Обзор топологии и применения в системах управления силовых электронных трансформаторов среднего и высокого напряжения II

2. Выбор общей структуры ПЭТ

Топологии ПЭТ сильно различаются. В зависимости от количества ступеней преобразования энергии их можно классифицировать на одноступенчатые, двухступенчатые и трехступенчатые типы [7]. Двухступенчатые структуры включают в себя структуры с высоковольтными и низковольтными шинами постоянного тока, как показано на рисунке 1.

В одноэтапных ПЭТ (рис. 1(а)) используется средне-/высокочастотный режим. Разделительный трансформатор В нем с обеих сторон подключаются преобразователи переменного тока. Преобразователь переменного тока на первичной стороне модулирует входное переменное напряжение сетевой частоты в высокочастотное переменное напряжение, которое передается через трансформатор, а затем преобразуется обратно в переменное напряжение сетевой частоты преобразователем переменного тока на вторичной стороне. Одноступенчатые трансформаторы переменного тока имеют меньшее количество ступеней преобразования и компонентов, высокую эффективность и высокую удельную мощность. Однако отсутствие шины постоянного тока делает их непригодными для гибридных сетей переменного/постоянного тока, а управление развязкой мощности является сложным.

Двухступенчатые трансформаторы постоянного тока имеют шину постоянного тока либо на стороне высокого, либо на стороне низкого напряжения. Топология одной стороны разделительного трансформатора напоминает топологию одноступенчатого трансформатора постоянного тока, в то время как другая сторона подключается к шине постоянного тока через цепи AC/DC или DC/AC (рис. 1(c) и рис. 1(d)). Благодаря высоковольтным или низковольтным линиям постоянного тока двухступенчатые трансформаторы постоянного тока могут подключаться к сетям постоянного тока среднего/высокого напряжения на стороне высокого напряжения или к фотоэлектрическим/накопительным системам на стороне низкого напряжения. Однако активная мощность, передаваемая преобразователями с обеих сторон разделительного трансформатора, очень чувствительна к параметрам индуктивности рассеяния трансформатора. Кроме того, конденсатор шины постоянного тока испытывает значительные колебания напряжения, вдвое превышающие частоту сети, а колебания тока преобразователя велики [7], что делает управление сложным.

Трехступенчатые PET (рис. 1(b)) имеют шины постоянного тока как на высоковольтной, так и на низковольтной сторонах. Входной переменный ток линейной частоты выпрямляется в высоковольтную шину постоянного тока посредством преобразования AC/DC, модулируется в высокочастотные прямоугольные волны, подается на низковольтную сторону через средне-высокочастотный трансформатор, выпрямляется в низковольтную шину постоянного тока и, наконец, инвертируется в переменное напряжение линейной частоты посредством преобразования DC/AC. Трехступенчатые PET могут подключаться как к высоковольтным, так и к низковольтным системам постоянного тока. Управление каждой ступенью преобразования относительно независимо, что облегчает развязку и компенсационное управление. Однако наличие нескольких ступеней преобразования приводит к наиболее сложной структуре. Благодаря многоступенчатой ​​конструкции, трехступенчатые топологии PET позволяют легче осуществлять каскадирование на высоковольтной стороне и параллельное соединение на низковольтной стороне, удовлетворяя потребности в приложениях среднего/высокого напряжения. Таким образом, трехступенчатые топологии являются наиболее широко используемыми в исследованиях и приложениях PET среднего/высокого напряжения.

Для транзисторов с потенциометрическим выходным напряжением (ПЭТ) в средне- и высоковольтных приложениях низковольтная сторона имеет низкие уровни напряжения с минимальными ограничениями по напряжению устройства. В отличие от этого, высоковольтная выпрямительная ступень и промежуточная изоляционная ступень сталкиваются с высокими уровнями напряжения, что накладывает более жесткие требования на топологию схем и устройства. Существующие исследования сосредоточены на двух направлениях: ① Новые топологии и методы управления для ПЭТ среднего/высокого напряжения на основе существующих номинальных напряжений устройств; ② Топологии и методы управления ПЭТ с использованием новых высоковольтных устройств, таких как устройства на 10 кВ SiC [8, 9]. Однако высоковольтные устройства на SiC все еще находятся на стадии лабораторных исследований и разработок, и коммерческие устройства пока не могут соответствовать требованиям по напряжению. Поэтому для удовлетворения высоких требований к входному напряжению используются многомодульные каскадные или одномодульные многоуровневые топологии. Типичные топологии показаны на рисунке 2, анализ которых представлен в разделе 3.