Revisión de la topología y las aplicaciones de control de los transformadores electrónicos de potencia de media y alta tensión II

2 Selección de la estructura general del PET

Las topologías de los transformadores de energía de circuito abierto (PET) varían ampliamente. Según el número de etapas de conversión de energía, se pueden clasificar en tipos de una, dos y tres etapas [7]. Las estructuras de dos etapas incluyen aquellas con buses de CC de alta y baja tensión, como se muestra en la Figura 1.

En los PET de una sola etapa (Fig. 1(a)), una frecuencia media/alta Transformador de aislamiento Conecta convertidores CA/CA en ambos lados. El convertidor CA/CA del lado primario modula la tensión CA de frecuencia de línea de entrada a tensión CA de alta frecuencia, que se acopla a través del transformador y luego se convierte de nuevo a tensión CA de frecuencia de línea mediante el convertidor CA/CA del lado secundario. Los transformadores de potencia de una sola etapa (PET) tienen menos etapas de conversión y menos componentes, alta eficiencia y alta densidad de potencia. Sin embargo, la falta de un bus de CC los hace inadecuados para redes híbridas CA/CC, y el control de desacoplamiento de potencia es complejo.

Los transformadores de aislamiento de dos etapas cuentan con un bus de CC en el lado de alta o baja tensión. La topología de un lado del transformador de aislamiento se asemeja a la de un transformador de aislamiento de una sola etapa, mientras que el otro lado se conecta al bus de CC mediante circuitos CA/CC o CC/CA (Fig. 1(c) y Fig. 1(d)). Con enlaces de CC de alta o baja tensión, los transformadores de aislamiento de dos etapas pueden conectarse a redes de CC de media/alta tensión en el lado de alta tensión o a sistemas fotovoltaicos/de almacenamiento en el lado de baja tensión. Sin embargo, la potencia activa transferida por los convertidores en ambos lados del transformador de aislamiento es altamente sensible a los parámetros de inductancia de fuga del transformador. Además, el condensador del bus de CC experimenta fluctuaciones de tensión significativas de doble frecuencia de línea, y las fluctuaciones de corriente del convertidor son grandes [7], lo que dificulta el control.

Los PET de tres etapas (Fig. 1(b)) cuentan con buses de CC tanto en el lado de alta como en el de baja tensión. La corriente alterna de frecuencia de línea de entrada se rectifica a un bus de CC de alta tensión mediante conversión CA/CC, se modula en ondas cuadradas de alta frecuencia, se acopla al lado de baja tensión mediante un transformador de media/alta frecuencia, se rectifica a un bus de CC de baja tensión y, finalmente, se invierte a tensión alterna de frecuencia de línea mediante conversión CC/CA. Los PET de tres etapas pueden conectarse a sistemas de CC de alta y baja tensión. El control de cada etapa de conversión es relativamente independiente, lo que facilita el desacoplamiento y el control de compensación. Sin embargo, la presencia de múltiples etapas de conversión da como resultado la estructura más compleja. Gracias a su diseño multietapa, las topologías de PET de tres etapas permiten con mayor facilidad la conexión en cascada en el lado de alta tensión y la conexión en paralelo en el lado de baja tensión, satisfaciendo así las necesidades de las aplicaciones de media/alta tensión. Por lo tanto, las topologías de tres etapas son las más utilizadas en la investigación y las aplicaciones de PET de media/alta tensión.

Para los PET en aplicaciones de media/alta tensión, el lado de baja tensión tiene niveles de tensión bajos con mínimas restricciones de tensión del dispositivo. Por el contrario, la etapa de rectificación de alta tensión y la etapa de aislamiento intermedio se enfrentan a altos niveles de tensión, lo que impone requisitos más estrictos a las topologías de circuito y los dispositivos. La investigación existente se centra en dos direcciones: ① Nuevas topologías y métodos de control para PET de media/alta tensión basados ​​en las clasificaciones de tensión de los dispositivos existentes; ② Topologías y controles de PET que utilizan nuevos dispositivos de alta tensión, como dispositivos SiC de 10 kV [8, 9]. Sin embargo, los dispositivos SiC de alta tensión todavía están en la fase de I+D de laboratorio, y los dispositivos comerciales aún no pueden cumplir con los requisitos de tensión. Por lo tanto, se utilizan topologías multinivel en cascada de múltiples módulos o de un solo módulo para cumplir con los requisitos de alta tensión de entrada. Las topologías típicas se muestran en la Figura 2 y se analizan en la Sección 3.