High-power medium-voltage DC-DC converters : design, control and demonstration

  • Mittelspannungs-Gleichspannungswandler hoher Leistung : Auslegung, Regelung und Demonstration

Soltau, Nils; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor); Monti, Antonello (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

In Gleichspannungsnetzen dienen Gleichspannungswandler dazu die Spannung hoch- oder herunter zu transformieren. Daher können sie auch als Äquivalent zum klassischen Transformator in Wechselspannungsnetzen gesehen werden. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Implementierung eines Hochleistungs-Gleichspannungswandlers für Mittelspannungsanwendungen. Basierend auf der Modellierung des Wandlers wird zunächst eine schnelle Stromsteuerung demonstriert, die in der Lage ist einen Referenzstrom innerhalb einer drittel Schaltperiode einzustellen. Darüber hinaus wird eine Ausgleichsregelung entwickelt, die die Ausnutzung des Wandlers erhöht. Um den Wirkungsgrad zu verbessern, wurde eine Zusatzschaltung ausgelegt für eine Hochleistungs-Mittelspannungsanwendung. Der Prototyp dieser Schaltung demonstriert ein kompaktes Design und eine Amortisation in unter einem Jahr für eine Windanwendung. Der Mittelfrequenztransformator ist eine Schlüsselkomponente im Gleichspannungswandler. Sein Design wird jedoch durch die hohe Leistungsdichte und die Anforderungen an die Streuinduktivität erschwert. Deshalb wurden insbesondere die Kernverluste im Transformator unter dem Einfluss der Leistungselektronik und die Auslegung der Streuinduktivität näher untersucht. Zudem wurde ein 2,2 MVA Transformator hergestellt, der bei einer Frequenz von 1 kHz betrieben wird. Dieser demonstriert eine zehnfache Leistungsdichte gegenüber eines 50 Hz Transformators. Schließlich werden in dieser Dissertation die Auslegung und der Aufbau eines Demonstrators des Hochleistungs-Gleichspannungswandlers präsentiert. Dieser Demonstrator ist für eine Gleichspannung von 5 kV und einer Leistung von 5 MW ausgelegt. Von der Inbetriebnahme werden sowohl wertvolle Schlussfolgerungen für eine industrielle Herstellung des Umrichters abgeleitet als auch interessante zukünftige Forschungsthemen.

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