Pregled topologije in krmilnih aplikacij srednje-visokonapetostnih močnostnih elektronskih transformatorjev II

2 Izbira celotne strukture PET

Topologije PET se zelo razlikujejo. Glede na število stopenj pretvorbe energije jih lahko razdelimo na enostopenjske, dvostopenjske in tristopenjske [7]. Dvostopenjske strukture vključujejo tiste z visokonapetostnimi in nizkonapetostnimi enosmernimi vodili, kot je prikazano na sliki 1.

Pri enostopenjskih PET-ih (slika 1(a)) je srednje/visokofrekvenčni Izolacijski transformator Povezuje pretvornike AC/AC na obeh straneh. Pretvornik AC/AC na primarni strani modulira vhodno omrežno izmenično napetost v visokofrekvenčno izmenično napetost, ki se nato prek transformatorja pretvori nazaj v omrežno izmenično napetost s pretvornikom AC/AC na sekundarni strani. Enostopenjski PET-i imajo manj pretvorbenih stopenj in manj komponent, visok izkoristek in visoko gostoto moči. Vendar pa zaradi pomanjkanja enosmernega vodila niso primerni za hibridna omrežja AC/DC, krmiljenje ločevanja moči pa je zapleteno.

Dvostopenjski PET-ji imajo enosmerni vodnik na visokonapetostni ali nizkonapetostni strani. Topologija na eni strani izolacijskega transformatorja je podobna topologiji enostopenjskega PET-ja, medtem ko se druga stran na enosmerni vodnik priključi prek tokokrogov AC/DC ali DC/AC (slika 1(c) in slika 1(d)). Z visokonapetostnimi ali nizkonapetostnimi enosmernimi povezavami se lahko dvostopenjski PET-ji priključijo na srednje/visokonapetostna enosmerna omrežja na visokonapetostni strani ali na fotonapetostne/shranjevalne sisteme na nizkonapetostni strani. Vendar pa je aktivna moč, ki jo prenašajo pretvorniki na obeh straneh izolacijskega transformatorja, zelo občutljiva na parametre induktivnosti uhajanja transformatorja. Poleg tega kondenzator enosmernega vodnika doživlja znatna nihanja napetosti dvojne frekvence, nihanja toka pretvornika pa so velika [7], zaradi česar je krmiljenje zahtevno.

Tristopenjski PET-ji (slika 1(b)) imajo enosmerne vodila na visokonapetostni in nizkonapetostni strani. Vhodni izmenični tok omrežne frekvence se prek pretvorbe AC/DC usmeri v visokonapetostni enosmerni vodilo, modulira v visokofrekvenčne kvadratne valove, prek srednje/visokofrekvenčnega transformatorja poveže z nizkonapetostno stranjo, usmeri v nizkonapetostni enosmerni vodilo in končno prek pretvorbe DC/AC invertira v izmenično napetost omrežne frekvence. Tristopenjski PET-ji se lahko priključijo na visoko- in nizkonapetostne enosmerne sisteme. Krmiljenje vsake pretvorbene stopnje je relativno neodvisno, kar olajša ločevanje in kompenzacijsko krmiljenje. Vendar pa več pretvorbenih stopenj povzroči najbolj zapleteno strukturo. Zaradi večstopenjske zasnove tristopenjske topologije PET lažje dosežejo kaskadno vezavo na visokonapetostni strani in vzporedno vezavo na nizkonapetostni strani, kar izpolnjuje potrebe srednje/visokonapetostnih aplikacij. Zato so tristopenjske topologije najpogosteje uporabljene v raziskavah in aplikacijah srednje/visokonapetostnih PET-jev.

Pri PET-jih v srednje/visokonapetostnih aplikacijah ima nizkonapetostna stran nizke napetostne nivoje z minimalnimi napetostnimi omejitvami naprav. Nasprotno pa se visokonapetostna usmerjevalna stopnja in vmesna izolacijska stopnja soočata z visokimi napetostnimi nivoji, kar nalaga strožje zahteve glede topologij vezij in naprav. Obstoječe raziskave se osredotočajo na dve smeri: ① Nove topologije in metode krmiljenja za srednje/visokonapetostne PET-je, ki temeljijo na obstoječih nazivnih napetostih naprav; ② Topologije in krmiljenja PET-jev z uporabo novih visokonapetostnih naprav, kot so 10 kV SiC naprave [8, 9]. Vendar pa so visokonapetostne SiC naprave še vedno v fazi laboratorijskih raziskav in razvoja, komercialne naprave pa še ne morejo izpolnjevati napetostnih zahtev. Zato se za izpolnjevanje zahtev glede visoke vhodne napetosti uporabljajo večmodulne kaskadne ali enomodulne večnivojske topologije. Tipične topologije so prikazane na sliki 2 in analizirane v poglavju 3.