Prehľad topológie a aplikácií riadenia výkonových elektronických transformátorov stredného a vysokého napätia II

2 Výber celkovej štruktúry PET

Topológie PET sa značne líšia. Na základe počtu stupňov premeny energie ich možno rozdeliť na jednostupňové, dvojstupňové a trojstupňové typy [7]. Dvojstupňové štruktúry zahŕňajú tie s vysokonapäťovými a nízkonapäťovými jednosmernými zbernicami, ako je znázornené na obrázku 1.

V jednostupňových PET (obr. 1(a)) sa používa stredno/vysokofrekvenčný Izolačný transformátor spája meniče AC/AC na oboch stranách. Primárny menič AC/AC moduluje vstupné striedavé napätie sieťovej frekvencie na vysokofrekvenčné striedavé napätie, ktoré je pripojené cez transformátor a potom je menič AC/AC na sekundárnej strane premenený späť na striedavé napätie sieťovej frekvencie. Jednostupňové PET majú menej konverzných stupňov a menej komponentov, vysokú účinnosť a vysokú hustotu výkonu. Absencia jednosmernej zbernice ich však robí nevhodnými pre hybridné siete AC/DC a riadenie oddelenia výkonu je zložité.

Dvojstupňové PET majú jednosmernú zbernicu buď na strane vysokého, alebo nízkeho napätia. Topológia na jednej strane oddeľovacieho transformátora sa podobá topológii jednostupňového PET, zatiaľ čo druhá strana sa pripája k jednosmernej zbernici prostredníctvom obvodov AC/DC alebo DC/AC (obr. 1(c) a obr. 1(d)). S jednosmernými prepojeniami vysokého alebo nízkeho napätia sa dvojstupňové PET môžu pripojiť k jednosmerným sieťam stredného/vysokého napätia na strane vysokého napätia alebo k fotovoltaickým/úložným systémom na strane nízkeho napätia. Činný výkon prenášaný meničmi na oboch stranách oddeľovacieho transformátora je však veľmi citlivý na parametre indukčnosti rozptylu transformátora. Okrem toho kondenzátor jednosmernej zbernice zaznamenáva značné výkyvy napätia na dvojnásobnej frekvencii a výkyvy prúdu meniča sú veľké [7], čo sťažuje reguláciu.

Trojstupňové PET (obr. 1(b)) majú jednosmerné zbernice na strane vysokého aj nízkeho napätia. Vstupný striedavý prúd sieťovej frekvencie je usmernený na jednosmernú zbernicu vysokého napätia prostredníctvom AC/DC konverzie, modulovaný na vysokofrekvenčné obdĺžnikové vlny, pripojený na stranu nízkeho napätia cez strednofrekvenčný/vysokofrekvenčný transformátor, usmernený na jednosmernú zbernicu nízkeho napätia a nakoniec invertovaný na striedavé napätie sieťovej frekvencie prostredníctvom DC/AC konverzie. Trojstupňové PET je možné pripojiť k systémom vysokého aj nízkeho napätia jednosmerného prúdu. Riadenie každého stupňa konverzie je relatívne nezávislé, čo uľahčuje oddelenie a kompenzačné riadenie. Viaceré stupne konverzie však vedú k najzložitejšej štruktúre. Vďaka viacstupňovej konštrukcii trojstupňové topológie PET ľahšie dosahujú kaskádovanie na strane vysokého napätia a paralelné zapojenie na strane nízkeho napätia, čím spĺňajú potreby aplikácií stredného/vysokého napätia. Trojstupňové topológie sú preto najpoužívanejšie vo výskume a aplikáciách PET stredného/vysokého napätia.

V prípade PET v aplikáciách so stredným/vysokým napätím má strana nízkeho napätia nízke úrovne napätia s minimálnymi obmedzeniami napätia zariadenia. Naproti tomu stupeň usmerňovania vysokého napätia a stupeň medziľahlej izolácie čelia vysokým úrovniam napätia, čo kladie prísnejšie požiadavky na topológie obvodov a zariadenia. Existujúci výskum sa zameriava na dva smery: ① Nové topológie a metódy riadenia pre PET so stredným/vysokým napätím založené na existujúcich menovitých napätiach zariadení; ② Topológie a riadenie PET s využitím nových vysokonapäťových zariadení, ako sú napríklad 10 kV SiC zariadenia [8, 9]. Vysokonapäťové SiC zariadenia sú však stále vo fáze laboratórneho výskumu a vývoja a komerčné zariadenia zatiaľ nemôžu spĺňať požiadavky na napätie. Preto sa na splnenie požiadaviek na vysoké vstupné napätie používajú viacmodulové kaskádové alebo jednomodulové viacúrovňové topológie. Typické topológie sú znázornené na obrázku 2 a analyzované v časti 3.