Overzicht van topologie en besturingstoepassingen van middenspannings- en hoogspanningsvermogenstransformatoren II

2 PET Algemene structuurselectie

PET-topologieën variëren sterk. Op basis van het aantal energieomzettingsfasen kunnen ze worden ingedeeld in eentraps-, tweetraps- en drietrapstypen [7]. Tweetrapsstructuren omvatten structuren met hoogspannings- en laagspannings-DC-bussen, zoals weergegeven in Figuur 1.

Bij PET-scans in één fase (Fig. 1(a)) wordt een middelhoge/hoge frequentie gebruikt. scheidingstransformator Het verbindt AC/AC-omvormers aan beide zijden. De AC/AC-omvormer aan de primaire zijde moduleert de ingangs-wisselspanning met netfrequentie naar een hoogfrequente wisselspanning, die via de transformator wordt gekoppeld en vervolgens door de AC/AC-omvormer aan de secundaire zijde weer wordt omgezet naar wisselspanning met netfrequentie. Eentraps-PET's hebben minder conversiestappen en minder componenten, een hoog rendement en een hoge vermogensdichtheid. Het ontbreken van een DC-bus maakt ze echter ongeschikt voor hybride AC/DC-netten, en de regeling van de vermogensontkoppeling is complex.

Tweetraps PET's hebben een DC-bus aan de hoog- of laagspanningszijde. De topologie aan de ene kant van de scheidingstransformator lijkt op die van een eentraps PET, terwijl de andere kant via AC/DC- of DC/AC-circuits met de DC-bus is verbonden (Fig. 1(c) en Fig. 1(d)). Met hoog- of laagspannings-DC-verbindingen kunnen tweetraps PET's aan de hoogspanningszijde worden aangesloten op middenspannings-/hoogspannings-DC-netten of aan de laagspanningszijde op PV-/opslagsystemen. Het actieve vermogen dat door de converters aan beide zijden van de scheidingstransformator wordt overgedragen, is echter zeer gevoelig voor de lekinductantieparameters van de transformator. Bovendien ondervindt de DC-buscondensator aanzienlijke spanningsschommelingen met een dubbele netfrequentie, en zijn de stroomschommelingen van de converter groot [7], wat de besturing bemoeilijkt.

Drietraps PET's (Fig. 1(b)) hebben DC-bussen aan zowel de hoog- als de laagspanningszijde. De ingangs-wisselstroom met netfrequentie wordt via AC/DC-omzetting gelijkgericht naar een hoogspannings-DC-bus, gemoduleerd tot hoogfrequente blokgolven, gekoppeld aan de laagspanningszijde via een midden-/hoogfrequenttransformator, gelijkgericht naar een laagspannings-DC-bus en tenslotte via DC/AC-omzetting omgezet naar wisselspanning met netfrequentie. Drietraps PET's kunnen worden aangesloten op zowel hoog- als laagspannings-DC-systemen. De aansturing van elke omzettingsfase is relatief onafhankelijk, wat ontkoppeling en compensatieregeling vergemakkelijkt. Meerdere omzettingsfasen resulteren echter in de meest complexe structuur. Door het ontwerp met meerdere fasen kunnen drietraps PET-topologieën gemakkelijker in cascade worden geschakeld aan de hoogspanningszijde en parallel aan de laagspanningszijde, waardoor ze voldoen aan de eisen van midden-/hoogspanningstoepassingen. Daarom worden drietraps topologieën het meest gebruikt in onderzoek naar en toepassingen van midden-/hoogspannings-PET's.

Voor PET's in toepassingen met middelhoge/hoge spanningen heeft de laagspanningszijde lage spanningsniveaus met minimale beperkingen voor de componentspanning. Daarentegen worden de hoogspanningsgelijkrichtingsfase en de tussenliggende isolatiefase geconfronteerd met hoge spanningsniveaus, wat strengere eisen stelt aan circuittopologieën en componenten. Bestaand onderzoek richt zich op twee richtingen: ① Nieuwe topologieën en besturingsmethoden voor PET's met middelhoge/hoge spanningen gebaseerd op bestaande componentspanningswaarden; ② PET-topologieën en -besturingen met behulp van nieuwe hoogspanningscomponenten, zoals 10 kV SiC-componenten [8, 9]. Hoogspannings-SiC-componenten bevinden zich echter nog in de R&D-fase in het laboratorium en commerciële componenten voldoen nog niet aan de spanningseisen. Daarom worden multi-module cascade- of single-module multilevel-topologieën gebruikt om te voldoen aan de hoge ingangsspanningseisen. Typische topologieën worden weergegeven in Figuur 2 en geanalyseerd in Sectie 3.