przegląd topologii przekształtników wielopoziomowych pod kątem

przegląd topologii przekształtników wielopoziomowych pod kątem

Tomasz GAJOWIK
Mariusz MALINOWSKI
PRZEGLĄD TOPOLOGII PRZEKSZTAŁTNIKÓW
WIELOPOZIOMOWYCH POD KĄTEM
ZASTOSOWANIA W INTELIGENTNYM
TRANSFORMATORZE
STRESZCZENIE
Tematem niniejszego artykułu jest przegląd
topologii przekształtników energoelektronicznych AC-DC oraz DC-DC, które
z powodzeniem można stosować w układach typu „inteligentny transformator”. Opisano w nim cechy poszczególnych rozwiązań, ze szczególnym
naciskiem na przekształtniki wielopoziomowe, które pracując wraz z siecią
elektroenergetyczną średniego napięcia (SN), umożliwiają zastosowanie standardowych i stosunkowo tanich niskonapięciowych łączników półprzewodnikowych. Układ taki zachowuje wysoką sprawność, pomimo dużej częstotliwości przełączania tranzystorów, pozwalając tym samym uzyskać redukcję
wartości elementów biernych w filtrach, zmniejszając jednocześnie objętość
i cenę urządzenia. Zastosowanie układu wielopoziomowego w transformatorowym przekształtniku DC-DC, pozwala na pracę transformatora z wysoką
częstotliwością, a co za tym idzie na zmniejszenie rozmiarów, wagi i ceny
transformatora.
Słowa kluczowe: energoelektronika, inteligentny transformator, przekształtniki
wielopoziomowe
1. WSTĘP
Przekształtniki wielopoziomowe (Multilevel Converters), mimo iż w literaturze
opisane są dość obszernie, dopiero niedawno zaczęły być stosowane w przemyśle. Spadająca cena standardowych elementów półprzewodnikowych, dostępność rozbudowanych platform sterujących DSP i chęć dążenia do zmniejszenia wymiarów gabarytowych urządzeń, przy jednoczesnym wzroście częstotliwości przełączania łączników
mgr inż. Tomasz GAJOWIK, dr hab. inż. Mariusz MALINOWSKI, prof. PW
e-mail: [email protected]; [email protected]
Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut Sterowania i Elektroniki
Przemysłowej, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 270, 2015
122
T. Gajowik, M. Malinowski
półprzewodnikowych i zachowaniu wysokiej sprawności są tylko niektórymi z szeregu
czynników wpływających na atrakcyjność układów wielopoziomowych.
Wielopoziomowy trójfazowy przekształtnik AC-DC przyłączony do sieci
średniego napięcia (SN), wraz z dwukierunkowym transformatorowym przekształtnikiem DC-DC obniżającym napięcie i przekształtnikiem DC-AC przyłączonym do
sieci niskiego napięcia (nn) tworzą sprzęg, który można nazwać „inteligentnym
transformatorem” - ST (z ang. Smart-Transformer) [1]. Takie rozwiązanie ma szereg
zalet, których próżno szukać w tradycyjnym transformatorze energetycznym.
2. KONCEPCJA INTELIGENTNEGO TRANSFORMATORA
Jak wspomniano w poprzedniej części, podstawowymi członami inteligentnego
transformatora są:
 człon średnionapięciowego przekształtnika AC-DC (MVC),
 człon transformatorowego wysokoczęstotliwościowego przekształtnika DC-DC
o odpowiedniej przekładni,
 człon niskonapięciowego przekształtnika DC-AC (LVC).
Celem zobrazowania połączeń wymienionych elementów, na rysunku 1.
zaprezentowano schemat blokowy typowego układu inteligentnego transformatora.
Rys. 1. Schemat blokowy inteligentnego transformatora
Zaprezentowany układ może zastąpić tradycyjny transformator energetyczny, eliminując niektóre jego wady i dodając zupełnie nowe, dotąd niedostępne funkcjonalności
tj. prawidłowa praca przy asymetrii, zapadach i różnych zaburzeniach napięcia, które
nie są przenoszone z jednej strony transformatora na drugą. Ponadto układ jest
w stanie w pełni kontrolować wartość i kierunek przepływu energii oraz kompensować
moc bierną. Inteligentne transformatory mogą komunikować się ze sobą i innymi
elementami systemu elektroenergetycznego, tworząc inteligentną sieć (Smart Grid) [1].
Wymieniając między sobą dane, mogą tak sterować przepływem energii i jej parametrami, aby podczas awarii sieci przekonfigurować i dostosować ją do pracy w nowych
warunkach, ograniczając przy tym negatywne skutki dla użytkowników końcowych.
Obecność obwodów pośredniczących napięcia stałego między członami urządzenia
pozwala na bezpośrednie przyłączenie sieci prądu stałego, eliminując konieczność
stosowania dodatkowego prostownika wraz z filtrami.
Przegląd topologii przekształtników wielopoziomowych…
123
3. CZŁON ŚREDNIONAPIĘCOWY MVC
Przekształtnik MVC podłączony jest do sieci SN o napięciu przewodowym
wynoszącym 15 kV. Na rynku nie ma dostępnych pojedynczych tranzystorów mogących
pracować przy tak wysokim napięciu. Podstawowe klasy napięciowe wynoszą odpowiednio: 600 V, 1200 V, 1700 V, 3,3 kV i 6,5 kV. Dlatego też w celu budowy
przekształtnika MVC konieczne jest zastosowanie topologii wielopoziomowej składającej się z połączonych szeregowo modułów (topologia kaskadowa) [2, 3]. Każdy
z modułów odpowiednio moduluje napięcie, a suma napięć wszystkich modułów w gałęzi
jest napięciem wyjściowym przekształtnika wielopoziomowego.
Ogólny schemat przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Ogólny schemat trójfazowego kaskadowego
przekształtnika wielopoziomowego
W topologii kaskadowej moduły mogą składać się z dowolnych n-poziomowych
przekształtników, zarówno półmostkowych, jak i pełnych mostków. Przykładowe
moduły zostały przedstawione na rysunku 3.
Rys. 3. Topologie półmostka i pełnego mostka
124
T. Gajowik, M. Malinowski
Moduł zbudowany z dwóch tranzystorów (rys. 3a) ma na wyjściu dwa poziomy napięć:
+1/2 Vdc i -1/2 Vdc, natomiast układ pełnego mostka (rys. 3b) zbudowanego z czterech
tranzystorów jest już układem trójpoziomowym o poziomach napięć wyjściowych:
+Vdc, 0 i -Vdc .
Półmostkowy trójpoziomowy przekształtnik NPC (rys. 3c), zbudowany
z tranzystorów o klasie napięciowej o połowę niższej niż w topologiach rozpatrywanych
wyżej, przy zachowaniu takiego samego napięcia w obwodzie pośredniczącym, jest
w stanie wygenerować trzy poziomy napięcia, tj.: +1/2Vdc, -1/2Vdc i 0. Dodając do
trójpoziomowego półmostka NPC drugą gałąź tranzystorową, zostanie uzyskany
pięciopoziomowy mostek NPC, o poziomach napięcia na wyjściu: +Vdc, +1/2Vdc, 0,
-1/2Vdc i -Vdc.
Istnieje również możliwość zastosowania we wszystkich układach z rysunku 3.
tranzystorów o tej samej klasie napięciowej. Wtedy jednak napięcie w obwodzie
pośredniczącym dla topologii NPC powinno być dwukrotnie wyższe niż w topologiach
a) i b) z rysunku 3.
Z powyższego opisu wynika jasno, że aby uzyskać napięcie wyjściowe o takiej
samej wartości w n-poziomowym przekształtniku półmostkowym, jak w pełnym
mostku, należy połączyć szeregowo dwukrotnie więcej modułów. Liczba tranzystorów
będzie równa w obydwu przypadkach, jednak wymagane jest dwukrotnie więcej źródeł
napięcia stałego i dodatkowe gałęzie kondensatorowe, co znacznie podnosi koszt
urządzenia. Fakt ten przemawia za stosowaniem w inteligentnym transformatorze
topologii mostkowych.
Suma napięć wszystkich modułów w gałęzi tworzy napięcie wyjściowe jednej
fazy przekształtnika. Przykładowy przebieg 9-poziomowego przekształtnika zbudowanego z dwupoziomowych mostków H przedstawia rysunek 4.
Rys. 4. Przebiegi prądu i napięcia w 9–poziomowym przekształtniku kaskadowym z dwupoziomowymi mostkami H
Liczbę poziomów napięcia w fazie dla przekształtników wielopoziomowych można
opisać równaniem [4]:
Przegląd topologii przekształtników wielopoziomowych…
m  1   j 1 (m j  1)
n
125
(1)
gdzie:
m – liczb poziomów w gałęzi,
n – liczba modułów w gałęzi,
j – liczba poziomów w n-tym module
Większa liczba poziomów napięcia, w stosunku do topologii 2-poziomowej, pozwala
osiągnąć przy takich samych wartościach elementów filtra, mniejsze wartości THD
prądu i napięcia [5].
Modułowość topologii kaskadowej pozwala na łatwą rozbudowę już istniejącego
urządzenia o kolejne poziomy napięcia, uzyskując przekształtniki 5-, 7- i więcej
poziomowe. Przekształtnik kaskadowy zaprojektowany z odpowiednią rezerwą
napięciową, przy uszkodzeniu któregoś z tranzystorów w dowolnym module, powinien
być w stanie pracować dalej z mniejszą liczbą poziomów. W sytuacji takiej moduł
uszkodzony wystawia napięcie równe 0V, natomiast pozostałe moduły muszą pracować
ze zwiększonym współczynnikiem modulacji, zwiększając tym samym wartość
wystawianego napięcia. Zsumowane powiększone napięcia powinny być równe
napięciu fazowemu przed awarią.
Moduły formujące najwyższe poziomy napięcia są obciążone mniejszą mocą niż
mostki formujące poziomy przy zerze przebiegu. Powoduje to nierówne nagrzewanie
się łączników półprzewodnikowych i w dłuższej perspektywie czasu może prowadzić
do mechanicznego zmęczenia materiału struktury półprzewodnikowej i jej uszkodzenia.
Zaimplementowanie metody sterowania, która będzie w odpowiedni sposób zarządzać
pracą tranzystorów pozwoli nie tylko na wyeliminowanie problemu nierównomiernego
nagrzewania się i nierównomiernego rozkładu mocy, ale także podniesie moc całego
układu.
Topologia kaskadowa powala osiągnąć wysoką częstotliwość przełączania
tranzystorów, przy zachowaniu stosunkowo niskich strat łączeniowych [6]. Ponieważ
przez większość czasu tranzystory w module nie modulują napięcia, lecz są załączone
bądź wyłączone, nie występują wtedy na nich straty łączeniowe. Dlatego w krótkich
momentach, gdy zachodzi przełączanie, można podnieść częstotliwość do wartości,
która w normalnym, ciągłym trybie pracy nie byłaby możliwa. Nadmiar energii cieplnej
pochodzącej ze strat łączeniowych zostanie oddany do radiatora w chwilach bez
modulacji.
W tabeli 1 dokonano porównania rozpatrywanych topologii przy zastosowaniu
tranzystorów o klasie napięciowej 3,3 kV i 6,5 kV. Nie uwzględniono 5-poziomowej
topologii NPC z tranzystorami 6,5 kV ze względu na zbyt wysokie napięcie w obwodzie pośredniczącym.
Istnieje możliwość zbudowania przekształtnika MVC w topologii NPC
o odpowiednio wysokiej liczbie poziomów, jednak wraz ze wzrostem liczby poziomów
co raz trudniej jest wyrównywać napięcia na kondensatorach, a w pewnych warunkach
jest to nawet niemożliwe.
126
T. Gajowik, M. Malinowski
TABELA 1
Porównanie topologii kaskadowej, NPC i tradycyjnej
2-poziomowej
kaskadowa mostkowa
topologia
H 2H 5H 2poziomowa poziomowa poziomowa
6,5 kV
NPC 3,3 kV
3,3 kV
n-poziomów
liczba
tranzystorów
cena
sprawność
złożoność
sterowania
wielkość filtrów
redundancja
dodatkowy
osprzęt
podsumowanie
4x 2x 2x 4. CZŁON DC-DC
Zadaniem członu DC-DC jest zapewnienie separacji galwanicznej obwodów
nisko- i średnionapięciowego i dopasowanie poziomów napięć prądu stałego do
wartości wymaganych przez człony nisko- i średnionapięciowy. Przekształtnik DC-DC
musi posiadać zdolność dwukierunkowego przekazywania energii, przy zachowaniu
Rys. 5. Jednofazowy podwójny mostek aktywny z pełnym
5-poziomowym mostkiem po stronie średniego napięcia
Przegląd topologii przekształtników wielopoziomowych…
127
możliwie wysokiej sprawności i wysokiej dynamiki zmiany kierunku przekazywania
energii. Najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest podwójny mostek aktywny.
Przykład wielopoziomowej topologii jednofazowej przedstawiono na rysunku 5.
Zaprezentowany układ jest w stanie połączyć źródła napięcia stałego o różnych
wartościach dzięki odpowiedniej przekładni transformatora i zastosowania wielopoziomowego przekształtnika po stronie średniego napięcia i trójpoziomowego mostka H
po stronie niskiego napięcia. Istnieje możliwość zastosowania prostszego rozwiązania
także po stronie średniego napięcia, należałoby wtedy wstawić mostek 3-poziomowy
z tranzystorów na 6,5 kV, jednak ograniczona zostałaby częstotliwość łączeń i spadłaby
sprawność. Rozwiązanie takie pociągnęłoby za sobą zwiększenie wartości elementów
w filtrach i zwiększyłoby objętość rdzenia transformatora.
Zastosowanie przekształtnika trójpoziomowego NPC po stronie średnionapięciowej, przedstawionego na rysunku 6, pozwoli na użycie tranzystorów nie tylko
z tej samej klasy napięciowej, ale także prądowej [7]. Dzięki temu wszystkie półprzewodniki będą wykorzystane w optymalny sposób, pracując z wysoką częstotliwością.
Zastosowanie topologii półmostkowej, zamiast mostka H, zmniejsza dwukrotnie
napięcie na zaciskach transformatora po stronie średniego napięcia, co dwukrotnie
zmniejsza objętość rdzenia transformatora. Rozwiązanie takie znacznie obniża koszt
całego urządzenia, mimo dodatkowych gałęzi kondensatorowych w półmostkach.
Rys. 6. Rezonansowy jednofazowy 3-poziomowy podwójny mostek aktywny
Podwójny mostek aktywny posiada zdolność przełączania tranzystorów przy
zerowym prądzie (ZCS) lub zerowym napięciu (ZVS), ale tylko w określonych
przedziałach pracy. Aby poszerzyć zakres miękkiego przełączania i tym samym
zwiększyć sprawność układu, dodano kondensator rezonansowy do obwodu transformatora (rys. 6).
5. CZŁON NISKONAPIĘCIOWY LVC
Po stronie niskonapięciowej, gdzie napięcie przewodowe sieci wynosi 3x400 V,
wymagane jest napięcie w obwodzie pośredniczącym prądu stałego na poziomie 600 V.
128
T. Gajowik, M. Malinowski
Rys. 7. Topologia 3-poziomowego przekształtnika DC-AC zaproponowana do członu
niskonapięciowego
Najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie trójgałęziowego przekształtnika
dwupoziomowego. Rozwiązanie to nie jest jednak pozbawione wad. Topologia
trójpoziomowa NPC przedstawiona na rysunku 7. pozwala na zastosowanie tranzystorów o klasie napięciowej charaktertyzującej się napięciem przebicia na poziomie
600 V, co pozwala na przełączanie tranzystorów z wysoką częstotliwością przy zachowaniu wysokiej sprawności.
Dzięki topologii trójpoziomowej, emitowane zakłócenia elektromagnetycznie
pozostają na niskim poziomie, możliwe jest zastosowanie filtru sieciowego
z elementami o niewielkich wartościach, co ma bezpośrednie przełożenie na wielkość
i cenę urządzenia.
6. PODSUMOWANIE
Przekształtniki wielopoziomowe pozwalają na zastąpienie tradycyjnych transformatorów energetycznych „inteligentnymi transformatorami”, które posiadają szereg
funkcjonalności niedostępnych dla rozwiązania tradycyjnego. Pełna kontrola przepływu
energii, praca przy asymetrii napięć lub nawet awarii jednej z faz, kompensacja mocy
biernej, zdolność komunikacji z innymi urządzeniami w sieci Smart Grid, to tylko cześć
z możliwości jakie oferuje inteligentny transformator. W artykule przedstawiono
topologie przekształtników wielopoziomowych zarówno dla przekształtników AC-DC
jak i transformatorowych przetwornic DC-DC, dokonano analizy działania układów
i wskazano najważniejsze cechy poszczególnych rozwiązań.
LITERATURA
1. Aggeler D., Biela J., Kolar J. W.: Solid-State Transformer based on SiC JFETs for
Future Energy Distribution Systems. Smart Energy Strategies: Meeting the Climate
Change Challenge, s. 29-32, Hochschulverlag AG, Zurich, 2008.
Przegląd topologii przekształtników wielopoziomowych…
129
2. Malinowski M.,. Gopakumar K., Rodriguez J., Pérez M. A.: A Survey on Cascaded
Multilevel Inverters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, nr 7, s. 21972206, July 2010.
3. Lai J-S., Peng F. Z.: Multilevel Converters - A New Breed of Power Converters. IEEE
Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No. 3, May/June 1996, s. 509-517.
4. Malinowski M., Styński S.: Simulation of Single-Phase Cascade Multilevel PWM
Converters. The International Conference on ‘Computer as a Tool’, , EUROCON,
Warsaw, s. 1524-1529, 2007.
5. Hoosh B. M., Zaimeddine R., Undeland T. M.: Comparison of Harmonics and Common
Mode Voltage in NPC and FLC Multilevel Converters. 14th International Power
Electronics and Motion Control Conference, Ohrid, s. T2-158 - T2-161, 2010.
6. Nami A., Liang J., Dijkhuizen F., and. Demetriades G. D.: Modular Multilevel
Converters for HVDC Applications. Review on Converter Cells and Functionalities.
IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, nr 1, s. 18-36, August 2014.
7. Jing P., Wang C.: Analysis of Isolated Three-level Half-bridge Bidirectional DC/DC
Converter based on series resonant. IEEE International Symposium on Industrial
Electronics, Hangzhou, s. 194 – 199, May 2012.
Przyjęto do druku dnia 01.10.2015 r.
REVIEW OF MULTILEVEL CONVERTERS USED
IN SMART TRANSFORMER
Tomasz GAJOWIK, Mariusz MALINOWSKI
ABSTRACT
This article presents an overview of AC-DC and DCDC power converters topology used in the context of the application of
"smart transformer". It describes the characteristics of individual solutions
with an emphasis on multi-level converters connected to the medium voltage
AC grid and it allows to apply commonly available and relatively
inexpensive low-voltage semiconductor switches. Such systems maintain
high efficiency as well as high frequency of switching. This allows to reduce
a volume of passive elements in the filters, reducing the volume and price of
the device. Use of the multi-level solution in DC-DC converter allows
operation at high frequency, and thus to reduce the size, weight and cost of
the transformer.
Keywords: power electronics, smart transformer, multi-level converters
130
T. Gajowik, M. Malinowski
Mgr inż. Tomasz GAJOWIK uzyskał stopień magistra inżyniera
na specjalizacji automatyka i inżynieria komputerowa na Wydziale
Elektrycznym Politechniki Warszawskiej. Od 2013 r. jest doktorantem
w Instytucie Sterowania i Elektroniki Przemysłowej. Obecnie zajmuje się
tematem połączenia i współpracy odnawialnych źródeł energii z siecią
energetyczną. Jest zaangażowany w projekty badawcze i rozwojowe, gdzie
prowadzi badania nad przekształtnikami energoelektronicznymi.
Dr hab. inż. Mariusz MALINOWSKI, prof. PW uzyskał stopień doktora habilitowanego na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej, gdzie jest obecnie zatrudniony
na etacie profesora. W trakcie swojej pracy zawodowej przebywał na stypendiach i stażach
w Aalborg University (Dania); University of Nevada (Reno, USA); Technical University of Berlin
(Niemcy), ETH Zurich (Szwajcaria), Universidad Tecnica Federico Santa Maria (Valparaíso,
Chile), University of Cergy-Pontoise (Francja) i ENSEEIHT–Laplace (Tuluza, Francja). Jest
autorem ponad 130 publikacji i trzech patentów. Otrzymał nagrody Siemensa (2002, 2007),
nagrody JM Rektora PW (2001, 2005, 2007, 2009, 2012, 2014), nagrody za artykuły na
konferencjach IECON’2000 (Japonia) i EPE-PEMC’2004 (Łotwa) oraz Nagrody Ministra
Nauki i Szkolnictwa Wyższego (2003, 2008). Jego wdrożenia przemysłowe zdobyły szereg
nagród i medali m.in. na targach innowacyjności w Genewie i Brukseli.