Огляд топології та застосувань керування силовими електронними трансформаторами середньої та високої напруги II

2 Вибір загальної структури ПЕТ

Топології ПЕТ дуже різняться. За кількістю каскадів перетворення енергії їх можна класифікувати на однокаскадні, двокаскадні та трикаскадні типи [7]. Двокаскадні структури включають ті, що мають високовольтні та низьковольтні шини постійного струму, як показано на рисунку 1.

В одноступеневих ПЕТ (рис. 1(a)) середньо/високочастотна Ізоляційний трансформатор з'єднує перетворювачі змінного струму (AC/AC) з обох сторін. Первинний перетворювач змінного струму (AC/AC) модулює вхідну напругу змінного струму лінійної частоти у високочастотну змінну напругу, яка подається через трансформатор, а потім перетворюється назад у напругу змінного струму вторинним перетворювачем AC/AC. Однокаскадні ПЕТ мають менше каскадів перетворення та менше компонентів, високий ККД та високу щільність потужності. Однак відсутність шини постійного струму робить їх непридатними для гібридних мереж змінного/постійного струму, а керування розв'язкою потужності є складним.

Двоступеневі ПЕТ мають шину постійного струму як на стороні високої, так і на стороні низької напруги. Топологія з одного боку ізоляційного трансформатора нагадує топологію одноступеневого ПЕТ, тоді як інша сторона підключається до шини постійного струму через кола змінного/постійного струму або постійного/змінного струму (рис. 1(c) та рис. 1(d)). Завдяки високовольтним або низьковольтним ланкам постійного струму двоступеневі ПЕТ можуть підключатися до мереж постійного струму середньої/високої напруги на стороні високої напруги або до фотоелектричних/накопичувальних систем на стороні низької напруги. Однак активна потужність, що передається перетворювачами з обох боків ізоляційного трансформатора, дуже чутлива до параметрів індуктивності розсіювання трансформатора. Крім того, конденсатор шини постійного струму зазнає значних коливань напруги подвійної лінійної частоти, а коливання струму перетворювача є великими [7], що ускладнює керування.

Трикаскадні ПЕТ (рис. 1(b)) мають шини постійного струму як на стороні високої, так і на стороні низької напруги. Вхідний змінний струм лінійної частоти випрямляється на шину постійного струму високої напруги за допомогою перетворення змінного/постійного струму, модулюється у високочастотні прямокутні хвилі, подається на сторону низької напруги через трансформатор середньої/високої частоти, випрямляється на шину постійного струму низької напруги і, нарешті, інвертується до змінної напруги лінійної частоти за допомогою перетворення постійного/змінного струму. Трикаскадні ПЕТ можуть підключатися як до високої, так і до низьковольтних систем постійного струму. Керування кожним каскадом перетворення є відносно незалежним, що полегшує розв'язку та компенсацію. Однак, кілька каскадів перетворення призводять до найскладнішої структури. Завдяки багатокаскадній конструкції, трикаскадні топології ПЕТ легше досягають каскадування на стороні високої напруги та паралельного з'єднання на стороні низької напруги, задовольняючи потреби застосувань середньої/високої напруги. Таким чином, трикаскадні топології є найбільш широко використовуваними в дослідженнях та застосуваннях ПЕТ середньої/високої напруги.

Для ПЕТ у системах середньої/високої напруги низьковольтна сторона має низькі рівні напруги з мінімальними обмеженнями напруги пристроїв. Навпаки, каскад випрямлення високої напруги та каскад проміжної ізоляції стикаються з високими рівнями напруги, що накладає суворіші вимоги на топології схем та пристрої. Існуючі дослідження зосереджені на двох напрямках: ① Нові топології та методи керування для ПЕТ середньої/високої напруги на основі існуючих номінальних напруг пристроїв; ② Топології та керування ПЕТ з використанням нових високовольтних пристроїв, таких як пристрої SiC на 10 кВ [8, 9]. Однак високовольтні пристрої SiC все ще перебувають на стадії лабораторних досліджень та розробок, а комерційні пристрої ще не можуть відповідати вимогам до напруги. Тому для задоволення вимог до високої вхідної напруги використовуються багатомодульні каскадні або одномодульні багаторівневі топології. Типові топології показані на рисунку 2, проаналізовані в розділі 3.