Gjennomgang av topologi og kontrollapplikasjoner for elektroniske krafttransformatorer med mellom- og høy spenning II

2 Valg av PET-struktur

PET-topologier varierer mye. Basert på antall energiomformingstrinn kan de klassifiseres i en-trinns, totrinns og tre-trinns typer [7]. To-trinnsstrukturer inkluderer de med høyspennings- og lavspennings-DC-busser, som vist i figur 1.

I ett-trinns PET-er (fig. 1(a)), en medium/høyfrekvent Isolasjonstransformator kobler AC/AC-omformere på begge sider. Primærsidens AC/AC-omformer modulerer inngangsnettfrekvens-AC-spenningen til høyfrekvent AC-spenning, som kobles gjennom transformatoren og deretter konverteres tilbake til nettfrekvens-AC-spenning av sekundærsidens AC/AC-omformer. En-trinns PET-er har færre konverteringstrinn og færre komponenter, høy effektivitet og høy effekttetthet. Mangelen på en DC-buss gjør dem imidlertid uegnet for hybride AC/DC-nett, og kontroll av effektavkobling er kompleks.

To-trinns PET-er har en DC-buss på enten høy- eller lavspenningssiden. Topologien på den ene siden av isolasjonstransformatoren ligner på en en-trinns PET, mens den andre siden er koblet til DC-bussen via AC/DC- eller DC/AC-kretser (fig. 1(c) og fig. 1(d)). Med høy- eller lavspennings-DC-koblinger kan totrinns PET-er kobles til mellom-/høyspennings-DC-nett på høyspenningssiden eller til PV-/lagringssystemer på lavspenningssiden. Imidlertid er den aktive effekten som overføres av omformere på begge sider av isolasjonstransformatoren svært følsom for transformatorens lekkasjeinduktansparametere. I tillegg opplever DC-busskondensatoren betydelige spenningsfluktuasjoner i dobbel linjefrekvens, og fluktuasjonene i omformerstrømmen er store [7], noe som gjør kontroll utfordrende.

Tretrinns PET-er (fig. 1(b)) har DC-busser på både høy- og lavspenningssiden. Inngående nettfrekvent vekselstrøm likerettes til en høyspent DC-buss via AC/DC-konvertering, moduleres til høyfrekvente firkantbølger, kobles til lavspenningssiden via en mellom-/høyfrekvenstransformator, likerettes til en lavspent DC-buss og inverteres til slutt til nettfrekvent vekselspenning via DC/AC-konvertering. Tretrinns PET-er kan kobles til både høy- og lavspent DC-systemer. Kontrollen av hvert konverteringstrinn er relativt uavhengig, noe som letter avkobling og kompensasjonskontroll. Imidlertid resulterer flere konverteringstrinn i den mest komplekse strukturen. På grunn av flertrinnsdesignet oppnår tretrinns PET-topologier lettere kaskade på høyspenningssiden og parallellkobling på lavspenningssiden, noe som oppfyller behovene for mellom-/høyspenningsapplikasjoner. Dermed er tretrinnstopologier de mest brukte i forskning og applikasjoner innen mellom-/høyspennings PET.

For PET-er i mellom-/høyspenningsapplikasjoner har lavspenningssiden lave spenningsnivåer med minimale spenningsbegrensninger for enhetene. I motsetning til dette står høyspenningslikerettertrinnet og mellomliggende isolasjonstrinn overfor høye spenningsnivåer, noe som stiller strengere krav til kretstopologier og enheter. Eksisterende forskning fokuserer på to retninger: ① Nye topologier og kontrollmetoder for mellom-/høyspennings-PET-er basert på eksisterende enhetsspenningsklassifiseringer; ② PET-topologier og kontroller ved bruk av nye høyspenningsenheter, for eksempel 10 kV SiC-enheter [8, 9]. Høyspennings-SiC-enheter er imidlertid fortsatt i laboratorie-FoU-fasen, og kommersielle enheter kan ennå ikke oppfylle spenningskravene. Derfor brukes flermodul-kaskaderte eller enkeltmodul-flernivåtopologier for å oppfylle krav til høy inngangsspenning. Typiske topologier er vist i figur 2, analysert i avsnitt 3.