Multi-megawatt three-phase dual-active bridge dC-dC converter : extending soft-switching operating range with auxiliary-resonant commutated poles and compensating transformer saturation effects

Voss, Johannes; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor); Mantooth, H. Alan (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2019)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center 75. Ausgabe : PGS, Power Generation and Storage Systems
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (x, 182 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

In dieser Dissertation wird ein Hochleistungs-Gleichspannungswandler mit der Bezeichnungen Dual-Active Bridge (DAB) bei einer Nennbetriebsspannung von 5 kV untersucht. Im Rahmen des Forschungscampus Flexible Elektrische Netze (FEN) wurde in der Versuchshalle des Instituts for Power Generation and Storage Systems (PGS) des E.ON Energy Research Centers (ERC) ein dreiphasiger DAB-Prüfstand errichtet Zentrum. Dieser Prüfstand soll an ein Mittelspannungs-Gleichstrom-Gleichstromnetz (MVDC) angeschlossen werden, das mehrere Multi-Megawatt-Prüfstände am RWTH Aachen Campus Melaten miteinander verbindet. In vielen Anwendungen arbeiten Umrichter hauptsächlich unter Teillastbedingungen mit einem geringeren Wirkungsgrad. Um den Wirkungsgrad zu verbessern und ein weiches Schalten der Leistungselektronik zu realisieren, wurde ein modifiziertes Design des sogenannten Auxiliary-Resonant Commutated-Pole (ARCP) implementiert. Das neue Design erfordert nur eine einfache Steuerung und verbessert somit die Zuverlässigkeit im Resonanzkreis. Das Konzept basiert auf einem nicht symmetrischen Schwingkreis, wobei der Spannungszwischenkreis in drei Kondensatoren unterteilt ist. Herkömmliche ARCP-Systeme benötigen zusätzliche teure Hochgeschwindigkeits-Stromsensorik. Mit dem verbesserten Setup werden diese Kosten beseitigt. Verluste und Totzeiteffekte können mit dem neuen System ausgeglichen werden. Die Technik wurde simuliert und vollständig in Hardware eingebettet. Drei einphasige Mittelfrequenztransformatoren verbinden die Wechselrichter. Während der Inbetriebnahme traten hohe unerwünschte Spannungsoberwellen auf, die das Vorhandensein von DC-Magnetisierungsströmen eindrucksvoll belegen. Die Sättigung führt zu hohen Kernverlusten, hoher Spannungsbelastung an den Wicklungen und erhöhter Magnetostriktion des Transformatorkerns, was zu unerwünschten Schallemissionen führen kann. Multi-Megawatt-Wandler mit Mittelfrequenztransformatoren können unter unerwünschten Gleichströmen leiden, die zu einer Kernsättigung führen. Die Ursache für dieses Sättigungsphänomen wird in dieser Arbeit analysiert und identifiziert. Eine neuartige Steuermethode zur Vermeidung der Transformatorsättigung in dreiphasigen Hochleistungs-DABs wurde entwickelt, simuliert und im Hardware-Aufbau realisiert. Bei diesem Ansatz wird die Sternpunktspannung des Transformators ausgewertet, um die Gleichstromkomponenten der Magnetisierungsströme zu bestimmen. Aus diesem Grund sind keine teuren, hochpräzisen Stromsensoren in der Wechselstromverbindung erforderlich, wie in früheren Studien zur Kompensation der Transformatorsättigung vorgeschlagen. Alle leistungselektronischen Komponenten sind in einem einzigartigen kompakten Aufbau mit einer Leistungsdichte von 0,6 kW / dm^3 in Schaltschränken integriert.

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