PRZEGLĄD TOPOLOGII PRZEKSZTAŁTNIKÓW WIELOPOZIOMOWYCH POD KĄTEM ZASTOSOWANIA W INTELIGENTNYM TRANSFORMATORZE

Transkrypt

1 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 tomasz.gajowik@ee.pw.edu.pl; malin@isep.pw.edu.pl Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, ul. Koszykowa 75, Warszawa PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 270, 2015

2 122 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.

3 Przegląd topologii przekształtników wielopoziomowych 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

4 124 T. Gajowik, M. Malinowski Moduł zbudowany z dwóch tranzystorów (rys. 3a) ma na wyjściu dwa poziomy napięć: +1/2 V dc i -1/2 V dc, natomiast układ pełnego mostka (rys. 3b) zbudowanego z czterech tranzystorów jest już układem trójpoziomowym o poziomach napięć wyjściowych: +V dc, 0 i -V dc. 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.: +1/2V dc, -1/2V dc i 0. Dodając do trójpoziomowego półmostka NPC drugą gałąź tranzystorową, zostanie uzyskany pięciopoziomowy mostek NPC, o poziomach napięcia na wyjściu: +V dc, +1/2V dc, 0, -1/2V dc i -V dc. 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]:

5 Przegląd topologii przekształtników wielopoziomowych 125 n m j 1 j (1) m 1 ( 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.

6 126 T. Gajowik, M. Malinowski TABELA 1 Porównanie topologii kaskadowej, NPC i tradycyjnej 2-poziomowej kaskadowa mostkowa topologia H 2- poziomowa 3,3 kv H 5- poziomowa NPC 3,3 kv H 2- poziomowa 6,5 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

7 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.

8 128 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 , Hochschulverlag AG, Zurich, 2008.

9 Przegląd topologii przekształtników wielopoziomowych 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 , July 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 Malinowski M., Styński S.: Simulation of Single-Phase Cascade Multilevel PWM Converters. The International Conference on Computer as a Tool,, EUROCON, Warsaw, s , 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. T T2-161, 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 , August 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 , May Przyjęto do druku dnia r. REVIEW OF MULTILEVEL CONVERTERS USED IN SMART TRANSFORMER Tomasz GAJOWIK, Mariusz MALINOWSKI ABSTRACT This article presents an overview of AC-DC and DC- DC 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

10 130 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.