مقایسه ترانس حالت جامد با ترانس فرکانس پایین

---

---

1-1          مقایسه ترانسفورماتور معمولی فرکانس پایین با SST

با­اینکه ایده اولیه ترانسفورماتور الکترونیکی در اوایل دهه 1970 مطرح شد، فناوری‌های لازم برای پیاده­سازی این طرح تا ابتدای قرن بیست‌ویک در دسترس نبود. تحقیقات انجام­شده در یک دهه گذشته نشان می‌دهد که فناوری الکترونیک قدرت عملکرد LFT را بهبود می‌بخشد اما به­طور کامل جایگزین آن نمی‌شود.

در این بخش نتایج مقایسه یک SST سه ‌فاز V400 kV/10 با توان ظاهری kVA 1000 با ترانسفورماتور معمولی فرکانس پایین ارائه شده ‌است. چهار شاخص برای مقایسه مورد توجه قرار گرفته‌اند:

1.       وزن

2.       حجم

3.       قیمت مواد: بدون هزینه نیروی انسانی، سود و ...

4.       تلفات

مقایسه با در نظر گرفتن SST به­تنهایی و بدون تأثیرات آن بر عملکرد شبکه انجام­شده ‌است.

1-1-1         ترانسفورماتور معمولی (LFT[1])

رابطه بین وزن، حجم و توان نامی ترانسفورماتورهای معمولی بر اساس برگه مشخصات ارائه شده توسط سازندگان در شکل ‏2‑4 نشان داده ­شده است. همانگونه که مشاهده می‌شود، رابطه‌ای خطی بین توان نامی، وزن و حجم این تجهیزات وجود دارد. جدول ‏2‑1 مشخصات یک ترانسفورماتور kVA 1000 فرکانس پایین را نشان می‌دهد.

 

شکل ‏2‑4 تغییرات (a) وزن و (b) حجم نسبت به توان نامی ترانسفوماتور معمولی

 

جدول ‏2‑1 مشخصات LFT [3]

1-1-2        ترانس حالت جامد (SST)

1-1-2-1       مبدل AC-DC ورودی

ساختار آبشاری در سمت MV در نظر گرفته‌ شده است. مزایای این ساختار شامل موارد زیر است:

1.       افزایش سطح ولتاژ

2.       شکل موج ولتاژ چند طبقه

3.       کاهش نیاز به فیلترینگ

4.       افزایش ماژولاریتی

5.       افزایش redundancy

جنس هسته ترانسفورماتور MF از نوع نانوکریستالاین و نوع سیم پیچ لیتز فرض شده است.

بر اساس ساختار مفروض، راندمان مبدل و ترانسفورماتور سمت MV برابر %98.2 تخمین زده شده است.

1-1-2-2      حجم و وزن

شکل ‏2‑5 رابطه بین حجم مبدل سمت LV را با وزن و قیمت آن نشان می‌دهد. نتایج با توجه به محصولات تولیدکنندگان مختلف جمع آوری شده است.

شکل ‏2‑5 وابستگی(a) وزن نسبت به حجم کابین و (b) قیمت کابین به حجم بخش فعالSST

 

در جدول ‏2‑2 راندمان، تلفات، حجم، وزن و قیمت بخش‌های مختلف SST و ترانسفورماتور معمولی مقایسه شده است. 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 ازلحاظ وزن هر دو تجهیز تقریباً یکسان هستند.

 

جدول ‏2‑2 مقایسه راندمان، تلفات، حجم، وزن و قیمت ترانسفورماتور معمولی و SST [3]

 

عمده حجم SST مربوط به عناصر پسیو آن از قبیل سلف و خازن فیلتر ورودی است. با افزایش فرکانس کلیدزنی می‌توان عناصر پسیو را کوچک­تر کرد و در نتیجه چگالی انرژی تجهیز را افزایش داد. اما این مسئله منجر به افزایش تلفات کلیدزنی و کاهش راندمان می‌گردد. در شکل ‏2‑6 دیده می‌شود که طراحی منجر به حداکثر راندمان، حداکثر چگالی توان و حداقل هزینه، یکسان نیستند. حداکثر چگالی توان در دسترس با تجهیزات موجود حدود kVA/l 0.9 است. با کاهش فرکانس کلیدزنی، تلفات کاهش

شکل ‏2‑6 رابطه بین چگالی توان، فرکانس کلیدزنی و راندمان SST

می‌یابد و راندمان سیستم تا حداکثر %98.5 بالا می‌رود. اما کاهش فرکانس کلیدزنی منجر به چگالی توان تا kVA/l 0.4 و بنابراین افزایش حجم تجهیز می‌شود. در ساختار SST به طور ذاتی دو باس DC در سمت MV و LV وجود دارد. از طرفی شبکه‌ها، تولید‌کنندگان و مصرف­کنندگان DC بر اساس مفهوم شبکه‌های هوشمند در حال گسترش هستند. بنابراین یک مزیت طبیعی SST را می‌توان امکان تزریق و برداشت توان DC بدون نیاز به مبدل اضافی در نظر گرفت. با توجه به چنین دیدگاهی، در جدول ‏2‑3 مقایسه‌ای بین مشخصات عملکردی SST و ترانسفورماتور معمولی در دوحالت AC-AC (عادی) و AC-DC (در شبکه‌های مدرن) ارائه شده است. در کارکرد AC-DC ترانسفوماتور SST از لحاظ تلفات، حجم و وزن بسیار بهتر از ترانسفورماتور معمولی است، در حالیکه از لحاظ قیمت تفاوت معنی‌داری دیده نمی‌شود. بنابراین در آینده، گسترش تجیهزات DC در شبکه‌های هوشمند مدرن استفاده از SST را مقرون به صرفه‌تر می‌کند. شکل ‏2‑7 نتایج مقایسه سناریوهای ترکیبی را نشان می‌دهد. در شکل ‏2‑7 (a)، تمام ظرفیت SST، مشابه LFT دارای کاربرد AC-AC است. در شکل ‏2‑7 (b)، %50 ظرفیت SST دارای کاربرد AC-AC و %50 ظرفیت دارای کاربرد AC-DC است. در شکل ‏2‑7 (c)، تمام ظرفیت SST دارای کاربرد AC/DC است.

نتایج نشان می‌دهند که با افزایش وزن کارکرد AC-DC، جذابیت ساختار SST بیشتر می‌شود و شاخص‌های عملکردی آن بهبود می‌یابند. تلفات اجزای سیستم در این سه سناریوی مختلف در شکل ‏2‑8 نشان داده­شده است. در عملکرد AC-DC خالص، تلفات SST از ترانسفورماتور معمولی به­علاوه مبدل متصل به آن برای تبدیل AC-DC کمتر است.

جدول ‏2‑3 مقایسه تلفات، قیمت، حجم و وزن LFT و SST در دو حالت کارکرد بین دو سیستم AC و دو سیستم AC و DC [3]

 

شکل ‏2‑7 مقایسه شاخص‌‌های LFT و SST (a) عملکرد AC-AC، (b) %50 عملکرد AC-AC و %50 عملکرد AC-DC، (c) عملکرد AC-DC

شکل ‏2‑8 توزیع تلفات LFT و SST  در سه دیدگاه مختلف (a) عملکرد AC-AC، (b) %50 عملکرد AC-AC و %50 عملکرد AC-DC، (c) عملکرد AC-DC

1-1-3                    جمع­بندی و نتیجه­گیری

اگرچه در یک SST با کاربرد در حوزه حمل و نقل کاهش %50 حجم و افزایش %50 قیمت نسبت به ترانسفورماتور معمولی گزارش شده است، اما در کاربردهای مربوط به شبکه قدرت از آنجا که قیمت SST تا ده برابر ترانسفورماتور معمولی گزارش شده ‌است، این تجهیز نمی‌تواند جایگزین ترانسفورماتورهای معمولی شود. توسعه فناوری‌های نوین منجر به ساخت کلید‌های با سطح تحمل ولتاژ بالاتر شده است، برای مثال یک SST تکفاز V270/kV13.8 که در ساختار آن از کلیدهای سیلیکون کاربید استفاده ­شده ‌است می‌تواند %75 کاهش وزن و %40 کاهش حجم به همراه داشته باشد. اما این فناوری‌ها، هنوز مورد استفاده فراگیر تولیدکنندگان قرار نگرفته‌اند و در آینده نزدیک جایگزین کلیدهای مبتنی بر سیلیکون نمی‌شود.

بنابراین در افق کوتاه مدت و با توجه به شبکه‌های توزیع موجود، استفاده از SST به جای LFT قابل توصیه نیست. کاهش حجم SST نسبت به ترانسفورماتور معمولی در حدود %20 و قیمت آن بیش از 5 برابر است. اما با توسعه میکروگریدها و افزایش نفوذ تجهیزات DC در شبکه، بهره‌برداری از SSTها مقرون‌ به صرفه‌تر خواهد بود.