चार पोर्ट वाले सॉलिड-स्टेट ट्रांसफ़ार्मर का डिज़ाइन: माइक्रोग्रिड्स के लिए कुशल एकीकरण समाधान
पावर इलेक्ट्रोनिक्स का उद्योग में उपयोग बढ़ रहा है, छोटे स्तर के अनुप्रयोगों जैसे बैटरी चार्जर और LED ड्राइवर से लेकर प्रतिदीप्ति (PV) प्रणालियों और इलेक्ट्रिक वाहनों जैसे बड़े स्तर के अनुप्रयोगों तक। आमतौर पर, एक पावर सिस्टम तीन भागों से बना होता है: पावर प्लांट, प्रसारण प्रणाली, और वितरण प्रणाली। पारंपरिक रूप से, निम्न आवृत्ति ट्रांसफार्मर दो उद्देश्यों के लिए उपयोग किया जाता है: विद्युतीय अलगाव और वोल्टेज मैचिंग। हालांकि, 50/60-Hz ट्रांसफार्मर बड़े और भारी होते हैं। पावर कन्वर्टर्स नए और पुराने पावर सिस्टमों के बीच संगतता सुनिश्चित करने के लिए उपयोग किए जाते हैं, सॉलिड-स्टेट ट्रांसफार्मर (SST) की अवधारणा का लाभ उठाते हुए। उच्च-या मध्य-आवृत्ति पावर कन्वर्जन का उपयोग करके, SSTs ट्रांसफार्मर का आकार घटाते हैं और पारंपरिक ट्रांसफार्मरों की तुलना में उच्च पावर घनत्व प्रदान करते हैं।
चुंबकीय सामग्रियों में प्रगति—उच्च फ्लक्स घनत्व, उच्च पावर और आवृत्ति क्षमता, और कम पावर नुकसान—ने शोधकर्ताओं को उच्च पावर घनत्व और दक्षता वाले SSTs विकसित करने की सुविधा प्रदान की है। अधिकांश मामलों में, शोध पारंपरिक दोहरी वाइंडिंग ट्रांसफार्मरों पर केंद्रित रहा है। हालांकि, वितरित उत्पादन की बढ़ती समाकलन, साथ ही स्मार्ट ग्रिड और माइक्रोग्रिड के विकास ने बहु-पोर्ट सॉलिड-स्टेट ट्रांसफार्मर (MPSST) की अवधारणा को लाया है।
कन्वर्टर के प्रत्येक पोर्ट पर, दोहरी एक्टिव ब्रिज (DAB) कन्वर्टर का उपयोग किया जाता है, जो ट्रांसफार्मर की लीकेज इंडक्टेंस का उपयोग कन्वर्टर के इंडक्टर के रूप में करता है। यह अतिरिक्त इंडक्टर की आवश्यकता को रोककर आकार को कम करता है और नुकसान भी कम करता है। लीकेज इंडक्टेंस वाइंडिंग की स्थिति, कोर ज्यामिति, और कप्लिंग गुणांक पर निर्भर करता है, जिससे ट्रांसफार्मर डिजाइन अधिक जटिल हो जाता है। DAB कन्वर्टर्स में फेज शिफ्ट नियंत्रण का उपयोग पोर्टों के बीच पावर फ्लो नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। हालांकि, MPSST में, एक पोर्ट पर फेज शिफ्ट अन्य पोर्टों पर पावर फ्लो को प्रभावित करता है, जिससे पोर्टों की संख्या के साथ नियंत्रण जटिलता बढ़ जाती है। इस परिणामस्वरूप, अधिकांश MPSST शोध तीन-पोर्ट सिस्टम पर केंद्रित होता है।
यह पेपर माइक्रोग्रिड अनुप्रयोगों के लिए एक सॉलिड-स्टेट ट्रांसफार्मर के डिजाइन पर केंद्रित है। ट्रांसफार्मर एक एकल चुंबकीय कोर पर चार पोर्ट्स को एकीकृत करता है। यह 50 kHz की स्विचिंग आवृत्ति पर संचालित होता है, जिसमें प्रत्येक पोर्ट 25 kW के लिए रेट किया गया है। पोर्ट कॉन्फिगरेशन एक वास्तविक माइक्रोग्रिड मॉडल का प्रतिनिधित्व करता है, जिसमें बिजली की ग्रिड, ऊर्जा संचयण प्रणाली, प्रतिदीप्ति प्रणाली, और स्थानीय लोड शामिल हैं। ग्रिड पोर्ट 4,160 VAC पर संचालित होता है, जबकि अन्य तीन पोर्ट 400 V पर संचालित होते हैं।
चार-पोर्ट SST
ट्रांसफार्मर डिजाइन
टेबल 1 ट्रांसफार्मर कोर बनाने के लिए विभिन्न सामान्य रूप से उपयोग की जाने वाली सामग्रियों को दिखाता है, साथ ही उनके फायदे और नुकसान। लक्ष्य एक सामग्री का चयन करना है जो 50 kHz की संचालन आवृत्ति पर प्रत्येक पोर्ट पर 25 kW का समर्थन कर सके। व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ट्रांसफार्मर कोर सामग्रियों में सिलिकॉन स्टील, अमोर्फस इंटरमेटल, फेराइट, और नैनोक्रिस्टैलिन शामिल हैं। लक्ष्य अनुप्रयोग—50 kHz पर संचालित होने वाला चार-पोर्ट ट्रांसफार्मर, प्रत्येक पोर्ट 25 kW के लिए—के लिए सबसे उपयुक्त कोर सामग्री की पहचान की जानी चाहिए। टेबल के विश्लेषण से, नैनोक्रिस्टैलिन और फेराइट दोनों को शॉर्टलिस्ट के रूप में चुना गया है। हालांकि, नैनोक्रिस्टैलिन 20 kHz से अधिक स्विचिंग आवृत्तियों पर उच्च पावर नुकसान दिखाता है। इसलिए, फेराइट को अंततः ट्रांसफार्मर के कोर सामग्री के रूप में चुना गया है।
अलग-अलग कोर सामग्रियाँ और उनकी विशेषताएँ
ट्रांसफार्मर कोर डिजाइन भी महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह संक्षिप्तता, पावर घनत्व, और कुल आकार पर प्रभाव डालता है—लेकिन सबसे महत्वपूर्ण रूप से, यह ट्रांसफार्मर की लीकेज इंडक्टेंस पर प्रभाव डालता है। 330-किलोवाट, 50-हर्ट्ज दोहरे-पोर्ट ट्रांसफार्मर के लिए, कोर-टाइप और शेल-टाइप जैसे कोर आकारों की तुलना की गई है, जो दिखाता है कि शेल-टाइप कॉन्फिगरेशन कम लीकेज इंडक्टेंस और चालक पावर फ्लो प्रदान करता है। इसलिए, शेल-टाइप कॉन्फिगरेशन का उपयोग किया जाएगा, जिसमें ट्रांसफार्मर के केंद्रीय लिम्ब पर सभी चार वाइंडिंग एकाकी रूप से स्टैक की जाएंगी, जिससे कप्लिंग गुणांक में सुधार होगा।
शेल-टाइप कोर का माप 186×152×30 mm है, और उपयोग किए जाने वाला फेराइट सामग्री 3C94 है, जो 4xU93×76×30 mm कॉन्फिगरेशन में है। मध्य-वोल्टेज (MV) और उच्च-करंट पोर्ट के लिए वाइंडिंग के लिए Litz तार का उपयोग किया जाता है, जो क्रमशः 3.42 A और 62.5 A के लिए रेट किया गया है। निम्न-वोल्टेज (LV) पोर्ट के लिए, 16 AWG और 4 AWG तारों का उपयोग किया जाता है। LV वाइंडिंग को एक साथ ट्विस्ट करके चुंबकीय कप्लिंग में सुधार किया जाता है।
प्रस्तावित MV MPSST डिजाइन को पूरा करने के बाद, Maxwell-3D/Simplorer सिमुलेशन किए जाते हैं। मध्य-वोल्टेज ग्रिड, ऊर्जा संचयण, लोड, और प्रतिदीप्ति प्रणालियों के लिए पोर्ट वोल्टेज क्रमशः 7.2 kVDC और 400 VDC पर सेट किए जाते हैं। सिमुलेशन पूर्ण लोड के तहत किए जाते हैं, जिसमें लोड पोर्ट 50 kHz की स्विचिंग आवृत्ति और 50% ड्यूटी साइक्ल पर 25 kW प्रदान करता है। पावर नियंत्रण कन्वर्टर सेलों के बीच फेज शिफ्ट को समायोजित करके प्राप्त किया जाता है। परिणाम टेबल में प्रस्तुत किए जाते हैं। विभिन्न मॉडल जैसे विशिष्टताओं को दिखाते हैं जैसे कोर आकार, क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र, नुकसान, और आयतन। टेबल में दिखाया गया है, मॉडल 7 कम लीकेज इंडक्टेंस और उच्च दक्षता प्रदर्शित करता है।
मॉडल और सिमुलेशन परिणाम
प्रयोगात्मक सेटअप
कोर का निर्माण चार U-आकार के कोरों को एक लेयर में जोड़कर किया जाता है। पूरा कोर तीन लेयरों से बना होता है, जिसमें केंद्रीय लिम्ब पर वाइंडिंग रखी जाती है। तीन निम्न-वोल्टेज (LV) पोर्ट वाइंडिंग को एक साथ वाइंड किया जाता है ताकि कप्लिंग में सुधार हो सके। प्रस्तावित ट्रांसफार्मर की परीक्षा के लिए एक दोहरी एक्टिव ब्रिज (DAB) कन्वर्टर डिजाइन किया गया है। कन्वर्टर डिजाइन में SiC MOSFETs का उपयोग किया गया है। मध्य-वोल्टेज (MV) पोर्ट के लिए, SiC डायोडों का उपयोग करके एक रेक्टिफायर ब्रिज लागू किया गया है, जो 7.2 kV को संभालने वाले एक रेझिस्टिव लोड बैंक से भी जुड़ा हुआ है।
निष्कर्ष
यह पेपर माइक्रोग्रिड अनुप्रयोगों में चार अलग-अलग स्रोतों या लोडों के एकीकरण को सक्षम बनाने वाले एक चार-पोर्ट मध्य-वोल्टेज बहु-पोर्ट सॉलिड-स्टेट ट्रांसफार्मर (MV MPSST) के डिजाइन पर केंद्रित है। ट्रांसफार्मर का एक पोर्ट 4.16 kV AC के लिए एक मध्य-वोल्टेज (MV) पोर्ट है। विभिन्न ट्रांसफार्मर मॉडल और कोर सामग्रियों की समीक्षा की गई है। ट्रांसफार्मर डिजाइन के अलावा, MV और LV पोर्टों के लिए परीक्षण सेटअप विकसित किए गए हैं। प्रयोगात्मक प्रमाणिकरण में 99% की दक्षता प्राप्त की गई है।
