Übersicht über Topologie- und Steuerungsanwendungen von Mittel- und Hochspannungs-Leistungstransformatoren II

2 PET Gesamtstrukturauswahl

PET-Topologien weisen eine große Vielfalt auf. Je nach Anzahl der Energieumwandlungsstufen lassen sie sich in einstufige, zweistufige und dreistufige Typen einteilen [7]. Zweistufige Strukturen umfassen solche mit Hoch- und Niederspannungs-Gleichstromzwischenkreisen, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Bei einstufigen PETs (Abb. 1(a)) wird eine mittlere/hohe Frequenz verwendet. Trenntransformator Verbindet AC/AC-Wandler auf beiden Seiten. Der primärseitige AC/AC-Wandler moduliert die netzfrequente Eingangswechselspannung in eine hochfrequente Wechselspannung, die über den Transformator eingekoppelt und anschließend vom sekundärseitigen AC/AC-Wandler wieder in netzfrequente Wechselspannung umgewandelt wird. Einstufige Leistungstransformatoren (PETs) zeichnen sich durch weniger Wandlungsstufen und Bauteile, einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte aus. Aufgrund des fehlenden DC-Zwischenkreises sind sie jedoch für hybride AC/DC-Netze ungeeignet, und die Leistungsentkopplungssteuerung ist komplex.

Zweistufige PETs verfügen über einen DC-Zwischenkreis entweder auf der Hoch- oder der Niederspannungsseite. Die Topologie auf einer Seite des Trenntransformators ähnelt der eines einstufigen PETs, während die andere Seite über AC/DC- oder DC/AC-Schaltungen mit dem DC-Zwischenkreis verbunden ist (Abb. 1(c) und Abb. 1(d)). Mit Hoch- oder Niederspannungs-DC-Zwischenkreisen können zweistufige PETs auf der Hochspannungsseite an Mittel-/Hochspannungs-DC-Netze oder auf der Niederspannungsseite an PV-/Speichersysteme angeschlossen werden. Die von den Umrichtern auf beiden Seiten des Trenntransformators übertragene Wirkleistung reagiert jedoch sehr empfindlich auf die Streuinduktivität des Transformators. Darüber hinaus unterliegt der DC-Zwischenkreiskondensator signifikanten Spannungsschwankungen mit doppelter Netzfrequenz, und die Umrichterstromschwankungen sind groß [7], was die Regelung erschwert.

Dreistufige PETs (Abb. 1(b)) verfügen über Gleichstromzwischenkreise auf der Hoch- und Niederspannungsseite. Der netzfrequente Eingangswechselstrom wird mittels AC/DC-Wandlung auf einen Hochspannungs-Gleichstromzwischenkreis gleichgerichtet, in hochfrequente Rechteckwellen moduliert, über einen Mittel-/Hochfrequenztransformator auf die Niederspannungsseite eingekoppelt, dort erneut gleichgerichtet und schließlich mittels DC/AC-Wandlung wieder in netzfrequente Wechselspannung umgewandelt. Dreistufige PETs können sowohl an Hoch- als auch an Niederspannungs-Gleichstromsysteme angeschlossen werden. Die Ansteuerung jeder Wandlungsstufe ist relativ unabhängig, was die Entkopplung und Kompensationsregelung erleichtert. Mehrere Wandlungsstufen führen jedoch zu einer komplexeren Struktur. Aufgrund des mehrstufigen Aufbaus lassen sich dreistufige PET-Topologien leichter auf der Hochspannungsseite kaskadieren und auf der Niederspannungsseite parallel schalten und erfüllen somit die Anforderungen von Mittel-/Hochspannungsanwendungen. Daher sind dreistufige Topologien in der Mittel-/Hochspannungs-PET-Forschung und -Anwendung am weitesten verbreitet.

Bei PETs für Mittel-/Hochspannungsanwendungen weist die Niederspannungsseite niedrige Spannungspegel mit minimalen Spannungsanforderungen an die Bauelemente auf. Im Gegensatz dazu sind die Hochspannungs-Gleichrichtungsstufe und die Zwischenisolationsstufe hohen Spannungspegeln ausgesetzt, was strengere Anforderungen an Schaltungstopologien und Bauelemente stellt. Die Forschung konzentriert sich derzeit auf zwei Richtungen: ① Neue Topologien und Steuerungsmethoden für Mittel-/Hochspannungs-PETs basierend auf den Spannungsnennwerten bestehender Bauelemente; ② PET-Topologien und -Steuerungen mit neuen Hochspannungsbauelementen, wie z. B. 10-kV-SiC-Bauelementen [8, 9]. Hochspannungs-SiC-Bauelemente befinden sich jedoch noch in der Labor-Entwicklungsphase, und kommerzielle Bauelemente erfüllen die Spannungsanforderungen noch nicht. Daher werden kaskadierte Mehrmodul- oder Mehrpegeltopologien mit einem Modul eingesetzt, um die hohen Eingangsspannungsanforderungen zu erfüllen. Typische Topologien sind in Abbildung 2 dargestellt und werden in Abschnitt 3 analysiert.