Reka Bentuk Penjentera Keadaan Padat Empat Port: Penyelesaian Pengintegrasian Efisien untuk Mikrogrid

Penggunaan elektronik daya dalam industri semakin meningkat, mulai dari aplikasi berskala kecil seperti pengisi baterai dan pemacu LED, hingga aplikasi berskala 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, transformator frekuensi rendah digunakan untuk dua tujuan: isolasi listrik dan penyesuaian tegangan. Namun, transformator 50/60-Hz cenderung besar dan berat. Pengubah daya digunakan untuk memungkinkan kompatibilitas antara sistem daya baru dan lama, dengan memanfaatkan konsep transformator padat (SST). Dengan menggunakan pengubahan daya frekuensi tinggi atau sedang, SST mengurangi ukuran transformator dan menawarkan kepadatan daya yang lebih tinggi dibandingkan transformator konvensional.

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

Di setiap port pengubah, converter dual active bridge (DAB) digunakan, yang memanfaatkan induktansi bocor transformator sebagai induktor pengubah. Ini mengurangi ukuran dengan menghilangkan kebutuhan akan inductor tambahan dan juga menurunkan kerugian. Induktansi bocor bergantung pada penempatan winding, geometri inti, dan koefisien keterkaitan, membuat desain transformator lebih kompleks. Kontrol fase geser digunakan dalam converter DAB untuk mengatur aliran daya antar port. Namun, dalam MPSST, fase geser di satu port mempengaruhi aliran daya di port lain, meningkatkan kompleksitas kontrol seiring bertambahnya jumlah port. Sebagai hasilnya, sebagian besar penelitian MPSST fokus pada sistem tiga-port.

Makalah ini fokus pada desain transformator padat untuk aplikasi mikrogrid. Transformator tersebut mengintegrasikan empat port pada satu inti magnetik. Ia beroperasi pada frekuensi switching 50 kHz, dengan masing-masing port diberi peringkat 25 kW. Konfigurasi port mewakili model mikrogrid realistis yang terdiri dari 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.

Empat-Port SST

Desain Transformator

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

Bahan Inti Berbeda dan Karakteristiknya

Desain inti transformator juga sangat penting, karena mempengaruhi kekompakan, kepadatan daya, dan ukuran keseluruhan—namun yang paling penting, ia mempengaruhi induktansi bocor transformator. Untuk transformator dual-port 330-kW, 50-Hz, bentuk inti seperti tipe-inti dan tipe-cangkang telah dibandingkan, menunjukkan bahwa konfigurasi tipe-cangkang menawarkan induktansi bocor yang lebih rendah dan aliran daya yang lebih lancar. Oleh karena itu, konfigurasi tipe-cangkang akan digunakan, dengan semua empat winding ditumpuk secara konsentris pada cabang tengah transformator, sehingga meningkatkan koefisien keterkaitan.

Inti tipe-cangkang berukuran 186×152×30 mm, dan bahan ferrite yang digunakan adalah 3C94 dalam konfigurasi 4xU93×76×30 mm. Kabel Litz digunakan untuk winding kedua port tegangan menengah (MV) dan arus tinggi, yang masing-masing diberi peringkat 3.42 A dan 62.5 A. Untuk port tegangan rendah (LV), kabel 16 AWG dan 4 AWG digunakan. Menggulung LV winding bersama-sama lebih lanjut meningkatkan keterkaitan magnetik.

Setelah menyelesaikan desain MV MPSST yang diusulkan, simulasi Maxwell-3D/Simplorer dilakukan. Tegangan port untuk grid tegangan menengah, penyimpanan energi, beban, dan sistem fotovoltaik disetel masing-masing pada 7.2 kVDC dan 400 VDC. Simulasi dilakukan dalam kondisi beban penuh, dengan port beban memberikan 25 kW pada frekuensi switching 50 kHz dan siklus kerja 50%. Kontrol daya dicapai dengan menyesuaikan fase geser antara sel-sel pengubah. Hasilnya ditampilkan dalam tabel. Model yang berbeda menunjukkan karakteristik yang berbeda 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

Penyiapan Eksperimen

Inti dibangun menggunakan empat inti berbentuk U yang dirakit menjadi satu lapisan. Inti lengkap terdiri dari tiga lapisan dengan winding ditempatkan pada cabang tengah. Tiga winding port tegangan rendah (LV) digulung bersama untuk meningkatkan keterkaitan. Converter dual active bridge (DAB) didesain untuk menguji transformator yang diusulkan. SiC MOSFET digunakan dalam desain converter. Untuk port tegangan menengah (MV), jembatan rectifier diimplementasikan menggunakan dioda SiC, yang juga terhubung ke bank beban resistif yang diberi peringkat untuk menangani 7.2 kV.

Kesimpulan

Makalah ini fokus pada desain transformator padat empat-port tegangan menengah (MV MPSST) yang memungkinkan integrasi empat sumber atau beban berbeda dalam aplikasi mikrogrid. Satu port transformator adalah port tegangan menengah (MV) yang diberi peringkat 4.16 kV AC. Berbagai model transformator dan bahan inti telah ditinjau. Selain desain transformator, setup uji dikembangkan untuk port MV dan LV. Efisiensi 99% dicapai dalam validasi eksperimental.