Ανασκόπηση στην Τοπολογία και τις Εφαρμογές Ελέγχου Μετασχηματιστών Ηλεκτρονικών Ισχύος Μέσης-Υψηλής Τάσης II

2 Επιλογή Συνολικής Δομής PET

Οι τοπολογίες PET ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό. Με βάση τον αριθμό των σταδίων μετατροπής ενέργειας, μπορούν να ταξινομηθούν σε μονοβάθμια, διβάθμια και τριβάθμια [7]. Οι διβάθμιες δομές περιλαμβάνουν εκείνες με αγωγούς συνεχούς ρεύματος υψηλής και χαμηλής τάσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.

Σε μονοβάθμια PET (Εικ. 1(α)), μια μεσαίας/υψηλής συχνότητας Μετασχηματιστής απομόνωσης Συνδέει μετατροπείς AC/AC και στις δύο πλευρές. Ο μετατροπέας AC/AC στην πρωτεύουσα πλευρά διαμορφώνει την τάση AC γραμμής εισόδου σε τάση AC υψηλής συχνότητας, η οποία συνδέεται μέσω του μετασχηματιστή και στη συνέχεια μετατρέπεται ξανά σε τάση AC γραμμής από τον μετατροπέα AC/AC δευτερεύουσας πλευράς. Τα μονοβάθμια PET έχουν λιγότερα στάδια μετατροπής και λιγότερα εξαρτήματα, υψηλή απόδοση και υψηλή πυκνότητα ισχύος. Ωστόσο, η έλλειψη διαύλου DC τα καθιστά ακατάλληλα για υβριδικά δίκτυα AC/DC και ο έλεγχος αποσύνδεσης ισχύος είναι πολύπλοκος.

Τα διβάθμια PET διαθέτουν έναν δίαυλο DC είτε στην πλευρά υψηλής είτε στην πλευρά χαμηλής τάσης. Η τοπολογία στη μία πλευρά του μετασχηματιστή απομόνωσης μοιάζει με αυτή ενός μονοβάθμιου PET, ενώ η άλλη πλευρά συνδέεται στον δίαυλο DC μέσω κυκλωμάτων AC/DC ή DC/AC (Εικ. 1(c) και Εικ. 1(d)). Με συνδέσεις DC υψηλής ή χαμηλής τάσης, τα διβάθμια PET μπορούν να συνδεθούν σε δίκτυα DC μέσης/υψηλής τάσης στην πλευρά υψηλής τάσης ή σε φωτοβολταϊκά/συστήματα αποθήκευσης στην πλευρά χαμηλής τάσης. Ωστόσο, η ενεργός ισχύς που μεταφέρεται από τους μετατροπείς και στις δύο πλευρές του μετασχηματιστή απομόνωσης είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στις παραμέτρους επαγωγής διαρροής του μετασχηματιστή. Επιπλέον, ο πυκνωτής διαύλου DC παρουσιάζει σημαντικές διακυμάνσεις τάσης διπλής γραμμής συχνότητας και οι διακυμάνσεις ρεύματος του μετατροπέα είναι μεγάλες [7], καθιστώντας τον έλεγχο δύσκολο.

Τα τριβάθμια PET (Εικ. 1(β)) διαθέτουν αγωγούς συνεχούς ρεύματος (DC bules) τόσο στην πλευρά υψηλής όσο και στην πλευρά χαμηλής τάσης. Το ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος γραμμής εισόδου ανορθώνεται σε έναν αγωγό συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης μέσω μετατροπής AC/DC, διαμορφώνεται σε τετραγωνικά κύματα υψηλής συχνότητας, συνδέεται στην πλευρά χαμηλής τάσης μέσω ενός μετασχηματιστή μέσης/υψηλής συχνότητας, ανορθώνεται σε έναν αγωγό συνεχούς ρεύματος χαμηλής τάσης και τέλος αντιστρέφεται σε τάση εναλλασσόμενου ρεύματος γραμμής μέσω μετατροπής DC/AC. Τα τριβάθμια PET μπορούν να συνδεθούν σε συστήματα συνεχούς ρεύματος υψηλής και χαμηλής τάσης. Ο έλεγχος κάθε σταδίου μετατροπής είναι σχετικά ανεξάρτητος, διευκολύνοντας την αποσύνδεση και τον έλεγχο αντιστάθμισης. Ωστόσο, τα πολλαπλά στάδια μετατροπής έχουν ως αποτέλεσμα την πιο σύνθετη δομή. Λόγω του πολυβάθμιου σχεδιασμού, οι τριβάθμιες τοπολογίες PET επιτυγχάνουν πιο εύκολα την αλυσιδωτή σύνδεση στην πλευρά υψηλής τάσης και την παράλληλη σύνδεση στην πλευρά χαμηλής τάσης, καλύπτοντας τις ανάγκες εφαρμογών μέσης/υψηλής τάσης. Έτσι, οι τριβάθμιες τοπολογίες είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες στην έρευνα και τις εφαρμογές PET μέσης/υψηλής τάσης.

Για τα PET σε εφαρμογές μέσης/υψηλής τάσης, η πλευρά χαμηλής τάσης έχει χαμηλά επίπεδα τάσης με ελάχιστους περιορισμούς τάσης συσκευών. Αντίθετα, το στάδιο ανόρθωσης υψηλής τάσης και το ενδιάμεσο στάδιο απομόνωσης αντιμετωπίζουν υψηλά επίπεδα τάσης, επιβάλλοντας αυστηρότερες απαιτήσεις στις τοπολογίες κυκλωμάτων και τις συσκευές. Η υπάρχουσα έρευνα επικεντρώνεται σε δύο κατευθύνσεις: ① Νέες τοπολογίες και μέθοδοι ελέγχου για PET μέσης/υψηλής τάσης με βάση τις υπάρχουσες ονομαστικές τάσεις συσκευών· ② Τοπολογίες και έλεγχοι PET χρησιμοποιώντας νέες συσκευές υψηλής τάσης, όπως συσκευές SiC 10kV [8, 9]. Ωστόσο, οι συσκευές SiC υψηλής τάσης βρίσκονται ακόμη στη φάση της εργαστηριακής έρευνας και ανάπτυξης και οι εμπορικές συσκευές δεν μπορούν ακόμη να καλύψουν τις απαιτήσεις τάσης. Επομένως, χρησιμοποιούνται τοπολογίες πολλαπλών μονάδων σε σειρά ή μονομονάδων πολλαπλών επιπέδων για την κάλυψη απαιτήσεων υψηλής τάσης εισόδου. Τυπικές τοπολογίες φαίνονται στο Σχήμα 2, που αναλύεται στην Ενότητα 3.