Közép-nagyfeszültségű elektronikus teljesítménytranszformátorok topológiájának és vezérlési alkalmazásainak áttekintése II.

2 PET általános szerkezetkiválasztás

A PET topológiák széles skálán mozognak. Az energiaátalakítási fokozatok száma alapján egy-, két- és háromfokozatú típusokra oszthatók [7]. A kétfokozatú struktúrák közé tartoznak a nagyfeszültségű és kisfeszültségű egyenáramú sínekkel rendelkezők, ahogy az az 1. ábrán látható.

Egylépcsős PET-ekben (1. ábra (a)), egy közepes/nagyfrekvenciás Leválasztó transzformátor mindkét oldalon AC/AC átalakítókat köt össze. A primer oldali AC/AC átalakító a bemeneti vonali frekvenciájú váltakozó feszültséget nagyfrekvenciás váltakozó feszültséggé modulálja, amelyet a transzformátoron keresztül csatolnak, majd a szekunder oldali AC/AC átalakító visszaalakít vonali frekvenciájú váltakozó feszültséggé. Az egyfokozatú PET-ek kevesebb átalakítási fokozattal és kevesebb alkatrésszel rendelkeznek, nagy hatásfokkal és nagy teljesítménysűrűséggel. Az egyenáramú sín hiánya azonban alkalmatlanná teszi őket hibrid AC/DC hálózatokhoz, és a teljesítményleválasztás vezérlése összetett.

A kétfokozatú PET-ek egyenáramú sínnel rendelkeznek, akár a nagyfeszültségű, akár az alacsony feszültségű oldalon. A leválasztó transzformátor egyik oldalának topológiája hasonlít az egyfokozatú PET-ekéhez, míg a másik oldal AC/DC vagy DC/AC áramkörökön keresztül csatlakozik az egyenáramú sínhez (1. ábra (c) és 1. ábra (d)). Nagyfeszültségű vagy kisfeszültségű egyenáramú kapcsolatok esetén a kétfokozatú PET-ek a nagyfeszültségű oldalon közepes/nagyfeszültségű egyenáramú hálózatokhoz, az alacsony feszültségű oldalon pedig fotovoltaikus/tároló rendszerekhez csatlakozhatnak. Azonban a leválasztó transzformátor mindkét oldalán lévő konverterek által átvitt aktív teljesítmény nagyon érzékeny a transzformátor szivárgási induktivitási paramétereire. Ezenkívül az egyenáramú sín kondenzátora jelentős kettős vonali frekvenciájú feszültségingadozásokat tapasztal, és a konverter áramingadozása nagy [7], ami megnehezíti a vezérlést.

A háromfokozatú PET-ek (1. ábra (b)) mind a nagyfeszültségű, mind az alacsony feszültségű oldalon rendelkeznek egyenáramú sínekkel. A bemeneti vonali frekvenciájú váltakozó áramot AC/DC átalakítással egy nagyfeszültségű egyenáramú sínre egyenirányítják, nagyfrekvenciás négyszöghullámokká modulálják, egy közép-/nagyfrekvenciás transzformátoron keresztül az alacsony feszültségű oldalra csatolják, egyenirányítják egy alacsony feszültségű egyenáramú sínre, és végül DC/AC átalakítással invertálják hálózati frekvenciájú váltakozó feszültséggé. A háromfokozatú PET-ek mind nagy-, mind kisfeszültségű egyenáramú rendszerekhez csatlakoztathatók. Az egyes átalakítási fokozatok vezérlése viszonylag független, ami megkönnyíti a szétkapcsolást és a kompenzáció szabályozását. A több átalakítási fokozat azonban a legösszetettebb struktúrát eredményezi. A többfokozatú kialakításnak köszönhetően a háromfokozatú PET topológiák könnyebben megvalósítják a kaszkádolást a nagyfeszültségű oldalon és a párhuzamosítást az alacsony feszültségű oldalon, kielégítve a közép-/nagyfeszültségű alkalmazások igényeit. Így a háromfokozatú topológiák a legszélesebb körben használtak a közép-/nagyfeszültségű PET kutatásban és alkalmazásokban.

Közepes/nagyfeszültségű alkalmazásokban a PET-ek esetében a kisfeszültségű oldalon alacsony feszültségszintek vannak minimális eszközfeszültség-korlátozások mellett. Ezzel szemben a nagyfeszültségű egyenirányító fokozat és a közbenső leválasztó fokozat magas feszültségszintekkel néz szembe, ami szigorúbb követelményeket támaszt az áramköri topológiákkal és eszközökkel szemben. A meglévő kutatások két irányba összpontosítanak: ① Új topológiák és vezérlési módszerek közepes/nagyfeszültségű PET-ekhez, a meglévő eszközfeszültség-besorolások alapján; ② PET topológiák és vezérlések új nagyfeszültségű eszközök, például 10 kV-os SiC eszközök használatával [8, 9]. A nagyfeszültségű SiC eszközök azonban még mindig laboratóriumi K+F fázisban vannak, és a kereskedelmi forgalomban kapható eszközök még nem tudják teljesíteni a feszültségkövetelményeket. Ezért a többmodulos kaszkádos vagy egymodulos többszintű topológiákat alkalmazzák a magas bemeneti feszültségkövetelmények kielégítésére. A tipikus topológiákat a 2. ábra mutatja, amelyeket a 3. szakaszban elemeztünk.