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

3.3 Многоуровневая топология с ограничением по уровню

На рисунке показана многоуровневая топология с фиксацией нейтральной точки (NPC). Помимо топологии NPC с диодной фиксацией, существуют также топологии с летающими конденсаторами и гибридной фиксацией. Однако из-за большого объема конденсаторов в топологиях NPC по-прежнему в основном используются пассивные или активные переключающие устройства для фиксации напряжения. В качестве примера рассмотрим многоуровневую топологию с диодной фиксацией: в трехфазной топологии выпрямительного каскада каждая фаза состоит из каскадно соединенных переключающих транзисторов и ограничивающих диодов, подключенных параллельно к одной высоковольтной шине постоянного тока. В литературе предложена однофазная топология PET с выпрямительным каскадом, использующим четырехуровневую схему с диодной фиксацией. За одной высоковольтной шиной постоянного тока следуют последовательно-выходные параллельно соединенные диоды DAB, как показано на рисунке. Эта топология может быть расширена до трехфазной структуры, а количество уровней напряжения может изменяться в зависимости от уровней выдерживаемого напряжения устройств и уровня напряжения на высоковольтной стороне. Подобно топологии MMC, топология NPC также может применяться на этапе изоляции, соединяя высоковольтную шину постоянного тока с Разделительный трансформаторКак показано на рисунке. В литературе трехступенчатый диодно-зажимной NPC-преобразователь применялся на высоковольтной стороне резонансного LLC-преобразователя, его работоспособность была проверена на прототипе мощностью 166 кВт/2 кВ~400 В. В литературе трехступенчатая диодно-зажимная NPC-схема применялась к трехфазному DAB-преобразователю, что позволило достичь идеальных характеристик напряжения и тока DAB.

При использовании топологии NPC в качестве выпрямительного каскада не требуются изолированные шины постоянного тока, что уменьшает количество трансформаторов разделительного каскада. Кроме того, в трехфазных структурах отсутствует пульсация напряжения, вдвое превышающая частоту сети. Однако, поскольку топология с ограничением напряжения требует большого количества ограничительных устройств, их количество увеличивается с увеличением числа уровней, что затрудняет расширение уровней и создание резервирования. С точки зрения управления, токи, протекающие через каждый конденсатор шины преобразователя NPC, различны, что приводит к дисбалансу напряжения на конденсаторах. Для топологий NPC с более чем тремя уровнями отсутствует эффективный алгоритм балансировки напряжения. Кроме того, непостоянное время срабатывания переключателей внутри и вне плеч приводит к неравномерному нагреву, что можно решить только изменением общей топологии схемы.

Многочисленные трудности, вызванные расширением уровней, означают, что топологии NPC могут применяться только на средних/высоких уровнях напряжения посредством последовательного соединения устройств или использования высоковольтных SiC-устройств. Однако на более низких уровнях напряжения, по сравнению с топологией с одним H-мостом, трехуровневая NPC имеет вдвое меньшую выдерживаемую напряженность и меньшее напряжение на каждом переключающем транзисторе, при этом обеспечивая большее количество уровней напряжения, что приводит к снижению требований к фильтрации выходного сигнала. Она обладает значительными преимуществами в применении в качестве инверторного каскада на низковольтной стороне PET. Например, в литературе использовалась трехуровневая NPC с диодным ограничением в качестве инверторного каскада PET для управления трехфазным двигателем, при этом проводилась экспериментальная проверка и были достигнуты хорошие характеристики управления двигателем и шумовые характеристики.