การออกแบบหม้อแปลงแบบสี่พอร์ตที่เป็นของแข็ง: โซลูชันการผสานรวมอย่างมีประสิทธิภาพสำหรับไมโครกริด

การใช้พลังงานอิเล็กทรอนิกส์ในภาคอุตสาหกรรมกำลังเพิ่มขึ้น ตั้งแต่การใช้งานขนาดเล็ก เช่น ชาร์จแบตเตอรี่และไดรเวอร์ LED ไปจนถึงการใช้งานขนาดใหญ่ เช่น ระบบโฟโตโวลเทีย (PV) และยานพาหนะไฟฟ้า ทั่วไปแล้วระบบพลังงานประกอบด้วยสามส่วน: โรงไฟฟ้า ระบบส่งผ่าน และระบบกระจาย ตามธรรมเนียม ทรานส์ฟอร์เมอร์ความถี่ต่ำถูกใช้เพื่อสองวัตถุประสงค์: การแยกไฟฟ้าและการจับคู่แรงดัน อย่างไรก็ตาม ทรานส์ฟอร์เมอร์ 50/60 Hz มีขนาดใหญ่และหนัก คอนเวอร์เตอร์พลังงานถูกใช้เพื่อให้เข้ากันได้ระหว่างระบบพลังงานใหม่และเก่า โดยอาศัยแนวคิดของทรานส์ฟอร์เมอร์แบบโซลิดสเตต (SST) โดยการใช้การแปลงพลังงานความถี่สูงหรือปานกลาง SST ลดขนาดของทรานส์ฟอร์เมอร์และให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าทรานส์ฟอร์เมอร์แบบดั้งเดิม

การพัฒนาวัสดุแม่เหล็ก—ที่มีความหนาแน่นฟลักซ์สูง ความสามารถในการใช้พลังงานและความถี่สูง และการสูญเสียพลังงานต่ำ—ทำให้นักวิจัยสามารถพัฒนา SST ที่มีความหนาแน่นและประสิทธิภาพสูง ในกรณีส่วนใหญ่ การวิจัยมุ่งเน้นไปที่ทรานส์ฟอร์เมอร์แบบสองวงจร อย่างไรก็ตาม การรวมการผลิตพลังงานแบบกระจาย พร้อมกับการพัฒนาระบบไฟฟ้าอัจฉริยะและไมโครกริด นำไปสู่แนวคิดของทรานส์ฟอร์เมอร์แบบโซลิดสเตตหลายพอร์ต (MPSST)

ที่แต่ละพอร์ตของคอนเวอร์เตอร์ คอนเวอร์เตอร์แบบ dual active bridge (DAB) ถูกใช้ ซึ่งใช้ความเหนี่ยวนำจากการรั่วไหลของทรานส์ฟอร์เมอร์เป็นอินดักเตอร์ของคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งลดขนาดโดยไม่จำเป็นต้องใช้อินดักเตอร์เพิ่มเติมและลดการสูญเสีย ความเหนี่ยวนำจากการรั่วไหลขึ้นอยู่กับตำแหน่งการพันลวด รูปร่างของแกน และค่าสัมประสิทธิ์การคู่ ทำให้การออกแบบทรานส์ฟอร์เมอร์ซับซ้อนขึ้น การควบคุมเฟสเชิฟถูกใช้ในคอนเวอร์เตอร์ DAB เพื่อควบคุมการไหลของพลังงานระหว่างพอร์ต อย่างไรก็ตาม ใน MPSST เฟสเชิฟที่พอร์ตหนึ่งจะส่งผลต่อการไหลของพลังงานที่พอร์ตอื่น ทำให้ความซับซ้อนในการควบคุมเพิ่มขึ้นตามจำนวนพอร์ต ดังนั้น การวิจัยส่วนใหญ่ใน MPSST มุ่งเน้นที่ระบบสามพอร์ต

บทความนี้มุ่งเน้นที่การออกแบบทรานส์ฟอร์เมอร์แบบโซลิดสเตตสำหรับการใช้งานในไมโครกริด ทรานส์ฟอร์เมอร์นี้รวมสี่พอร์ตบนแกนแม่เหล็กเดียว ทำงานที่ความถี่สวิตชิง 50 kHz แต่ละพอร์ตมีกำลัง 25 kW การกำหนดพอร์ตแสดงถึงโมเดลไมโครกริดที่สมจริง ประกอบด้วยระบบไฟฟ้าสาธารณะ ระบบเก็บพลังงาน ระบบโฟโตโวลเทีย และโหลดท้องถิ่น พอร์ตระบบไฟฟ้าทำงานที่ 4,160 VAC ในขณะที่พอร์ตอื่น ๆ ทำงานที่ 400 V

SST สี่พอร์ต

การออกแบบทรานส์ฟอร์เมอร์

ตาราง 1 แสดงวัสดุที่ใช้ในการผลิตแกนทรานส์ฟอร์เมอร์ต่าง ๆ พร้อมข้อดีและข้อเสีย วัตถุประสงค์คือการเลือกวัสดุที่สามารถรองรับ 25 kW ต่อพอร์ตที่ความถี่การทำงาน 50 kHz วัสดุแกนทรานส์ฟอร์เมอร์ที่มีจำหน่ายเชิงพาณิชย์ ได้แก่ เหล็กซิลิคอน อัลลอยแอมอร์ฟัส เฟอร์ไรต์ และนาโนคริสตัล สำหรับการใช้งานเป้าหมาย คือ ทรานส์ฟอร์เมอร์สี่พอร์ตที่ทำงานที่ 50 kHz พร้อมกำลัง 25 kW ต่อพอร์ต วัสดุแกนที่เหมาะสมที่สุดต้องได้รับการระบุ หลังจากวิเคราะห์ตาราง เฟอร์ไรต์และนาโนคริสตัลถูกเลือกเป็นผู้สมัครที่มีศักยภาพ อย่างไรก็ตาม นาโนคริสตัลมีการสูญเสียพลังงานสูงที่ความถี่สวิตชิงมากกว่า 20 kHz ดังนั้น เฟอร์ไรต์ถูกเลือกเป็นวัสดุแกนของทรานส์ฟอร์เมอร์

วัสดุแกนต่าง ๆ และคุณสมบัติ

การออกแบบแกนทรานส์ฟอร์เมอร์ยังสำคัญเพราะส่งผลต่อความกระชับ ความหนาแน่นของพลังงาน และขนาดโดยรวม แต่สิ่งสำคัญที่สุดคือส่งผลต่อความเหนี่ยวนำจากการรั่วไหล สำหรับทรานส์ฟอร์เมอร์สองพอร์ต 330 kW ที่ 50 Hz รูปทรงแกน เช่น แบบแกนและแบบเปลือก ได้ถูกเปรียบเทียบ แสดงให้เห็นว่ารูปทรงแบบเปลือกมีความเหนี่ยวนำจากการรั่วไหลน้อยลงและมีการไหลของพลังงานที่ราบรื่น ดังนั้น จะใช้รูปทรงแบบเปลือก พร้อมการวางวงจรทั้งสี่วงเรียงซ้อนกันบนแขนกลางของทรานส์ฟอร์เมอร์ ทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การคู่เพิ่มขึ้น

แกนแบบเปลือกมีขนาด 186×152×30 มม. และวัสดุเฟอร์ไรต์ที่ใช้คือ 3C94 ในรูปแบบ 4xU93×76×30 มม. สายลิตซ์ถูกใช้ในการพันวงจรทั้งพอร์ตแรงดันปานกลาง (MV) และพอร์ตกระแสสูง ที่มีอัตรากระแส 3.42 A และ 62.5 A ตามลำดับ สำหรับพอร์ตแรงดันต่ำ (LV) ใช้สาย AWG 16 และ AWG 4 ในการพัน สาย LV ที่พันด้วยกันเพิ่มความคู่แม่เหล็ก

หลังจากเสร็จสิ้นการออกแบบ MV MPSST ที่เสนอ ได้มีการทำการจำลองด้วย Maxwell-3D/Simplorer แรงดันพอร์ตสำหรับระบบไฟฟ้าแรงดันปานกลาง ระบบเก็บพลังงาน โหลด และระบบโฟโตโวลเทีย ถูกตั้งค่าที่ 7.2 kVDC และ 400 VDC ตามลำดับ การจำลองดำเนินการภายใต้โหลดเต็ม โดยพอร์ตโหลดส่งมอบ 25 kW ที่ความถี่สวิตชิง 50 kHz และวงจร占位符