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

Soltau, Nils; Monti, Antonello; de Doncker, Rik W.

doi:HT019318841

High-power medium-voltage DC-DC converters : design, control and demonstration = Mittelspannungs-Gleichspannungswandler hoher Leistung : Auslegung, Regelung und Demonstration

Soltau, Nils^RWTH*

2017

VerantwortlichkeitsangabeNils-Jörgen Soltau

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen 2017

Umfangviii, 176 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-942789-42-4

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
de Doncker, Rik W. (Thesis advisor) ; Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-03-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-04084
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/688889/files/688889.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/688889/files/688889.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
power electronics (frei) ; DC-DC converter (frei) ; medium-frequency transformer (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

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.

In direct-current (dc) networks, dc-dc converters are used to step up or step down dc voltages and are therefore considered as the equivalent of the transformer in the classical alternating-current (ac) system. This dissertation is dedicated to the implementation of a medium-voltage high-power dc-dc converter. After modeling the converter, a fast current controller is demonstrated that sets a reference current within one third of a switching period. Moreover, a balancing control scheme is developed which increases the utilization of the converter. To increase the converter efficiency, an auxiliary circuit is designed for a medium-voltage high-power application. The prototype demonstrates a compact design and an amortization in less than one year for a wind application. The medium-frequency transformer is a key component in the dc-dc converter. The high power density and the requirements on the stray inductance make its design challenging. Therefore, especially the core losses under the influence of power electronics and the design of the stray inductance are analyzed. Moreover, a 2.2 MVA transformer operated at 1 kHz is constructed. It demonstrates a ten-fold power density compared to a 50 Hz transformer. Finally, the dissertation presents the construction and the setup of a high-power medium-voltage demonstrator of the converter. The demonstrator is rated for 5 kV dc-link voltage and a power of 5 MW. From the commissioning, valuable experience on an industrial construction of the converter are concluded, as well as future research topics.

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