Revisión sobre topoloxía e aplicacións de control de transformadores electrónicos de potencia de media-alta tensión II

2 Selección da estrutura xeral da PET

As topoloxías PET varían moito. En función do número de etapas de conversión de enerxía, pódense clasificar en tipos dunha soa etapa, de dúas etapas e de tres etapas [7]. As estruturas de dúas etapas inclúen aquelas con barras de CC de alta e baixa tensión, como se mostra na Figura 1.

En PETs dunha soa etapa (Fig. 1(a)), unha frecuencia media/alta transformador de illamento conecta convertidores CA/CA en ambos os dous lados. O conversor CA/CA do lado primario modula a tensión CA de frecuencia de liña de entrada en tensión CA de alta frecuencia, que se acopla a través do transformador e logo se converte de novo en tensión CA de frecuencia de liña polo conversor CA/CA do lado secundario. Os PET dunha soa etapa teñen menos etapas de conversión e menos compoñentes, alta eficiencia e alta densidade de potencia. Non obstante, a falta dun bus CC fainos inadecuados para redes híbridas CA/CC, e o control do desacoplamento de potencia é complexo.

Os PET de dúas etapas contan cun bus de CC no lado de alta ou baixa tensión. A topoloxía dun lado do transformador de illamento parécese á dun PET dunha soa etapa, mentres que o outro lado se conecta ao bus de CC a través de circuítos CA/CC ou CC/CA (Fig. 1(c) e Fig. 1(d)). Con enlaces de CC de alta ou baixa tensión, os PET de dúas etapas poden conectarse a redes de CC de media/alta tensión no lado de alta tensión ou a sistemas fotovoltaicos/de almacenamento no lado de baixa tensión. Non obstante, a potencia activa transferida polos conversores a ambos os dous lados do transformador de illamento é moi sensible aos parámetros de inductancia de fuga do transformador. Ademais, o condensador do bus de CC experimenta flutuacións significativas de tensión de dobre frecuencia de liña e as flutuacións de corrente do conversor son grandes [7], o que dificulta o control.

Os PET de tres etapas (Fig. 1(b)) teñen barras de CC tanto nos lados de alta como de baixa tensión. A corrente alterna de entrada de frecuencia de liña rectíficase a unha barra de CC de alta tensión mediante conversión CA/CC, modúlase en ondas cadradas de alta frecuencia, acoplase ao lado de baixa tensión mediante un transformador de media/alta frecuencia, rectíficase a unha barra de CC de baixa tensión e, finalmente, invértese a tensión alterna de frecuencia de liña mediante conversión CC/CA. Os PET de tres etapas poden conectarse a sistemas de CC de alta e baixa tensión. O control de cada etapa de conversión é relativamente independente, o que facilita o desacoplamento e o control de compensación. Non obstante, as múltiples etapas de conversión dan como resultado a estrutura máis complexa. Debido ao deseño multietapa, as topoloxías de PET de tres etapas conseguen máis facilmente a cascada no lado de alta tensión e a paralelización no lado de baixa tensión, satisfacendo as necesidades das aplicacións de media/alta tensión. Polo tanto, as topoloxías de tres etapas son as máis utilizadas na investigación e aplicacións de PET de media/alta tensión.

Para os PET en aplicacións de media/alta tensión, o lado de baixa tensión ten niveis baixos de tensión con restricións mínimas de tensión do dispositivo. Pola contra, a etapa de rectificación de alta tensión e a etapa de illamento intermedio enfróntanse a niveis altos de tensión, o que impón requisitos máis estritos ás topoloxías de circuítos e dispositivos. A investigación existente céntrase en dúas direccións: ① Novas topoloxías e métodos de control para PET de media/alta tensión baseados nas clasificacións de tensión dos dispositivos existentes; ② Topoloxías e controis PET que empregan novos dispositivos de alta tensión, como dispositivos SiC de 10 kV [8, 9]. Non obstante, os dispositivos SiC de alta tensión aínda están na fase de I+D de laboratorio e os dispositivos comerciais aínda non poden cumprir os requisitos de tensión. Polo tanto, utilízanse topoloxías multimódulo en cascada ou multinivel de módulo único para cumprir os requisitos de alta tensión de entrada. As topoloxías típicas móstranse na Figura 2, analizadas na Sección 3.