Desain Transformer Padat dengan Empat Port: Solusi Integrasi Efisien untuk Mikrogrid

Penggunaan elektronik daya dalam industri semakin meningkat, mulai dari aplikasi skala kecil seperti pengisi daya baterai dan driver LED, hingga aplikasi skala besar seperti sistem fotovoltaik (PV) dan kendaraan listrik. Secara umum, sistem daya terdiri dari tiga bagian: pembangkit listrik, sistem transmisi, dan sistem distribusi. Secara tradisional, trafo frekuensi rendah digunakan untuk dua tujuan: isolasi listrik dan penyesuaian tegangan. Namun, trafo 50/60-Hz cenderung besar dan berat. Konverter daya digunakan untuk memungkinkan kompatibilitas antara sistem daya baru dan lama, dengan memanfaatkan konsep trafo padat (SST). Dengan menggunakan konversi daya frekuensi tinggi atau menengah, SST mengurangi ukuran trafo dan menawarkan kepadatan daya yang lebih tinggi dibandingkan trafo konvensional.

Kemajuan dalam material magnetik—dengan flux density tinggi, kapabilitas daya dan frekuensi tinggi, serta kerugian daya rendah—telah memungkinkan peneliti untuk mengembangkan SST dengan kepadatan daya dan efisiensi tinggi. Dalam sebagian besar kasus, penelitian fokus pada trafo dual-winding tradisional. Namun, integrasi yang semakin meningkat dari pembangkitan terdistribusi, bersama dengan pengembangan jaringan pintar dan mikrogrid, telah mengarah pada konsep multi-port solid-state transformer (MPSST).

Di setiap port konverter, digunakan konverter dual active bridge (DAB), yang memanfaatkan induktansi bocor trafo sebagai induktor konverter. Ini mengurangi ukuran dengan menghilangkan kebutuhan untuk induktor tambahan dan juga mengurangi kerugian. Induktansi bocor tergantung pada penempatan winding, geometri inti, dan koefisien kupon, sehingga membuat desain trafo lebih kompleks. Kontrol pergeseran fase digunakan dalam konverter DAB untuk mengatur aliran daya antar port. Namun, dalam MPSST, pergeseran fase di satu port mempengaruhi aliran daya di port lainnya, meningkatkan kompleksitas kontrol seiring bertambahnya jumlah port. Oleh karena itu, sebagian besar penelitian MPSST fokus pada sistem tiga-port.

Makalah ini fokus pada desain trafo padat untuk aplikasi mikrogrid. Trafo mengintegrasikan empat port pada satu inti magnetik. Operasinya pada frekuensi switching 50 kHz, dengan setiap port berkapasitas 25 kW. Konfigurasi port mewakili model mikrogrid realistis yang mencakup jaringan utilitas, sistem penyimpanan energi, sistem fotovoltaik, dan beban lokal. Port grid beroperasi pada 4,160 VAC, sementara tiga port lainnya beroperasi pada 400 V.

Four-Port SST

Desain Trafo

Tabel 1 menunjukkan berbagai material yang umum digunakan untuk pembuatan inti trafo, beserta kelebihan dan kekurangannya. Tujuannya adalah untuk memilih material yang mampu mendukung 25 kW per port pada frekuensi operasi 50 kHz. Material inti trafo yang tersedia secara komersial termasuk baja silikon, paduan amorf, ferrit, dan nanokristalin. Untuk aplikasi target—trafo empat-port yang beroperasi pada 50 kHz dengan 25 kW per port—material inti yang paling sesuai harus dientifikasi. Dengan menganalisis tabel, baik nanokristalin maupun ferrit dipilih sebagai kandidat potensial. Namun, nanokristalin menunjukkan kerugian daya yang lebih tinggi pada frekuensi switching di atas 20 kHz. Oleh karena itu, ferrit akhirnya dipilih sebagai material inti untuk trafo.

Material Inti Berbeda dan Karakteristiknya

Desain inti trafo juga sangat kritis, karena mempengaruhi kekompakan, kepadatan daya, dan ukuran keseluruhan—namun yang paling penting, mempengaruhi induktansi bocor trafo. Untuk trafo dual-port 330-kW, 50-Hz, bentuk inti seperti core-type dan shell-type telah dibandingkan, menunjukkan bahwa konfigurasi shell-type menawarkan induktansi bocor yang lebih rendah dan aliran daya yang lebih lancar. Oleh karena itu, akan digunakan konfigurasi shell-type, dengan semua empat winding disusun secara konsetris pada anggota tengah trafo, sehingga meningkatkan koefisien kupon.

Inti shell-type memiliki ukuran 186×152×30 mm, dan material ferrit yang digunakan adalah 3C94 dalam konfigurasi 4xU93×76×30 mm. Kawat Litz digunakan untuk winding pada port medium-voltage (MV) dan high-current, masing-masing berkapasitas 3.42 A dan 62.5 A. Untuk port low-voltage (LV), digunakan kawat 16 AWG dan 4 AWG. Menggabungkan LV windings lebih lanjut meningkatkan kupon magnetik.

Setelah menyelesaikan desain MV MPSST yang diusulkan, dilakukan simulasi Maxwell-3D/Simplorer. Tegangan port untuk jaringan medium-voltage, penyimpanan energi, beban, dan sistem fotovoltaik ditetapkan masing-masing pada 7.2 kVDC dan 400 VDC. Simulasi dilakukan dalam kondisi beban penuh, dengan port beban menghasilkan 25 kW pada frekuensi switching 50 kHz dan siklus tugas 50%. Kontrol daya dicapai dengan menyesuaikan pergeseran fase antara sel konverter. Hasilnya disajikan dalam tabel. Model yang berbeda menunjukkan karakteristik yang berbeda-beda seperti bentuk inti, area penampang, kerugian, dan volume. Seperti ditunjukkan dalam tabel, Model 7 menunjukkan induktansi bocor yang lebih rendah dan efisiensi yang lebih tinggi.

Model dan Hasil Simulasi

Setup Eksperimental

Inti dibangun menggunakan empat inti berbentuk U yang dirakit menjadi satu lapisan. Inti lengkap terdiri dari tiga lapisan dengan winding ditempatkan pada anggota tengah. Tiga winding port low-voltage (LV) digulung bersama untuk meningkatkan kupon. Konverter dual active bridge (DAB) didesain untuk menguji trafo yang diusulkan. SiC MOSFET digunakan dalam desain konverter. Untuk port medium-voltage (MV), diimplementasikan jembatan rektifikasi menggunakan dioda SiC, yang juga terhubung ke bank beban resistif berkapasitas 7.2 kV.

Kesimpulan

Makalah ini fokus pada desain trafo padat empat-port medium-voltage multi-port (MV MPSST) yang memungkinkan integrasi empat sumber atau beban yang berbeda dalam aplikasi mikrogrid. Satu port trafo adalah port medium-voltage (MV) berkapasitas 4.16 kV AC. Berbagai model trafo dan material inti telah ditinjau. Selain desain trafo, setup uji juga dikembangkan untuk port MV dan LV. Efisiensi 99% dicapai dalam validasi eksperimental.