Преглед на топологията и приложенията за управление на силови електронни трансформатори със средно и високо напрежение II

2 Избор на цялостна структура на PET

PET топологиите варират значително. Въз основа на броя на етапите на преобразуване на енергия, те могат да бъдат класифицирани в едностепенни, двустепенни и тристепенни типове [7]. Двустепенните структури включват тези с високоволтови и нисковолтови DC шини, както е показано на Фигура 1.

При едноетапни ПЕТ (фиг. 1(а)), средно/високочестотна Изолационен трансформатор свързва AC/AC преобразуватели от двете страни. AC/AC преобразувателят от първичната страна модулира входното променливо напрежение с линейна честота във високочестотно променливо напрежение, което се подава през трансформатора и след това се преобразува обратно в променливо напрежение с линейна честота от AC/AC преобразувателя от вторичната страна. Едностъпалните PET транзистори имат по-малко етапи на преобразуване и по-малко компоненти, висока ефективност и висока плътност на мощността. Липсата на DC шина обаче ги прави неподходящи за хибридни AC/DC мрежи, а управлението на отделянето на мощността е сложно.

Двустепенните PET-и (преобразуватели на постояннотоково напрежение) имат DC шина от страната на високото или ниското напрежение. Топологията от едната страна на изолационния трансформатор наподобява тази на едностепенен PET, докато другата страна се свързва към DC шината чрез AC/DC или DC/AC вериги (фиг. 1(c) и фиг. 1(d)). С DC връзки за високо или ниско напрежение, двустепенните PET-и могат да се свързват към DC мрежи със средно/високо напрежение от страната на високото напрежение или към PV/системи за съхранение от страната на ниското напрежение. Активната мощност, предавана от преобразувателите от двете страни на изолационния трансформатор, обаче е силно чувствителна към параметрите на индуктивността на разсейване на трансформатора. Освен това, кондензаторът на DC шината изпитва значителни колебания на напрежението с двойна линейна честота, а колебанията на тока на преобразувателя са големи [7], което прави управлението трудно.

Тристепенните PET (фиг. 1(b)) имат DC шини както от страната на високото, така и от страната на ниското напрежение. Входният променлив ток с линейна честота се коригира към DC шина с високо напрежение чрез AC/DC преобразуване, модулира се във високочестотни правоъгълни вълни, подава се към страната на ниското напрежение чрез средно/високочестотен трансформатор, коригира се към DC шина с ниско напрежение и накрая се инвертира към променливо напрежение с линейна честота чрез DC/AC преобразуване. Тристепенните PET могат да се свързват както към високото, така и към нисковолтови DC системи. Управлението на всеки етап на преобразуване е относително независимо, което улеснява управлението на разделянето и компенсацията. Въпреки това, множеството етапи на преобразуване водят до най-сложна структура. Поради многостепенния дизайн, тристепенните PET топологии по-лесно постигат каскадно свързване от страната на високото напрежение и паралелно свързване от страната на ниското напрежение, отговаряйки на нуждите на приложенията със средно/високо напрежение. По този начин, тристепенните топологии са най-широко използваните в изследванията и приложенията на PET със средно/високо напрежение.

За PET-тата (полимерни транзистори) в приложения със средно/високо напрежение, нисковолтовата страна има ниски нива на напрежение с минимални ограничения за напрежението на устройството. За разлика от тях, етапът на коригиране за високо напрежение и етапът на междинна изолация са изправени пред високи нива на напрежение, което налага по-строги изисквания към топологиите на веригите и устройствата. Съществуващите изследвания се фокусират в две насоки: ① Нови топологии и методи за управление на PET-тата за средно/високо напрежение, базирани на съществуващите номинални напрежения на устройствата; ② PET топологии и управления, използващи нови устройства за високо напрежение, като например 10kV SiC устройства [8, 9]. Въпреки това, устройствата за високо напрежение SiC все още са във фаза на лабораторни изследвания и разработки, а търговските устройства все още не могат да отговорят на изискванията за напрежение. Следователно, за да се отговорят на изискванията за високо входно напрежение, се използват многомодулни каскадни или едномодулни многостепенни топологии. Типичните топологии са показани на Фигура 2, анализирани в Раздел 3.