Revisão sobre Topologia e Aplicações de Controle de Transformadores Eletrônicos de Potência de Média e Alta Tensão II

2 Seleção da Estrutura Geral do PET

As topologias PET variam amplamente. Com base no número de estágios de conversão de energia, elas podem ser classificadas em tipos de estágio único, dois estágios e três estágios [7]. As estruturas de dois estágios incluem aquelas com barramentos CC de alta e baixa tensão, conforme mostrado na Figura 1.

Em PETs de estágio único (Fig. 1(a)), uma frequência média/alta Transformador de isolamento Conecta conversores CA/CA em ambos os lados. O conversor CA/CA do lado primário modula a tensão CA de frequência da rede de entrada em tensão CA de alta frequência, que é acoplada através do transformador e então convertida novamente em tensão CA de frequência da rede pelo conversor CA/CA do lado secundário. Os PETs de estágio único possuem menos estágios de conversão e menos componentes, alta eficiência e alta densidade de potência. No entanto, a ausência de um barramento CC os torna inadequados para redes híbridas CA/CC, e o controle de desacoplamento de potência é complexo.

Os PETs de dois estágios apresentam um barramento CC no lado de alta ou baixa tensão. A topologia de um lado do transformador de isolamento assemelha-se à de um PET de estágio único, enquanto o outro lado se conecta ao barramento CC por meio de circuitos CA/CC ou CC/CA (Fig. 1(c) e Fig. 1(d)). Com links CC de alta ou baixa tensão, os PETs de dois estágios podem se conectar a redes CC de média/alta tensão no lado de alta tensão ou a sistemas fotovoltaicos/de armazenamento no lado de baixa tensão. No entanto, a potência ativa transferida pelos conversores em ambos os lados do transformador de isolamento é altamente sensível aos parâmetros de indutância de dispersão do transformador. Além disso, o capacitor do barramento CC sofre flutuações significativas de tensão com frequência dupla da rede, e as flutuações de corrente do conversor são grandes [7], dificultando o controle.

Os PETs de três estágios (Fig. 1(b)) possuem barramentos CC nos lados de alta e baixa tensão. A corrente CA de entrada na frequência da rede é retificada para um barramento CC de alta tensão por meio de conversão CA/CC, modulada em ondas quadradas de alta frequência, acoplada ao lado de baixa tensão por meio de um transformador de média/alta frequência, retificada para um barramento CC de baixa tensão e, finalmente, invertida para tensão CA na frequência da rede por meio de conversão CC/CA. Os PETs de três estágios podem ser conectados a sistemas CC de alta e baixa tensão. O controle de cada estágio de conversão é relativamente independente, facilitando o desacoplamento e o controle de compensação. No entanto, múltiplos estágios de conversão resultam na estrutura mais complexa. Devido ao projeto multiestágio, as topologias de PET de três estágios permitem mais facilmente o cascateamento no lado de alta tensão e o paralelismo no lado de baixa tensão, atendendo às necessidades de aplicações de média/alta tensão. Assim, as topologias de três estágios são as mais utilizadas em pesquisas e aplicações de PET de média/alta tensão.

Para PETs em aplicações de média/alta tensão, o lado de baixa tensão apresenta níveis de tensão baixos com restrições mínimas de tensão do dispositivo. Em contraste, o estágio de retificação de alta tensão e o estágio de isolamento intermediário enfrentam altos níveis de tensão, impondo requisitos mais rigorosos às topologias de circuito e aos dispositivos. As pesquisas existentes se concentram em duas direções: ① Novas topologias e métodos de controle para PETs de média/alta tensão com base nas classificações de tensão de dispositivos existentes; ② Topologias e controles de PET usando novos dispositivos de alta tensão, como dispositivos SiC de 10 kV [8, 9]. No entanto, os dispositivos SiC de alta tensão ainda estão na fase de P&D em laboratório, e os dispositivos comerciais ainda não atendem aos requisitos de tensão. Portanto, topologias em cascata de múltiplos módulos ou topologias multiníveis de módulo único são usadas para atender aos requisitos de alta tensão de entrada. Topologias típicas são mostradas na Figura 2 e analisadas na Seção 3.