Přehled topologie a řídicích aplikací výkonových elektronických transformátorů středního a vysokého napětí II

2 Výběr celkové struktury PET

Topologie PET se značně liší. Na základě počtu stupňů přeměny energie je lze rozdělit na jednostupňové, dvoustupňové a třístupňové typy [7]. Dvoustupňové struktury zahrnují struktury s vysokonapěťovými a nízkonapěťovými stejnosměrnými sběrnicemi, jak je znázorněno na obrázku 1.

U jednostupňových PET (obr. 1(a)) se používá středo/vysokofrekvenční Izolační transformátor propojuje měniče střídavého proudu (AC/AC) na obou stranách. Primární měnič AC/AC moduluje vstupní střídavé napětí síťové frekvence na vysokofrekvenční střídavé napětí, které je připojeno přes transformátor a poté převedeno zpět na střídavé napětí síťové frekvence měničem AC/AC na sekundární straně. Jednostupňové PET mají méně převodních stupňů a méně součástek, vysokou účinnost a vysokou hustotu výkonu. Absence stejnosměrné sběrnice je však činí nevhodnými pro hybridní sítě AC/DC a řízení oddělení výkonu je složité.

Dvoustupňové PET mají stejnosměrnou sběrnici na straně vysokého nebo nízkého napětí. Topologie na jedné straně oddělovacího transformátoru se podobá topologii jednostupňového PET, zatímco druhá strana se připojuje k stejnosměrné sběrnici prostřednictvím obvodů AC/DC nebo DC/AC (obr. 1(c) a obr. 1(d)). S vysokonapěťovými nebo nízkonapěťovými stejnosměrnými spoji se dvoustupňové PET mohou připojit ke středně/vysokonapěťovým stejnosměrným sítím na straně vysokého napětí nebo k fotovoltaickým/akumulačním systémům na straně nízkého napětí. Činný výkon přenášený měniči na obou stranách oddělovacího transformátoru je však vysoce citlivý na parametry rozptylové indukčnosti transformátoru. Kondenzátor stejnosměrné sběrnice navíc zažívá značné kolísání napětí na dvojnásobné frekvenci a kolísání proudu měniče je velké [7], což ztěžuje regulaci.

Třístupňové PET (obr. 1(b)) mají stejnosměrné sběrnice na straně vysokého i nízkého napětí. Vstupní střídavý proud síťového kmitočtu je usměrněn na stejnosměrnou sběrnici vysokého napětí pomocí AC/DC konverze, modulován do vysokofrekvenčních obdélníkových vln, připojen na stranu nízkého napětí přes středně/vysokofrekvenční transformátor, usměrněn na stejnosměrnou sběrnici nízkého napětí a nakonec invertován na střídavé napětí síťového kmitočtu pomocí DC/AC konverze. Třístupňové PET lze připojit k systémům vysokého i nízkého napětí stejnosměrného proudu. Řízení každého stupně konverze je relativně nezávislé, což usnadňuje oddělení a kompenzační řízení. Více stupňů konverze však vede k nejsložitější struktuře. Díky vícestupňové konstrukci dosahují třístupňové topologie PET snadněji kaskádování na straně vysokého napětí a paralelního zapojení na straně nízkého napětí, což splňuje potřeby aplikací středního/vysokého napětí. Třístupňové topologie jsou proto nejrozšířenější ve výzkumu a aplikacích PET středního/vysokého napětí.

U PET v aplikacích se středním/vysokým napětím má strana nízkého napětí nízké úrovně napětí s minimálními omezeními napětí zařízení. Naproti tomu vysokonapěťový usměrňovací stupeň a mezilehlý izolační stupeň čelí vysokým úrovním napětí, což klade přísnější požadavky na topologie obvodů a zařízení. Stávající výzkum se zaměřuje na dva směry: ① Nové topologie a metody řízení pro středně/vysokonapěťové PET založené na stávajících jmenovitých napětích zařízení; ② Topologie a řízení PET s využitím nových vysokonapěťových zařízení, jako jsou 10kV SiC zařízení [8, 9]. Vysokonapěťová SiC zařízení jsou však stále ve fázi laboratorního výzkumu a vývoje a komerční zařízení zatím nemohou splňovat požadavky na napětí. Proto se pro splnění požadavků na vysoké vstupní napětí používají vícemodulové kaskádové nebo jednomodulové víceúrovňové topologie. Typické topologie jsou znázorněny na obrázku 2 a analyzovány v části 3.