중고전압 전력 전자 변압기의 위상 및 제어 응용에 대한 고찰 II

2. PET 전체 구조 선택

PET 토폴로지는 매우 다양합니다. 에너지 변환 단계 수에 따라 단일 단계, 2단계 및 3단계 유형으로 분류할 수 있습니다[7]. 2단계 구조에는 그림 1에 표시된 것과 같이 고전압 및 저전압 DC 버스가 있는 구조가 포함됩니다.

단일 단계 PET(그림 1(a))에서 중간/고주파수 절연 변압기 양쪽에 AC/AC 변환기를 연결합니다. 1차측 AC/AC 변환기는 입력 선로 주파수 AC 전압을 고주파 AC 전압으로 변조하고, 이 고주파 AC 전압은 변압기를 통해 연결된 후 2차측 AC/AC 변환기에 의해 다시 선로 주파수 AC 전압으로 변환됩니다. 단일 스테이지 PET는 변환 단계와 부품 수가 적고 효율이 높으며 전력 밀도가 높습니다. 그러나 DC 버스가 없기 때문에 하이브리드 AC/DC 그리드에는 적합하지 않으며, 전력 분리 제어가 복잡합니다.

2단 PET는 고전압 측 또는 저전압 측에 DC 버스를 갖습니다. 절연 변압기의 한쪽 토폴로지는 단일단 PET와 유사하지만, 다른 쪽은 AC/DC 또는 DC/AC 회로를 통해 DC 버스에 연결됩니다(그림 1(c) 및 그림 1(d)). 고전압 또는 저전압 DC 링크를 통해 2단 PET는 고전압 측에서 중/고전압 DC 계통에, 저전압 측에서 PV/저장 시스템에 연결할 수 있습니다. 그러나 절연 변압기 양쪽의 컨버터에서 전달되는 유효 전력은 변압기 누설 인덕턴스 파라미터에 매우 민감합니다. 또한 DC 버스 커패시터는 상당한 이중선 주파수 전압 변동을 겪고 컨버터 전류 변동이 커서 제어가 어렵습니다[7].

3단 PET(그림 1(b))는 고전압 측과 저전압 측 모두에 DC 버스를 갖습니다. 입력 선간 주파수 AC 전류는 AC/DC 변환을 통해 고전압 DC 버스로 정류되고, 고주파 구형파로 변조된 후, 중/고주파 변압기를 통해 저전압 측으로 전달되어 다시 저전압 DC 버스로 정류되고, 최종적으로 DC/AC 변환을 통해 선간 주파수 AC 전압으로 반전됩니다. 3단 PET는 고전압 및 저전압 DC 시스템 모두에 연결할 수 있습니다. 각 변환 단계의 제어는 비교적 독립적이므로 디커플링 및 보상 제어가 용이합니다. 그러나 변환 단계가 많을수록 구조가 가장 복잡해집니다. 다단 설계로 인해 3단 PET 토폴로지는 고전압 측의 캐스케이드 연결과 저전압 측의 병렬 연결이 더 용이하여 중/고전압 응용 분야의 요구 사항을 충족합니다. 따라서 3단 토폴로지는 중/고전압 PET 연구 및 응용 분야에서 가장 널리 사용됩니다.

중/고전압 응용 분야의 PET(Powered Electrode)에서 저전압 측은 최소한의 소자 전압 제약 조건으로 낮은 전압 레벨을 갖습니다. 반면, 고전압 정류 단계와 중간 절연 단계는 높은 전압 레벨에 직면하므로 회로 토폴로지와 소자에 더욱 엄격한 요구 사항이 부과됩니다. 기존 연구는 크게 두 가지 방향으로 진행되었습니다. ① 기존 소자의 전압 정격을 기반으로 하는 중/고전압 PET용 새로운 토폴로지 및 제어 방법, ② 10kV SiC 소자와 같은 새로운 고전압 소자를 사용하는 PET 토폴로지 및 제어 방법 [8, 9]. 그러나 고전압 SiC 소자는 아직 연구 개발 단계에 있으며, 상용 소자는 아직 요구 전압을 충족하지 못하고 있습니다. 따라서 높은 입력 전압 요구 사항을 충족하기 위해 다중 모듈 캐스케이드 또는 단일 모듈 다중 레벨 토폴로지가 사용됩니다. 대표적인 토폴로지는 그림 2에 나와 있으며, 3절에서 분석합니다.