Tổng quan về cấu trúc và ứng dụng điều khiển của máy biến áp điện tử công suất trung-cao áp II

2 Lựa chọn cấu trúc tổng thể PET

Cấu trúc PET rất đa dạng. Dựa trên số lượng giai đoạn chuyển đổi năng lượng, chúng có thể được phân loại thành loại một giai đoạn, hai giai đoạn và ba giai đoạn [7]. Cấu trúc hai giai đoạn bao gồm những cấu trúc có bus DC điện áp cao và điện áp thấp, như được hiển thị trong Hình 1.

Trong PET một giai đoạn (Hình 1(a)), tần số trung bình/cao Biến áp cách ly Nó kết nối các bộ chuyển đổi AC/AC ở cả hai phía. Bộ chuyển đổi AC/AC phía sơ cấp điều chỉnh điện áp AC tần số lưới đầu vào thành điện áp AC tần số cao, được ghép nối thông qua máy biến áp và sau đó được chuyển đổi trở lại thành điện áp AC tần số lưới bởi bộ chuyển đổi AC/AC phía thứ cấp. Các PET một tầng có ít tầng chuyển đổi và ít linh kiện hơn, hiệu suất cao và mật độ công suất cao. Tuy nhiên, việc thiếu bus DC khiến chúng không phù hợp với lưới điện AC/DC lai và việc điều khiển tách công suất phức tạp.

PET hai tầng có bus DC ở phía điện áp cao hoặc điện áp thấp. Cấu trúc ở một phía của máy biến áp cách ly tương tự như PET một tầng, trong khi phía còn lại kết nối với bus DC thông qua mạch AC/DC hoặc DC/AC (Hình 1(c) và Hình 1(d)). Với các liên kết DC điện áp cao hoặc thấp, PET hai tầng có thể kết nối với lưới DC điện áp trung bình/cao ở phía điện áp cao hoặc với hệ thống PV/lưu trữ ở phía điện áp thấp. Tuy nhiên, công suất hoạt động được truyền bởi các bộ chuyển đổi ở cả hai phía của máy biến áp cách ly rất nhạy cảm với các thông số điện cảm rò rỉ của máy biến áp. Ngoài ra, tụ điện bus DC trải qua sự dao động điện áp gấp đôi tần số đường dây đáng kể và sự dao động dòng điện của bộ chuyển đổi rất lớn [7], khiến việc điều khiển trở nên khó khăn.

Các PET ba tầng (Hình 1(b)) có các bus DC ở cả phía điện áp cao và điện áp thấp. Dòng điện xoay chiều tần số lưới đầu vào được chỉnh lưu thành bus DC điện áp cao thông qua chuyển đổi AC/DC, được điều chế thành sóng vuông tần số cao, được ghép nối với phía điện áp thấp thông qua máy biến áp tần số trung/cao, được chỉnh lưu thành bus DC điện áp thấp, và cuối cùng được đảo ngược thành điện áp xoay chiều tần số lưới thông qua chuyển đổi DC/AC. PET ba tầng có thể kết nối với cả hệ thống DC điện áp cao và điện áp thấp. Việc điều khiển mỗi tầng chuyển đổi tương đối độc lập, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tách rời và điều khiển bù. Tuy nhiên, nhiều tầng chuyển đổi dẫn đến cấu trúc phức tạp nhất. Do thiết kế nhiều tầng, cấu trúc PET ba tầng dễ dàng đạt được việc ghép nối tiếp ở phía điện áp cao và ghép song song ở phía điện áp thấp, đáp ứng nhu cầu ứng dụng điện áp trung/cao. Do đó, cấu trúc ba tầng là cấu trúc được sử dụng rộng rãi nhất trong nghiên cứu và ứng dụng PET điện áp trung/cao.

Đối với PET trong các ứng dụng điện áp trung bình/cao, phía điện áp thấp có mức điện áp thấp với các ràng buộc điện áp thiết bị tối thiểu. Ngược lại, giai đoạn chỉnh lưu điện áp cao và giai đoạn cách ly trung gian phải đối mặt với mức điện áp cao, đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với cấu trúc mạch và thiết bị. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào hai hướng: ① Các cấu trúc mới và phương pháp điều khiển cho PET điện áp trung bình/cao dựa trên định mức điện áp thiết bị hiện có; ② Các cấu trúc PET và điều khiển sử dụng các thiết bị điện áp cao mới, chẳng hạn như thiết bị SiC 10kV [8, 9]. Tuy nhiên, các thiết bị SiC điện áp cao vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển trong phòng thí nghiệm, và các thiết bị thương mại vẫn chưa thể đáp ứng các yêu cầu về điện áp. Do đó, các cấu trúc đa mô-đun xếp tầng hoặc đa cấp một mô-đun được sử dụng để đáp ứng các yêu cầu điện áp đầu vào cao. Các cấu trúc điển hình được thể hiện trong Hình 2, được phân tích trong Phần 3.