Pregled topologije i primjene upravljanja energetskim elektronskim transformatorima srednjeg i visokog napona II

2 Izbor ukupne strukture PET-a

PET topologije se uveliko razlikuju. Na osnovu broja stepeni konverzije energije, mogu se klasificirati u jednostepene, dvostepene i trostepene tipove [7]. Dvostepene strukture uključuju one sa visokonaponskim i niskonaponskim istosmjernim sabirnicama, kao što je prikazano na Slici 1.

U jednostepenim PET-ovima (Sl. 1(a)), srednja/visoka frekvencija Izolacijski transformator povezuje AC/AC pretvarače na obje strane. AC/AC pretvarač na primarnoj strani modulira ulazni AC napon linijske frekvencije u visokofrekventni AC napon, koji se zatim spaja preko transformatora, a zatim pretvara natrag u AC napon linijske frekvencije pomoću AC/AC pretvarača na sekundarnoj strani. Jednostepeni PET-ovi imaju manje konverzijskih stepeni i manje komponenti, visoku efikasnost i visoku gustinu snage. Međutim, nedostatak DC sabirnice ih čini neprikladnim za hibridne AC/DC mreže, a kontrola odvajanja snage je složena.

Dvostepeni PET-ovi imaju DC sabirnicu na strani visokog ili niskog napona. Topologija na jednoj strani izolacijskog transformatora podsjeća na onu kod jednostepenog PET-a, dok se druga strana povezuje na DC sabirnicu putem AC/DC ili DC/AC kola (Slika 1(c) i Slika 1(d)). Sa DC vezama visokog ili niskog napona, dvostepeni PET-ovi se mogu povezati na DC mreže srednjeg/visokog napona na strani visokog napona ili na PV/sisteme za skladištenje energije na strani niskog napona. Međutim, aktivna snaga koju prenose pretvarači na obje strane izolacijskog transformatora je vrlo osjetljiva na parametre induktivnosti curenja transformatora. Osim toga, kondenzator DC sabirnice doživljava značajne fluktuacije napona dvostruke frekvencije linijske frekvencije, a fluktuacije struje pretvarača su velike [7], što otežava upravljanje.

Trostepeni PET-ovi (Sl. 1(b)) imaju DC sabirnice i na visokonaponskoj i na niskonaponskoj strani. Ulazna AC struja linijske frekvencije se ispravlja na visokonaponsku DC sabirnicu putem AC/DC konverzije, modulira u visokofrekventne pravougaone talase, spaja na niskonaponsku stranu putem srednje/visokofrekventnog transformatora, ispravlja na niskonaponsku DC sabirnicu i konačno invertuje u linijsku AC napon putem DC/AC konverzije. Trostepeni PET-ovi se mogu povezati i na visokonaponske i na niskonaponske DC sisteme. Upravljanje svakim stepenom konverzije je relativno nezavisno, što olakšava kontrolu razdvajanja i kompenzacije. Međutim, više stepeni konverzije rezultiraju najsloženijom strukturom. Zbog višestepenog dizajna, trostepene PET topologije lakše postižu kaskadno povezivanje na visokonaponskoj strani i paralelno povezivanje na niskonaponskoj strani, zadovoljavajući potrebe srednje/visokonaponskih aplikacija. Stoga su trostepene topologije najčešće korištene u istraživanju i primjenama srednje/visokonaponskih PET-ova.

Za PET-ove u srednje/visokonaponskim primjenama, niskonaponska strana ima niske naponske nivoe s minimalnim ograničenjima napona uređaja. Nasuprot tome, visokonaponska faza ispravljanja i međufaza izolacije suočavaju se s visokim naponskim nivoima, što nameće strože zahtjeve na topologije kola i uređaje. Postojeća istraživanja fokusiraju se na dva smjera: ① Nove topologije i metode upravljanja za srednje/visokonaponske PET-ove zasnovane na postojećim nazivnim naponima uređaja; ② PET topologije i upravljanja korištenjem novih visokonaponskih uređaja, kao što su 10kV SiC uređaji [8, 9]. Međutim, visokonaponski SiC uređaji su još uvijek u fazi istraživanja i razvoja u laboratoriji, a komercijalni uređaji još uvijek ne mogu ispuniti naponske zahtjeve. Stoga se za ispunjavanje zahtjeva za visokim ulaznim naponom koriste višemodulne kaskadne ili jednomodulne višerazinske topologije. Tipične topologije su prikazane na slici 2, analizirane u odjeljku 3.