Orta ve Yüksek Gerilim Güç Elektroniği Transformatörlerinin Topolojisi ve Kontrol Uygulamaları Üzerine İnceleme II

2 PET Genel Yapı Seçimi

PET topolojileri oldukça çeşitlidir. Enerji dönüşüm aşamalarının sayısına bağlı olarak, tek aşamalı, iki aşamalı ve üç aşamalı tiplere sınıflandırılabilirler [7]. İki aşamalı yapılar, Şekil 1'de gösterildiği gibi yüksek voltajlı ve düşük voltajlı DC baralara sahip olanları içerir.

Tek aşamalı PET'lerde (Şekil 1(a)), orta/yüksek frekanslı İzolasyon Trafosu Her iki tarafta da AC/AC dönüştürücüler bulunur. Birincil taraftaki AC/AC dönüştürücü, giriş şebeke frekanslı AC voltajını yüksek frekanslı AC voltajına dönüştürür; bu voltaj transformatörden geçirilerek ikincil taraftaki AC/AC dönüştürücü tarafından tekrar şebeke frekanslı AC voltajına dönüştürülür. Tek kademeli PET'ler daha az dönüştürme aşamasına ve daha az bileşene, yüksek verimliliğe ve yüksek güç yoğunluğuna sahiptir. Bununla birlikte, DC bara olmaması onları hibrit AC/DC şebekeleri için uygunsuz hale getirir ve güç ayrıştırma kontrolü karmaşıktır.

İki kademeli PET'ler, yüksek veya düşük voltaj tarafında bir DC bara içerir. İzolasyon transformatörünün bir tarafındaki topoloji, tek kademeli bir PET'inkine benzerken, diğer taraf AC/DC veya DC/AC devreleri aracılığıyla DC baraya bağlanır (Şekil 1(c) ve Şekil 1(d)). Yüksek veya düşük voltajlı DC bağlantılarıyla, iki kademeli PET'ler yüksek voltaj tarafında orta/yüksek voltajlı DC şebekelerine veya düşük voltaj tarafında PV/depolama sistemlerine bağlanabilir. Bununla birlikte, izolasyon transformatörünün her iki tarafındaki dönüştürücüler tarafından aktarılan aktif güç, transformatör kaçak endüktans parametrelerine oldukça duyarlıdır. Ek olarak, DC bara kapasitörü önemli çift hat frekanslı voltaj dalgalanmaları yaşar ve dönüştürücü akım dalgalanmaları büyüktür [7], bu da kontrolü zorlaştırır.

Üç kademeli PET'ler (Şekil 1(b)), hem yüksek hem de düşük voltaj taraflarında DC bara hatlarına sahiptir. Giriş şebeke frekanslı AC akımı, AC/DC dönüştürme yoluyla yüksek voltajlı bir DC bara hattına doğrultulur, yüksek frekanslı kare dalgalara modüle edilir, orta/yüksek frekanslı bir transformatör aracılığıyla düşük voltaj tarafına bağlanır, düşük voltajlı bir DC bara hattına doğrultulur ve son olarak DC/AC dönüştürme yoluyla şebeke frekanslı AC voltajına çevrilir. Üç kademeli PET'ler hem yüksek hem de düşük voltajlı DC sistemlerine bağlanabilir. Her bir dönüştürme aşamasının kontrolü nispeten bağımsızdır, bu da ayrıştırma ve kompanzasyon kontrolünü kolaylaştırır. Bununla birlikte, birden fazla dönüştürme aşaması en karmaşık yapıya neden olur. Çok kademeli tasarım nedeniyle, üç kademeli PET topolojileri, orta/yüksek voltaj uygulama ihtiyaçlarını karşılamak için yüksek voltaj tarafında kademeli ve düşük voltaj tarafında paralel bağlantıyı daha kolay bir şekilde sağlar. Dolayısıyla, üç aşamalı topolojiler, orta/yüksek voltajlı PET araştırmalarında ve uygulamalarında en yaygın kullanılanlardır.

Orta/yüksek voltaj uygulamalarındaki PET'ler için, düşük voltaj tarafı minimum cihaz voltajı kısıtlamalarıyla düşük voltaj seviyelerine sahiptir. Buna karşılık, yüksek voltaj doğrultma aşaması ve ara izolasyon aşaması yüksek voltaj seviyeleriyle karşı karşıya kalır ve devre topolojileri ve cihazlar üzerinde daha katı gereksinimler getirir. Mevcut araştırmalar iki yöne odaklanmaktadır: ① Mevcut cihaz voltaj değerlerine dayalı orta/yüksek voltajlı PET'ler için yeni topolojiler ve kontrol yöntemleri; ② 10kV SiC cihazları gibi yeni yüksek voltajlı cihazlar kullanan PET topolojileri ve kontrolleri [8, 9]. Bununla birlikte, yüksek voltajlı SiC cihazları hala laboratuvar Ar-Ge aşamasındadır ve ticari cihazlar henüz voltaj gereksinimlerini karşılayamamaktadır. Bu nedenle, yüksek giriş voltajı gereksinimlerini karşılamak için çok modüllü kademeli veya tek modüllü çok seviyeli topolojiler kullanılır. Tipik topolojiler Şekil 2'de gösterilmiştir ve Bölüm 3'te analiz edilmiştir.