مروری بر توپولوژی و کاربردهای کنترلی ترانسفورماتورهای الکترونیک قدرت ولتاژ متوسط-بالا II

2 انتخاب ساختار کلی PET

توپولوژی‌های PET بسیار متنوع هستند. بر اساس تعداد مراحل تبدیل انرژی، می‌توان آنها را به انواع تک مرحله‌ای، دو مرحله‌ای و سه مرحله‌ای طبقه‌بندی کرد [7]. ساختارهای دو مرحله‌ای شامل ساختارهایی با باس‌های DC ولتاژ بالا و ولتاژ پایین هستند، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.

در PET های تک مرحله‌ای (شکل 1 (a))، یک فرکانس متوسط/بالا ترانسفورماتور ایزوله مبدل‌های AC/AC را در دو طرف به هم متصل می‌کند. مبدل AC/AC سمت اولیه، ولتاژ AC با فرکانس خط ورودی را به ولتاژ AC با فرکانس بالا مدوله می‌کند که از طریق ترانسفورماتور کوپل شده و سپس توسط مبدل AC/AC سمت ثانویه به ولتاژ AC با فرکانس خط تبدیل می‌شود. PETهای تک مرحله‌ای دارای مراحل تبدیل کمتر و اجزای کمتری، راندمان بالا و چگالی توان بالا هستند. با این حال، عدم وجود باس DC آنها را برای شبکه‌های AC/DC هیبریدی نامناسب می‌کند و کنترل جداسازی توان پیچیده است.

PETهای دو مرحله‌ای دارای یک باس DC در سمت ولتاژ بالا یا پایین هستند. توپولوژی در یک طرف ترانسفورماتور ایزولاسیون شبیه به یک PET تک مرحله‌ای است، در حالی که طرف دیگر از طریق مدارهای AC/DC یا DC/AC به باس DC متصل می‌شود (شکل 1 (c) و شکل 1 (d)). با لینک‌های DC ولتاژ بالا یا پایین، PETهای دو مرحله‌ای می‌توانند به شبکه‌های DC ولتاژ متوسط/بالا در سمت ولتاژ بالا یا به سیستم‌های PV/ذخیره‌سازی در سمت ولتاژ پایین متصل شوند. با این حال، توان اکتیو منتقل شده توسط مبدل‌ها در دو طرف ترانسفورماتور ایزولاسیون به پارامترهای اندوکتانس نشتی ترانسفورماتور بسیار حساس است. علاوه بر این، خازن باس DC نوسانات ولتاژ فرکانس دو خط قابل توجهی را تجربه می‌کند و نوسانات جریان مبدل زیاد است [7] که کنترل را چالش برانگیز می‌کند.

PET های سه مرحله‌ای (شکل 1 (ب)) دارای باس‌های DC در هر دو طرف ولتاژ بالا و پایین هستند. جریان AC با فرکانس خط ورودی از طریق تبدیل AC/DC به یک باس DC ولتاژ بالا یکسو می‌شود، به امواج مربعی با فرکانس بالا مدوله می‌شود، از طریق یک ترانسفورماتور فرکانس متوسط/بالا به سمت ولتاژ پایین کوپل می‌شود، به یک باس DC ولتاژ پایین یکسو می‌شود و در نهایت از طریق تبدیل DC/AC به ولتاژ AC فرکانس خط معکوس می‌شود. PET های سه مرحله‌ای می‌توانند به سیستم‌های DC ولتاژ بالا و پایین متصل شوند. کنترل هر مرحله تبدیل نسبتاً مستقل است و جداسازی و کنترل جبران را تسهیل می‌کند. با این حال، مراحل تبدیل چندگانه منجر به پیچیده‌ترین ساختار می‌شوند. با توجه به طراحی چند مرحله‌ای، توپولوژی‌های PET سه مرحله‌ای به راحتی در سمت ولتاژ بالا به آبشاری و در سمت ولتاژ پایین به موازی می‌رسند و نیازهای کاربرد ولتاژ متوسط/بالا را برآورده می‌کنند. بنابراین، توپولوژی‌های سه مرحله‌ای بیشترین کاربرد را در تحقیقات و کاربردهای PET ولتاژ متوسط/بالا دارند.

برای PETها در کاربردهای ولتاژ متوسط/بالا، سمت ولتاژ پایین دارای سطوح ولتاژ پایین با حداقل محدودیت‌های ولتاژ دستگاه است. در مقابل، مرحله یکسوسازی ولتاژ بالا و مرحله ایزولاسیون میانی با سطوح ولتاژ بالا روبرو هستند که الزامات سختگیرانه‌تری را بر توپولوژی‌ها و دستگاه‌های مدار تحمیل می‌کنند. تحقیقات موجود بر دو جهت متمرکز است: ① توپولوژی‌ها و روش‌های کنترل جدید برای PETهای ولتاژ متوسط/بالا بر اساس رتبه‌بندی‌های ولتاژ دستگاه موجود؛ ② توپولوژی‌ها و کنترل‌های PET با استفاده از دستگاه‌های ولتاژ بالای جدید، مانند دستگاه‌های SiC 10 کیلوولت [8، 9]. با این حال، دستگاه‌های SiC ولتاژ بالا هنوز در مرحله تحقیق و توسعه آزمایشگاهی هستند و دستگاه‌های تجاری هنوز نمی‌توانند الزامات ولتاژ را برآورده کنند. بنابراین، توپولوژی‌های چندسطحی آبشاری چند ماژولی یا تک ماژولی برای برآورده کردن الزامات ولتاژ ورودی بالا استفاده می‌شوند. توپولوژی‌های معمول در شکل 2 نشان داده شده است که در بخش 3 تجزیه و تحلیل شده‌اند.