Wielopoziomowe układy energoelektroniczne dla energetyki

elementy energoelektroniczne
Elementy półprzewodnikowe w układach energoelektronicznych pracują – poza specjalnymi zastosowaniami – jako łączniki. Powinny one zatem cechować sięnastępującymi właściwościami:

• wysokim napięciem odcięcia przy niewielkim prądzie odcięcia (w stanie blokowania),
• wysokim prądem przewodzenia przy jednoczesnym małym spadku napięcia na elemencie przewodzącym (małymi stratami wydzielającymi się na elemencie podczas przewodzenia),
• procesem przełączania elementu powodującym małe straty przełączeniowe, pozwalającym na wysokie częstotliwości przełączania oraz wymagającym możliwie prostych układów pomocniczych,
• możliwością łatwego równoległego łączenia elementów przy wysokim napięciu znamionowym pracy [12].

Do najczęściej stosowanych obecnie w układach energoelektronicznych elementów półprzewodnikowych należą: diody i tyrystory mocy, tyrystory GTO (Gate Turn-Off Thyristor), IGCT ( Integrated Gate-Commutated Thyristor) i tranzystory IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor). Chociaż napięcia blokowania dla tych elementów sięgają 10 kV i mogą przez nie przepływać prądy ok. 5 kA, aby uzyskać żądany poziom napięcia pracy układu, zastosowanie pojedynczego łącznika może okazać się niewystarczające. Aby uniknąć bezpośredniego połączenia szeregowego większej liczby zaworów, które przy nawet minimalnie niejednoczesnej zmianie stanu pracy mogą powodować nadmierne obciążenia przełączających później elementów, stosuje się układy wielopoziomowe i modułowe. Dodatkowo układy wielopoziomowe pozwalają uzyskać bardziej zbliżony do sinusoidalnego kształt krzywej napięcia wyjściowego.

Dzięki postępowi w technologii wytwarzania elementów półprzewodnikowych istnieje możliwość wykonania przekształtników o mocach rzędu setek megawatów i częstotliwości taktowania ponad 1,5 kHz [16].

zastosowanie układów energoelektronicznych w energetyce
Urządzenia energoelektroniczne dużych mocy znajdują coraz więcej zastosowań w przesyle, dystrybucji i rozdziale energii elektrycznej. Przy zasilaniu w energię elektryczną przekształtniki znajdują zastosowanie m.in. jako:

• urządzenia zasilające sieci wydzielone prądu stałego i przemiennego, np. zasilanie energią elektryczną platform wiertniczych, statków, samolotów, itp.,
• zasilanie sieci przemysłowych stanowiących wydzieloną część systemu,
• układy przyłączające do systemu energetycznego źródła o zmiennych parametrach elektrycznych (np. elektrownie wiatrowe i inne źródła energii odnawialnej), 
• sprzęgła pomiędzy sieciami (systemami elektroenergetycznymi) o różnej częstotliwości lub przesunięciu fazowym między napięciami,
• sprzęgła pomiędzy sieciami zmiennoprądowymi a sieciami napięcia stałego, np. kablami podmorskimi,
• zasilanie napędów elektrycznych,
• kompensatory mocy biernej.

przekształtniki bezpośrednie i przekształtniki prądu
Opis topologii układów przekształtnikowych, które doczekały się szerszego zastosowania, wraz z ich funkcjonalnością można znaleźć w wielu pozycjach literatury krajowej i zagranicznej, np. w [13, 14, 15, 17]. Szeroką grupę stanowią przekształtniki bezpośrednie, np. napięcia trójfazowego na napięcie trójfazowe. Typową topologię przekształtnika bezpośredniego wraz z transformatorem przedstawiono na rysunku 1. Przykładem tej grupy przekształtników może być przekształtnik macierzowy, w którym istnieje możliwość bezpośredniego połączenia (i odłączenia) w dowolnym czasie każdego z wejściowych napięć trójfazowych jako napięcia wyjściowego dowolnej fazy [1, 4].

Przekształtniki prądu jak do tej pory znalazły znikome zastosowanie przy zasilaniu silników trójfazowych, w wysokoczęstotliwościowej technice grzewczej i do kompensacji mocy biernej. Przekształtniki prądu mające prąd jako wielkość stałą obwodu pośredniczącego mogą być stosowane jako źródło zasilania dla sieci wtedy, gdy odbiornik umożliwia regulację prądu. Przykładowy układ znajdujący zastosowanie w praktyce przedstawiono na rysunku 2.

literatura

1. Alesina A., Venturini M.: Analysis of Optimum-Amplitude Nine-Switch Direct AC-AC Converters, IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 4 (1989), No. 1, pp. 101-112
2. Bakoń T.: Einsatz von Stromrichtern in der Energieversorgung zur Netzstützung und Fehlerstromlöschung, Rozprawa doktorska, Ruhr-Universität Bochum, 2008
3. Barbosa P., Steimer P., Steinke J., Winkelnkemper M., Celanovic N.: Active-Neutral-Point-Clamped (ANPC) Multilevel Converter Technology, 11th European Power Electronic Conference (EPE), Dresden 2005
4. Fligl S.: Matrix Converter in Hybrid Drives, Rozprawa doktorska, Czech Technical University Prague, 2006
5. Glinka M.: A New AC/AC Multilevel Converter Family. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 52, No. 3, 2005
6. Hammond P.: A new Approach to Enhance Power Quality for Medium Voltage AC Drives, IEEE Transaction on Industry Application, Vol. 33 (1997), No. 1, pp. 202-208
7. Holtz J.: Selbstgeführte Wechselrichter mit treppenförmiger Ausgangsspannung für große Leistung und hohe Frequenz, Siemens Forschungs- und Entwicklungs-Berichte 6 (1977), Nr. 3, pp. 164-171
8. Marquardt R., Lesnicar A., Hildinger J.: Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendungen bei hohen Spannungen, ETG-Fachbericht 88, VDE Verlag 2002, S. 155-161
9. Marquardt R., Lesnicar A.: New Concept for High Voltage – Modular Multilevel Converter, 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Aachen 2004
10. Meynard T., Foch H.: Multi-Level Conversion: High Voltage Choppers and Voltage Source Inverters, 27th IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC) 1992
11. Nabae A. i in.: A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter. IEEE Transaction on Industry Application, Vol. IA-17 (1981), No. 5, pp. 518-530
12. Nicolai U. i in.: Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule, Semikron International 1998
13. Skudelny H.-C.: Stromrichtertechnik, Aachener Beiträge des ISEA 1997
14. Steimel A.: Leistungselektronik, Skrypt do wykładów, Ruhr-Universität Bochum 2005
15. Steimel A.: Leistungselektronik II, Skrypt do wykładów, Ruhr-Universität Bochum 2006
16. Tchouangue G.: Press Pack Modules for Industrial Switching Application, Power Electronics Europe 2/2004, pp. 37-39
17. Tunia H., Barlik R.: Teoria przekształtników. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej 1992