانسفورماتور چهار پورت را روی یک هسته مغناطیسی یکپارچه می‌کند. آن در فرکانس تبادل ۵۰ کیلوهرتز عمل می‌کند و هر پورت برای ۲۵ کیلووات طراحی شده است. پیکربندی پورت‌ها یک مدل واقعی از شبکه کوچک را نشان می‌دهد که شامل شبکه برق، سیستم ذخیره‌سازی انرژی، سیستم فتوولتائیک و بار محلی است. پورت شبکه در ۴۱۶۰ وولت جریان متناوب کار می‌کند، در حالی که سه پورت دیگر در ۴۰۰ وولت کار می‌کنند.

چهارپورت SST

طراحی ترانسفورماتور

جدول ۱ مواد مختلف معمولاً استفاده شده برای ساخت هسته‌های ترانسفورماتور را همراه با مزایا و معایب آنها نشان می‌دهد. هدف انتخاب یک ماده که قادر به پشتیبانی از ۲۵ کیلووات در هر پورت در فرکانس کاری ۵۰ کیلوهرتز باشد. مواد موجود تجاری برای هسته ترانسفورماتور شامل فولاد سیلیسیم، آلیاژ بدون ساختار، فریت و نانوبلوری است. برای کاربرد هدف - یک ترانسفورماتور چهارپورت که در ۵۰ کیلوهرتز با ۲۵ کیلووات در هر پورت کار می‌کند - ماده مناسب هسته باید شناسایی شود. با تحلیل جدول، هر دوی نانوبلوری و فریت به عنوان کاندیداهای بالقوه شناسایی شده‌اند. با این حال، نانوبلوری تلفات قدرت بالاتری در فرکانس‌های تبادل بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز نشان می‌دهد. بنابراین، فریت به عنوان ماده هسته برای ترانسفورماتور انتخاب می‌شود.

مواد مختلف هسته و ویژگی‌های آنها

طراحی هسته ترانسفورماتور نیز حیاتی است، زیرا بر فشردگی، تراکم قدرت و اندازه کلی تأثیر می‌گذارد - اما مهم‌تر از همه، تأثیر می‌گذارد بر لکز اندوکتانس ترانسفورماتور. برای یک ترانسفورماتور دوپورت ۳۳۰ کیلووات ۵۰ هرتز، اشکال هسته‌ای مانند نوع هسته و نوع پوشش مقایسه شده‌اند که نشان داده‌اند که پیکربندی نوع پوشش لکز اندوکتانس کمتری و جریان قدرت صاف‌تری ارائه می‌دهد. بنابراین، پیکربندی نوع پوشش استفاده خواهد شد که همه چهار پیچه به صورت هم‌مرکز روی عضو مرکزی ترانسفورماتور پیچیده شده‌اند و در نتیجه ضریب کوپلینگ را بهبود می‌بخشند.

هسته نوع پوشش 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 شده که به ترتیب ۳٫۴۲ آمپر و ۶۲٫۵ آمپر رتبه‌بندی شده‌اند. برای پورت‌های ولتاژ پایین (LV)، از سیم‌های ۱۶ AWG و ۴ AWG استفاده شده است. پیچیدن پیچه‌های LV با هم مغناطیس کوپلینگ را افزایش می‌دهد.

بعد از اتمام طراحی پیشنهادی MV MPSST، شبیه‌سازی‌های Maxwell-3D/Simplorer انجام می‌شود. ولتاژ پورت‌ها برای شبکه ولتاژ متوسط، سیستم ذخیره‌سازی انرژی، بار و سیستم فتوولتائیک به ترتیب ۷٫۲ kVDC و ۴۰۰ VDC تنظیم شده‌اند. شبیه‌سازی‌ها تحت بار کامل انجام می‌شود، با پورت بار که ۲۵ کیلووات در فرکانس تبادل ۵۰ کیلوهرتز و دیوتی سیکل ۵۰٪ تحویل می‌دهد. کنترل قدرت با تنظیم فازی بین سلول‌های تبدیل‌کننده انجام می‌شود. نتایج در جدول ارائه شده‌اند. مدل‌های مختلف ویژگی‌های متفاوتی مانند شکل هسته، مساحت مقطعی، تلفات و حجم را نشان می‌دهند. همانطور که در جدول نشان داده شده است، مدل ۷ لکز اندوکتانس کمتر و کارایی بالاتری دارد.

مدل و نتایج شبیه‌سازی

تنظیم آزمایشی

هسته با استفاده از چهار هسته U شکل که در یک لایه جمع‌آوری شده‌اند ساخته شده است. هسته کامل شامل سه لایه با پیچه‌هایی که روی عضو مرکزی قرار داده شده‌اند. سه پیچه پورت ولتاژ پایین (LV) با هم پیچیده شده‌اند تا کوپلینگ را افزایش دهند. یک تبدیل‌کننده پل دوگانه فعال (DAB) برای آزمایش ترانسفورماتور پیشنهادی طراحی شده است. در طراحی تبدیل‌کننده از MOSFET‌های SiC استفاده شده است. برای پورت ولتاژ متوسط (MV)، یک پل مستقیم با استفاده از دیودهای SiC پیاده‌سازی شده است که همچنین به یک بانک بار مقاومی متصل شده که قادر به مدیریت ۷٫۲ kV است.

نتیجه‌گیری

این مقاله روی طراحی یک ترانسفورماتور جامد حالت چندپورت ولتاژ متوسط (MV MPSST) که امکان یکپارچه‌سازی چهار منبع یا بار مختلف در کاربردهای شبکه کوچک را فراهم می‌کند، متمرکز است. یکی از پورت‌های ترانسفورماتور یک پورت ولتاژ متوسط (MV) با رتبه‌بندی ۴.۱۶ kV AC است. مدل‌های مختلف ترانسفورماتور و مواد هسته مورد بررسی قرار گرفته‌اند. علاوه بر طراحی ترانسفورماتور، تنظیمات آزمایشی برای هر دو پورت MV و LV توسعه یافته است. کارایی ۹۹٪ در اعتبارسنجی آزمایشی به دست آمده است.