ترانسفورماتور حالت جامد
ترانسفورماتور حالت جامد
1- مقدمه
شبکههای مدرن انرژی الکتریکی مشتمل بر انواع تولیدکننده‌های توان الکتریکی می‌باشند. این انواع جدید دارای خروجیهای توان به شکلهای مختلفی هستند و بنابراین برای اتصال به شبکه نیاز به استفاده از مبدلهای توان دارند. مبدلهای بکار رفته در مزارع بادی و خورشیدی نمونه‌ای از این موارد هستند. از طرف دیگر توجه به شبکههای هوشمند و لزوم ایجاد انعطاف بیشتر در شبکه با استفاده از ترانسفورماتورهای سنتی دارای محدودیت‌های بسیاری است. ورود انواع جدید مبدلهای توان و مبحث شبکههای هوشمند، محققان را به سمت نسل جدید ترانسفورماتورها که ترانسفورماتور حالت جامد (SST) نامیده می‌شوند، سوق داده است. این ترانسفورماتورها مشتمل بر مدارات الکترونیک قدرت بوده و قابلیت مانور و کنترل شبکه را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند. علاوه بر موارد قبلی بهبود راندمان انتقال انرژی و کیفیت توان نیز با استفاده از فنّاوری جدید ترانسفورماتور حالت جامد مهیا می‌گردد.
SST، شامل یک یا چند مبدل الکترونیک قدرت و یک ترانسفورماتور یکپارچه فرکانس بالاست. ساختار کلی ترانسفورماتور حالت جامد به‌صورت شکل (1) میباشد. این تجهیز در مقالات و کارهای تحقیقاتی متفاوتی مورد بررسی قرار گرفته است [2-4,8]. به دلیل محدودیت ولتاژ نامی کلیدهای نیمه‌هادی قدرت، تعداد طبقات سری در این مبدلها بالا است. گروه تحقیقاتی آزمایشگاه سیستمهای الکترونیک قدرت دانشگاه ETH با کار بر روی یک ترانسفورماتور حالت جامد با ظرفیت 1 MVA، اقدام به طراحی و ساخت نمونه آزمایشگاهی کرده است [3]. از طرف دیگر با معرفی فناوری سیلیکون کاربید (SIC) برای کلیدهای نیمه‌هادی قدرت و ارائه کلیدهای تا ده کیلوولت، نمونه‌ای با تعداد طبقات کمتر و پیچیدگی پایین‌تر نیز طراحی و ساخته شده است .[4,5]
شکل (1): ساختار کلی ترانسفورماتور حالت جامد [8]
2- مفاهیم اساسی در ترانسفورماتور حالت جامد
مرجع‌های [9,10] ساختارهای گوناگونی را برای SST معرفی نموده‌اند که می‌توان آن‌ها را به 4 دسته کلی تقسیم نمود. از میان این چهار دسته، ساختار معرفی‌شده در شکل (2) به دلیل برخورداری از ویژگی‌های بیشتر نسبت به ساختارهای دیگر مناسب‌تر به نظر می‌رسد. این ساختار دارای یک مبدل AC-DC در طبقه یکسوساز، یک مبدل DC-DC همراه با یک ترانسفورماتور فرکانس بالا برای ایزولاسیون و کاهش سطح ولتاژ در طبقه میانی و یک مبدل DC-AC در طبقه اینورتر است. طبقه اینورتر وظیفه تأمین ولتاژ AC با دامنه و فرکانس مطلوب را بر عهده دارد. با توجه به وجود اصلاح‌کننده ضریب توان در طبقه یکسوساز، ضریب توان ورودی ترانسفورماتور حالت جامد، واحد میباشد و از طرفی وجود باس DC و خازنهای ذخیره‌ساز انرژی در این تجهیز، سبب میشود خروجی آن تا حد زیادی از افت ولتاژ و اضافه ولتاژها تأثیر نپذیرد و امکان اتصال منابع تولید پراکنده به‌منظور افزایش قابلیت اطمینان سیستم توزیع فراهم شود [1].
شکل (2): ساختار کلی ترانسفورماتور حالت جامد مورد بررسی
2-1- مقایسه با ترانسفورماتور سنتی و کاربردها
ترانسفورماتور فرکانس پایین به دلیل برخورداری از ویژگیهایی همچون قابلیت اطمینان بالا و هزینه پایین به‌طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد و هرگونه بهبود در کارایی این تجهیز نیازمند صرف هزینه زیادی است. نکته حائز اهمیت این است که ترانسفورماتور حالت جامد دقیقاً جایگزین ترانسفورماتور فرکانس پایین نیست بلکه یک تجهیز چندکاره است که تنها یکی از قابلیت‌های آن تبدیل یک سطح ولتاژ AC به سطح ولتاژی دیگر است. سایر کارکردها و مزایای SST عبارت‌اند از [11,12] و [1]:
· کنترلپذیری بالا با توجه به استفاده از ادوات الکترونیک قدرت
· حجم و وزن کمتر به دلیل استفاده از ترانسفورماتور فرکانس بالا
تلفات SST حدود سه برابر ترانسفورماتور معمولی است. این محاسبه بدون در نظر گرفتن کاهش تلفات شبکه ناشی از عملکرد SST در حذف هارمونیک‌ها و عدم تعادل محاسبهشده است. در یک دید کلی و با در نظر گرفتن تلفات کل شبکه، ممکن است وجود SST به کاهش تلفات منجر شود. از طرف دیگر، حجم یک SST نسبت به ترانسفورماتور معمولی مشابه حدود %20 کمتر است. اما از لحاظ وزن هر دو تجهیز تقریباً یکسان هستند [3].
کاربرد SST در برخی زمینه‌ها بسیار جذاب‌تر از ترانسفورماتور سنتی میباشد. برخی از مهم‌ترین کاربردهای ترانسفورماتور حالت جامد در صنعت و شبکه قدرت عبارت‌اند از [13,14,16] و [1]:
· استفاده در سیستمهای کششی
· کاربرد در سیستمهای تولید انرژی در دریا
· اتصال SST بین منبع و بار یا شبکه توزیع (شکل (3- الف و ب )
· اتصال بین دو شبکه توزیع (شکل (3- ج )
· اتصال بین شبکههای فشار متوسط و فشار ضعیف (شکل (3- د )
· اتصال بین شبکه فشار متوسط و بارها (شکل (3- و )
· اتصال بین تولید پراکنده و شبکههای هوشمند (شکل (3- ی )
شکل (3): کاربرد SST در شبکه قدرت [1]
2-2- آرایش مورد بررسی
ساختار در نظر گرفته برای ترانسفورماتور حالت جامد مشابه شکل (2) میباشد. این ساختار که دارای دو لینک DC میباشد، به دلیل قابلیت انعطاف و عملکرد کنترلی بالا، امکان کنترل مستقل توان راکتیو و رفع مشکل افت ولتاژ ورودی، از برتری ویژهای نسبت به سایر ساختارها برخوردار است. این ساختار همچنین برای کنترل بهتر ولتاژ و جریان در هر دو سمت اولیه و ثانویه مناسب است [9].
طبقه یکسوساز ورودی: این طبقه دارای یک سمت AC فشار متوسط و یک سمت DC است. آرایش مورد استفاده در این طبقه از نوع مبدلهای چند سطحی انتخاب شده است. این مبدلها به هر سطح ولتاژ مطلوب، مقیاس‌پذیر هستند اما مدارهای آن‌ها پیچیده است و چالش‌هایی در مسیر پیادهسازی و کنترل آن‌ها وجود دارد. مبدلهای پل H آبشاری[1] (CHB) در این مقاله بهعنوان طبقه یکسوساز در نظر گرفته شده است.
آرایش پل H آبشاری، دارای ساختاری ماژولار، کنترل تعادل ولتاژ ساده و کنترل ساده میباشد. این حقیقت که CHB توانایی دستیابی به ولتاژهای بالای لینک DC را ندارد برای این کاربرد محدودیتی محسوب نمی‌شود چراکه در اینجا هدف تنها تمرکز بر اتصال میان دو ولتاژ AC است [8]. بنابراین، با توجه به مزایای CHB این ساختار مناسب‌ترین ساختار برای طبقه تبدیل AC-DC در SST میباشد.
روش مدولاسیون PWM با جابجایی فاز[2] (PS-PWM) برای این طبقه به کار رفته است.
طبقه میانی: طبقهی میانی ترانسفورماتور حالت جامد، یک مبدلDC بهDC است که در شکل (2) نشان داده شده است؛ این طبقه میتواند به سه قسمت تقسیم شود:
· یک مبدل DC به AC در ورودی
· یک ترانسفورماتور فرکانس بالا[3] (HF) در قسمت میانی
· یک مبدل AC به DC در خروجی
آرایش مبدل پل فعال دوگانه تک فاز[4] (DAB) برای این طبقه به کار رفته است. طبقه DAB تک فاز راندمان بالایی دارد درحالیکه تعداد عناصر پسیو کمی نیز دارد؛ بنابراین میتواند بهعنوان مبدل DC-DC ترانسفورماتور حالت جامد قرار گیرد [8]. روش مدولاسیون جابهجایی فاز برای این طبقه در نظر گرفته شده است. مدولاسیون جابجایی فاز به‌سادگی قابل پیادهسازی است و جریان مؤثر پایین آن، به تجهیزات با توان نامی پایین‌تر منجر میشود. باوجود بالا بودن تلفات خاموش شدن، مزایای مذکور استفاده از این روش مدولاسیون را گسترش داده است [8]. به همین دلیل مدولاسیون جابجایی فاز مناسب‌ترین روش برای کنترل DAB است.
طبقه اینورتر: طبقه اینورتر SST یک مبدل DC-AC است که خروجی DC طبقه میانی را به ولتاژ AC تبدیل می‌کند. ازآنجاکه این طبقه در ولتاژ پایین کار می‌کند، استفاده از مبدل منبع ولتاژ دوسطحی[5] (2L-VSC) عملی‌تر از اینورتر چند سطحی است. دلایل این مسئله قیمت پایین‌تر، مدار ساده‌تر و استفاده از فناوری پذیرفته شده‌تر است. بهترین ساختار برای این طبقه، مبدل سه فاز چهار ساق[6] یا 3P4L میباشد. روش مدولاسیون پهنای پالس پیوسته[7] (CPWM) مورد استفاده میباشد [8].
نویسنده: مهندس مهدی زارعی کارشناس شرکت ابزارآزما
مراجع
]1[ جاوید خراسانی، مرتضی شفیعی، حامد ملااحمدیان، محمد حسینی ابرده، مهدی علومی، "ترانسفورماتور حالت جامد"، فصلنامه علمی آموزشی پژوهشی عصر برق، سال سوم، شماره 4، صفحه ]13-7[، انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران شاخه خراسان، بهار 1395.
[2] L. Heinemann, G. Mauthe, “The universal power electronics based distribution transformer, an unified approach”, IEEE 32nd Annual Power Electron Spec Conf (IEEE Cat. No.01CH37230), 2014.
[3] J. E. Huber, J.W. Kolar, “Volume / Weight / Cost Comparison of a 1MVA 10kV/400V Solid-State against a Conventional Low-Frequency Distribution Transformer”, Proceedings of the IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Pittsburgh, PA, USA, September 14-18, 2014.
[4] M. Liserre, G. Buticchi, M. Andresen, G. I. D. Carne, L. Ferreira Costa, Z. X. Zou, “The Smart Transformer Impact on the Electric Grid and Technology Challenges”, IEEE industrial electronics magazine, Jun 2016.
[5] B. D. Reddy, S. K. Sahoo, “Design of Solid State Transformer”, International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, vol. 4, no. 1, 2015.
[6] H. Abu. Rub, J. Holtz, J. Rodriguez, “Medium-Voltage Multilevel Converters State of the Art, Challenges, and Requirements in Industrial Applications”, IEEE Transaction Industrial Electronics ,Aug 2010.
[7] M. Malinowski, K. Gopakumar, J. Rodriguez, M. A. Perez, “A Survey on Cascaded Multilevel Inverters”, IEEE Transaction Industrial Electronic, 2010.
[8] Vahid Najmi, “Modeling, Control and Design Considerations for Modular Multilevel Converters”, MS Thesis, Virginia Polytechnic Institute, USA, May 2015
زير‌نويس‌ها
مقالات
