Przegląd topologii i zastosowań sterowania transformatorami elektronicznymi średniego i wysokiego napięcia II

2 Wybór ogólnej struktury PET

Topologie PET są bardzo zróżnicowane. W zależności od liczby etapów konwersji energii można je podzielić na jednostopniowe, dwustopniowe i trzystopniowe [7]. Struktury dwustopniowe obejmują te z szynami prądu stałego wysokiego i niskiego napięcia, jak pokazano na rysunku 1.

W przypadku jednoetapowych PET (ryc. 1(a)), średnia/wysoka częstotliwość Transformator izolacyjny Łączy przetwornice AC/AC po obu stronach. Przetwornica AC/AC po stronie pierwotnej moduluje wejściowe napięcie przemienne o częstotliwości sieciowej na napięcie przemienne o wysokiej częstotliwości, które jest przesyłane przez transformator, a następnie ponownie konwertowane na napięcie przemienne o częstotliwości sieciowej przez przetwornicę AC/AC po stronie wtórnej. Jednostopniowe przetwornice PET mają mniej stopni konwersji i mniej komponentów, wysoką sprawność i dużą gęstość mocy. Jednak brak szyny DC sprawia, że ​​nie nadają się one do hybrydowych sieci AC/DC, a sterowanie odsprzęganiem mocy jest skomplikowane.

Dwustopniowe PET posiadają szynę DC po stronie wysokiego lub niskiego napięcia. Topologia po jednej stronie transformatora izolacyjnego przypomina topologię jednostopniowego PET, podczas gdy druga strona łączy się z szyną DC za pomocą obwodów AC/DC lub DC/AC (rys. 1(c) i rys. 1(d)). Dzięki połączeniom DC wysokiego lub niskiego napięcia, dwustopniowe PET mogą łączyć się z sieciami DC średniego/wysokiego napięcia po stronie wysokiego napięcia lub z systemami fotowoltaicznymi/magazynu energii po stronie niskiego napięcia. Jednak moc czynna przesyłana przez przetwornice po obu stronach transformatora izolacyjnego jest bardzo wrażliwa na parametry indukcyjności upływu transformatora. Ponadto kondensator szyny DC podlega znacznym wahaniom napięcia o częstotliwości podwójnej linii, a wahania prądu przetwornicy są duże [7], co utrudnia sterowanie.

Trójstopniowe układy PET (rys. 1(b)) posiadają szyny prądu stałego zarówno po stronie wysokiego, jak i niskiego napięcia. Prąd przemienny o częstotliwości sieciowej jest prostowany do szyny prądu stałego wysokiego napięcia poprzez konwersję AC/DC, modulowany do postaci fal prostokątnych o wysokiej częstotliwości, sprzężony ze stroną niskiego napięcia poprzez transformator średniej/wysokiej częstotliwości, prostowany do szyny prądu stałego niskiego napięcia i ostatecznie odwracany do napięcia przemiennego o częstotliwości sieciowej poprzez konwersję DC/AC. Trójstopniowe układy PET mogą łączyć się zarówno z systemami prądu stałego wysokiego, jak i niskiego napięcia. Sterowanie każdym stopniem konwersji jest stosunkowo niezależne, co ułatwia odsprzęganie i kontrolę kompensacji. Jednak wiele stopni konwersji skutkuje najbardziej złożoną strukturą. Ze względu na wielostopniową konstrukcję, trójstopniowe topologie PET łatwiej osiągają kaskadowanie po stronie wysokiego napięcia i pracę równoległą po stronie niskiego napięcia, spełniając potrzeby aplikacji średniego/wysokiego napięcia. Dlatego też trójstopniowe topologie są najszerzej stosowane w badaniach i aplikacjach PET średniego/wysokiego napięcia.

W przypadku PET w zastosowaniach średniego/wysokiego napięcia, strona niskiego napięcia charakteryzuje się niskimi poziomami napięcia przy minimalnych ograniczeniach napięciowych urządzenia. Natomiast stopień prostowania wysokiego napięcia i pośredni stopień izolacji charakteryzują się wysokimi poziomami napięcia, co nakłada surowsze wymagania na topologie obwodów i urządzenia. Aktualne badania koncentrują się na dwóch kierunkach: ① Nowe topologie i metody sterowania dla PET średniego/wysokiego napięcia w oparciu o istniejące parametry napięciowe urządzeń; ② Topologie i sterowanie PET z wykorzystaniem nowych urządzeń wysokiego napięcia, takich jak urządzenia SiC 10 kV [8, 9]. Jednakże urządzenia SiC wysokiego napięcia są nadal w fazie badań i rozwoju laboratoryjnego, a urządzenia komercyjne nie mogą jeszcze spełnić wymagań napięciowych. Dlatego w celu spełnienia wymagań wysokiego napięcia wejściowego stosuje się kaskadowe topologie wielomodułowe lub wielopoziomowe topologie jednomodułowe. Typowe topologie przedstawiono na rysunku 2, przeanalizowanym w rozdziale 3.