Rassegna sulla topologia e le applicazioni di controllo dei trasformatori elettronici di potenza di media-alta tensione II

2 Selezione della struttura complessiva del PET

Le topologie PET variano ampiamente. In base al numero di stadi di conversione dell'energia, possono essere classificate in tipi a stadio singolo, a due stadi e a tre stadi [7]. Le strutture a due stadi includono quelle con bus CC ad alta e bassa tensione, come mostrato in Figura 1.

Nelle PET a stadio singolo (Fig. 1(a)), una frequenza media/alta Trasformatore di isolamento Il sistema collega convertitori CA/CA su entrambi i lati. Il convertitore CA/CA sul lato primario modula la tensione CA in ingresso a frequenza di rete in una tensione CA ad alta frequenza, che viene accoppiata tramite il trasformatore e quindi riconvertita in tensione CA a frequenza di rete dal convertitore CA/CA sul lato secondario. I trasformatori di potenza a stadio singolo (PET) hanno un numero inferiore di stadi di conversione e di componenti, un'elevata efficienza e un'alta densità di potenza. Tuttavia, la mancanza di un bus CC li rende inadatti alle reti ibride CA/CC e il controllo del disaccoppiamento di potenza risulta complesso.

I PET a due stadi presentano un bus CC sul lato ad alta o bassa tensione. La topologia su un lato del trasformatore di isolamento è simile a quella di un PET a stadio singolo, mentre l'altro lato si collega al bus CC tramite circuiti CA/CC o CC/CA (Fig. 1(c) e Fig. 1(d)). Con collegamenti CC ad alta o bassa tensione, i PET a due stadi possono connettersi a reti CC a media/alta tensione sul lato ad alta tensione o a sistemi fotovoltaici/di accumulo sul lato a bassa tensione. Tuttavia, la potenza attiva trasferita dai convertitori su entrambi i lati del trasformatore di isolamento è altamente sensibile ai parametri dell'induttanza di dispersione del trasformatore. Inoltre, il condensatore del bus CC subisce significative fluttuazioni di tensione a doppia frequenza di rete e le fluttuazioni di corrente del convertitore sono ampie [7], rendendo il controllo difficile.

I PET a tre stadi (Fig. 1(b)) hanno bus CC sia sul lato ad alta tensione che su quello a bassa tensione. La corrente CA in ingresso alla frequenza di rete viene raddrizzata in un bus CC ad alta tensione tramite conversione CA/CC, modulata in onde quadre ad alta frequenza, accoppiata al lato a bassa tensione tramite un trasformatore a media/alta frequenza, raddrizzata in un bus CC a bassa tensione e infine invertita in tensione CA a frequenza di rete tramite conversione CC/CA. I PET a tre stadi possono connettersi sia a sistemi CC ad alta che a bassa tensione. Il controllo di ogni stadio di conversione è relativamente indipendente, facilitando il disaccoppiamento e il controllo di compensazione. Tuttavia, la presenza di più stadi di conversione comporta una struttura più complessa. Grazie alla progettazione multistadio, le topologie PET a tre stadi consentono più facilmente il collegamento in cascata sul lato ad alta tensione e il collegamento in parallelo sul lato a bassa tensione, soddisfacendo le esigenze delle applicazioni a media/alta tensione. Pertanto, le topologie a tre stadi sono le più utilizzate nella ricerca e nelle applicazioni PET a media/alta tensione.

Per i PET in applicazioni di media/alta tensione, il lato a bassa tensione presenta bassi livelli di tensione con vincoli minimi sulla tensione dei dispositivi. Al contrario, lo stadio di rettifica ad alta tensione e lo stadio di isolamento intermedio affrontano livelli di alta tensione, imponendo requisiti più stringenti sulle topologie dei circuiti e sui dispositivi. La ricerca esistente si concentra su due direzioni: ① Nuove topologie e metodi di controllo per PET di media/alta tensione basati sulle tensioni nominali dei dispositivi esistenti; ② Topologie e controlli PET che utilizzano nuovi dispositivi ad alta tensione, come i dispositivi SiC da 10 kV [8, 9]. Tuttavia, i dispositivi SiC ad alta tensione sono ancora in fase di ricerca e sviluppo in laboratorio e i dispositivi commerciali non sono ancora in grado di soddisfare i requisiti di tensione. Pertanto, vengono utilizzate topologie a cascata multi-modulo o multilivello a modulo singolo per soddisfare gli elevati requisiti di tensione di ingresso. Le topologie tipiche sono mostrate nella Figura 2 e analizzate nella Sezione 3.