Översikt över topologi och styrtillämpningar för elektroniska krafttransformatorer med medelhög spänning II

2 Val av övergripande PET-struktur

PET-topologier varierar kraftigt. Baserat på antalet energiomvandlingssteg kan de klassificeras i enstegs-, tvåstegs- och trestegstyper [7]. Tvåstegsstrukturer inkluderar de med högspännings- och lågspännings-DC-bussar, som visas i figur 1.

I enstegs-PET:er (bild 1(a)) används en medel-/högfrekvent Isoleringstransformator Ansluter AC/AC-omvandlare på båda sidor. Primärsidans AC/AC-omvandlare modulerar den ingående nätfrekventa växelspänningen till högfrekvent växelspänning, som kopplas genom transformatorn och sedan omvandlas tillbaka till nätfrekvent växelspänning av sekundärsidans AC/AC-omvandlare. Enstegs PET-transformatorer har färre omvandlingssteg och färre komponenter, hög effektivitet och hög effekttäthet. Avsaknaden av en DC-buss gör dem dock olämpliga för hybrida AC/DC-nät, och styrningen av effektavkoppling är komplex.

Tvåstegs PET-transformatorer har en DC-buss på antingen hög- eller lågspänningssidan. Topologin på ena sidan av isoleringstransformatorn liknar den hos en enstegs PET, medan den andra sidan ansluts till DC-bussen via AC/DC- eller DC/AC-kretsar (Fig. 1(c) och Fig. 1(d)). Med hög- eller lågspännings-DC-länkar kan tvåstegs PET-transformatorer ansluta till mellan-/högspännings-DC-nät på högspänningssidan eller till PV-/lagringssystem på lågspänningssidan. Emellertid är den aktiva effekten som överförs av omvandlare på båda sidor av isoleringstransformatorn mycket känslig för transformatorns läckinduktansparametrar. Dessutom upplever DC-busskondensatorn betydande spänningsfluktuationer på dubbla linjefrekvenser, och omvandlarens strömfluktuationer är stora [7], vilket gör styrning utmanande.

Trestegs PET-transformatorer (Fig. 1(b)) har DC-bussar på både hög- och lågspänningssidan. Ingående nätfrekvensväxelström likriktas till en högspännings-DC-buss via AC/DC-omvandling, moduleras till högfrekventa fyrkantvågor, kopplas till lågspänningssidan via en mellan-/högfrekvenstransformator, likriktas till en lågspännings-DC-buss och inverteras slutligen till nätfrekvensväxelspänning via DC/AC-omvandling. Trestegs PET-transformatorer kan anslutas till både hög- och lågspännings-DC-system. Styrningen av varje omvandlingssteg är relativt oberoende, vilket underlättar frikoppling och kompensationskontroll. Flera omvandlingssteg resulterar dock i den mest komplexa strukturen. På grund av flerstegsdesignen uppnår trestegs PET-topologier lättare kaskadkoppling på högspänningssidan och parallellkoppling på lågspänningssidan, vilket uppfyller behoven för mellan-/högspänningstillämpningar. Således är trestegstopologier de mest använda inom forskning och tillämpningar av mellan-/högspännings-PET.

För PET-elektroder i mellan-/högspänningstillämpningar har lågspänningssidan låga spänningsnivåer med minimala spänningsbegränsningar för komponenterna. Däremot står högspänningslikriktningssteget och mellanisoleringssteget inför höga spänningsnivåer, vilket ställer strängare krav på kretstopologier och komponenter. Befintlig forskning fokuserar på två inriktningar: ① Nya topologier och styrmetoder för PET-elektroder för mellan-/högspänning baserade på befintliga komponentspänningar; ② PET-topologier och styrningar med nya högspänningskomponenter, såsom 10 kV SiC-komponenter [8, 9]. Högspännings SiC-komponenter är dock fortfarande i laboratoriefasen för forskning och utveckling, och kommersiella komponenter kan ännu inte uppfylla spänningskraven. Därför används flermodulskaskadkopplade eller enmoduls flernivåtopologier för att uppfylla höga ingångsspänningskrav. Typiska topologier visas i figur 2, analyserade i avsnitt 3.