Recenzie privind topologia și aplicațiile de control ale transformatoarelor electronice de putere de medie-înaltă tensiune II

2 Selecția structurii generale PET

Topologiile PET variază foarte mult. Pe baza numărului de etape de conversie a energiei, acestea pot fi clasificate în tipuri cu o singură etapă, cu două etape și cu trei etape [7]. Structurile cu două etape includ cele cu magistrale de curent continuu de înaltă tensiune și de joasă tensiune, așa cum se arată în Figura 1.

În PET-urile cu o singură etapă (Fig. 1(a)), o frecvență medie/înaltă Transformator de izolație Conectează convertoarele AC/AC pe ambele părți. Convertorul AC/AC de pe partea primară modulează tensiunea AC de intrare la frecvența de linie în tensiune AC de înaltă frecvență, care este cuplată prin transformator și apoi convertită înapoi în tensiune AC de frecvență de linie de către convertorul AC/AC de pe partea secundară. PET-urile monoetajate au mai puține etape de conversie și mai puține componente, eficiență ridicată și densitate mare de putere. Cu toate acestea, lipsa unei magistrale de curent continuu le face nepotrivite pentru rețelele hibride AC/DC, iar controlul decuplării puterii este complex.

Transformatoarele PET în două etape au o magistrală de curent continuu fie pe partea de înaltă, fie pe cea de joasă tensiune. Topologia de pe o parte a transformatorului de izolare seamănă cu cea a unui PET cu o singură etapă, în timp ce cealaltă parte se conectează la magistrala de curent continuu prin circuite AC/DC sau DC/AC (Fig. 1(c) și Fig. 1(d)). Cu legături de curent continuu de înaltă sau joasă tensiune, PET-urile în două etape se pot conecta la rețele de curent continuu de medie/înaltă tensiune pe partea de înaltă tensiune sau la sisteme fotovoltaice/de stocare pe partea de joasă tensiune. Cu toate acestea, puterea activă transferată de convertoare pe ambele părți ale transformatorului de izolare este foarte sensibilă la parametrii inductanței de scurgere ai transformatorului. În plus, condensatorul magistralei de curent continuu prezintă fluctuații semnificative de tensiune pe două linii, iar fluctuațiile de curent ale convertorului sunt mari [7], ceea ce face ca controlul să fie dificil.

PET-urile cu trei etape (Fig. 1(b)) au magistrale de curent continuu atât pe partea de înaltă, cât și pe cea de joasă tensiune. Curentul alternativ de intrare la frecvența de linie este rectificat la o magistrală de curent continuu de înaltă tensiune prin conversie AC/DC, modulat în unde pătrate de înaltă frecvență, cuplat la partea de joasă tensiune printr-un transformator de medie/înaltă frecvență, rectificat la o magistrală de curent continuu de joasă tensiune și, în final, inversat la tensiune alternativă la frecvența de linie prin conversie DC/AC. PET-urile cu trei etape se pot conecta atât la sisteme de curent continuu de înaltă, cât și la cele de joasă tensiune. Controlul fiecărei etape de conversie este relativ independent, facilitând decuplarea și controlul compensării. Cu toate acestea, etapele multiple de conversie au ca rezultat cea mai complexă structură. Datorită designului multi-etajat, topologiile PET cu trei etape realizează mai ușor cascadarea pe partea de înaltă tensiune și paralelizarea pe partea de joasă tensiune, satisfăcând nevoile aplicațiilor de medie/înaltă tensiune. Astfel, topologiile cu trei etape sunt cele mai utilizate în cercetarea și aplicațiile PET de medie/înaltă tensiune.

Pentru PET-urile în aplicații de medie/înaltă tensiune, partea de joasă tensiune are niveluri de tensiune scăzute, cu constrângeri minime de tensiune a dispozitivului. În schimb, etapa de rectificare de înaltă tensiune și etapa de izolare intermediară se confruntă cu niveluri de tensiune ridicate, impunând cerințe mai stricte asupra topologiilor de circuite și dispozitivelor. Cercetările existente se concentrează pe două direcții: ① Noi topologii și metode de control pentru PET-uri de medie/înaltă tensiune, bazate pe valorile nominale de tensiune existente ale dispozitivelor; ② Topologii și controale PET care utilizează noi dispozitive de înaltă tensiune, cum ar fi dispozitivele SiC de 10kV [8, 9]. Cu toate acestea, dispozitivele SiC de înaltă tensiune se află încă în faza de cercetare și dezvoltare în laborator, iar dispozitivele comerciale nu pot încă îndeplini cerințele de tensiune. Prin urmare, se utilizează topologii multi-modul în cascadă sau multi-nivel cu un singur modul pentru a îndeplini cerințele de tensiune de intrare ridicată. Topologiile tipice sunt prezentate în Figura 2, analizate în Secțiunea 3.