中高壓電力電子變壓器拓樸結構及控制應用綜述 II

2. PET整體結構選擇

PET拓樸結構種類繁多。根據能量轉換級數，可分為單級、兩級和三級類型[7]。兩級結構包括高壓和低壓直流母線，如圖1所示。

在單級PET（圖1(a)）中，中/高頻 隔離變壓器 它在兩側連接AC/AC轉換器。初級側的AC/AC轉換器將輸入的工頻交流電壓調製為高頻交流電壓，高頻交流電壓經變壓器耦合後，再由次級側的AC/AC轉換器轉換回工頻交流電壓。單級PET具有轉換級數和元件數量較少、效率高、功率密度高等優點。然而，由於缺少直流母線，它們不適用於混合AC/DC電網，且功率解耦控制較為複雜。

兩級PET在高壓側或低壓側均設有直流母線。隔離變壓器一側的拓樸結構與單級PET類似，而另一側則透過AC/DC或DC/AC電路連接至直流母線（圖1(c)和圖1(d)）。憑藉高壓或低壓直流鏈路，兩級PET的高壓側可連接至中/高壓直流電網，低壓側可連接至光伏/儲能係統。然而，隔離變壓器兩側轉換器傳輸的有功功率對變壓器漏感參數高度敏感。此外，直流母線電容會經歷顯著的倍頻電壓波動，且轉換器電流波動較大[7]，使得控制極具挑戰性。

三級光電轉換變壓器（圖1(b)）在高壓側和低壓側均設有直流母線。輸入的工頻交流電流經AC/DC轉換整流至高壓直流母線，調製為高頻方波，經中/高頻變壓器耦合至低壓側，再次整流至低壓直流母線，最後經DC/AC轉換逆變為工頻交流電壓。三級光電轉換變壓器可連接至高壓和低壓直流系統。各轉換級的控制相對獨立，便於解耦和補償控制。然而，多層次轉換也導致結構最為複雜。由於採用多級設計，三級光電轉換變壓器拓撲結構更容易實現高壓側級聯和低壓側並聯，滿足中/高壓應用需求。因此，三級拓樸結構是中/高壓光電轉換變壓器研究和應用中最廣泛使用的。

對於中高壓應用中的光電轉換電路（PET），低壓側電壓較低，對元件電壓的要求也較低。相較之下，高壓整流級和中間隔離級則面臨較高的電壓，對電路拓撲和裝置提出了更嚴格的要求。現有研究主要集中在兩個方向：① 基於現有元件額定電壓的中高壓PET新型拓樸結構和控制方法；② 使用新型高壓元件（例如10kV SiC元件[8, 9]）的PET拓撲結構和控制方法。然而，高壓SiC裝置仍處於實驗室研發階段，商用裝置目前尚無法滿足電壓需求。因此，通常採用多模組級聯或單模組多電平拓撲結構來滿足高輸入電壓要求。典型的拓樸結構如圖2所示，並在第3節中進行分析。