Revisió de la topologia i les aplicacions de control dels transformadors electrònics de potència de mitjana-alta tensió II

2 Selecció d'estructura general de PET

Les topologies PET varien molt. Segons el nombre d'etapes de conversió d'energia, es poden classificar en tipus d'una sola etapa, de dues etapes i de tres etapes [7]. Les estructures de dues etapes inclouen les que tenen busos de CC d'alta tensió i baixa tensió, com es mostra a la Figura 1.

En les PET d'una sola etapa (Fig. 1(a)), una freqüència mitjana/alta Transformador d'aïllament connecta convertidors CA/CA a banda i banda. El convertidor CA/CA del costat primari modula la tensió CA de freqüència de línia d'entrada en tensió CA d'alta freqüència, que s'acobla a través del transformador i després es converteix de nou a tensió CA de freqüència de línia mitjançant el convertidor CA/CA del costat secundari. Els PET d'una sola etapa tenen menys etapes de conversió i menys components, alta eficiència i alta densitat de potència. Tanmateix, la manca d'un bus de CC els fa inadequats per a xarxes híbrides CA/CC, i el control del desacoblament de potència és complex.

Els PET de dues etapes presenten un bus de CC al costat d'alta o baixa tensió. La topologia d'un costat del transformador d'aïllament s'assembla a la d'un PET d'una sola etapa, mentre que l'altre costat es connecta al bus de CC mitjançant circuits CA/CC o CC/CA (Fig. 1(c) i Fig. 1(d)). Amb enllaços de CC d'alta o baixa tensió, els PET de dues etapes es poden connectar a xarxes de CC de mitjana/alta tensió al costat d'alta tensió o a sistemes fotovoltaics/d'emmagatzematge al costat de baixa tensió. Tanmateix, la potència activa transferida pels convertidors a banda i banda del transformador d'aïllament és molt sensible als paràmetres d'inductància de fuita del transformador. A més, el condensador del bus de CC experimenta fluctuacions significatives de tensió de freqüència de doble línia i les fluctuacions de corrent del convertidor són grans [7], cosa que dificulta el control.

Els PET de tres etapes (Fig. 1(b)) tenen busos de CC tant en el costat d'alta com de baixa tensió. El corrent altern d'entrada de freqüència de línia es rectifica a un bus de CC d'alta tensió mitjançant la conversió AC/DC, es modula en ones quadrades d'alta freqüència, s'acobla al costat de baixa tensió mitjançant un transformador de mitjana/alta freqüència, es rectifica a un bus de CC de baixa tensió i finalment s'inverteix a tensió de CA de freqüència de línia mitjançant la conversió DC/AC. Els PET de tres etapes es poden connectar a sistemes de CC d'alta i baixa tensió. El control de cada etapa de conversió és relativament independent, cosa que facilita el desacoblament i el control de compensació. Tanmateix, les múltiples etapes de conversió donen com a resultat l'estructura més complexa. A causa del disseny multietapa, les topologies PET de tres etapes aconsegueixen més fàcilment la cascada al costat d'alta tensió i la paral·lelització al costat de baixa tensió, satisfent les necessitats de les aplicacions de mitjana/alta tensió. Per tant, les topologies de tres etapes són les més utilitzades en la investigació i les aplicacions PET de mitjana/alta tensió.

Per als PET en aplicacions de mitjana/alta tensió, el costat de baixa tensió té nivells de tensió baixos amb restriccions mínimes de tensió del dispositiu. En canvi, l'etapa de rectificació d'alta tensió i l'etapa d'aïllament intermedi s'enfronten a nivells d'alta tensió, cosa que imposa requisits més estrictes a les topologies de circuits i dispositius. La recerca existent se centra en dues direccions: ① Noves topologies i mètodes de control per a PET de mitjana/alta tensió basats en les classificacions de tensió dels dispositius existents; ② Topologies i controls PET que utilitzen nous dispositius d'alta tensió, com ara dispositius SiC de 10 kV [8, 9]. Tanmateix, els dispositius SiC d'alta tensió encara es troben en la fase d'R+D de laboratori i els dispositius comercials encara no poden complir els requisits de tensió. Per tant, s'utilitzen topologies multimòdul en cascada o multinivell d'un sol mòdul per complir els requisits d'alta tensió d'entrada. Les topologies típiques es mostren a la Figura 2, analitzades a la Secció 3.