Modular multilevel DC-DC converters interconnecting high-voltage and medium-voltage DC grids

Cui, Shenghui; Marquardt, Rainer; de Doncker, Rik W.

doi:10.18154/RWTH-2019-05892

Modular multilevel DC-DC converters interconnecting high-voltage and medium-voltage DC grids = Modulare mehrstufige Gleichspannungswandler zur Verbindung von Hochspannungs- und Mittelspannungs-Gleichstromnetzen

Cui, Shenghui^RWTH*

2019

VerantwortlichkeitsangabeShenghui Cui

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2019

Umfang1 Online-Ressource (vi, 124 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-942789-67-7

ReiheE.ON Energy Research Center : PGS, Power Generation and Storage Systems ; 68

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-05-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-05892
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/762795/files/762795.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
HVDC (frei) ; MVDC (frei) ; dc-dc converter (frei) ; fault-tolerant operation (frei) ; modular multilevel converter (frei) ; soft switching (frei) ; two-level converter (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Diese Dissertation behandelt einen isolierten, bidirektionalen und weichschaltenden Gleichspannungswandler, der für die Verbindung von Mittelspannungs-Gleichstromverteilungsnetzen und Hochspannungs-Gleichstromübertragungsnetzen vorgesehen ist. Der vorgeschlagene Gleichspannungswandler kombiniert parallel geschaltete Zweistufen-Umrichter (engl. Two-Level Converter (TLC)) auf der Mittelspannungsseite und einen modulareren mehrstufigen Konverter (engl. Modular Multilevel Converter (MMC)) auf der Hochspannungsseite, und wird daher als TLC-MMC-Wandler bezeichnet. Es wird das Funktionsprinzip des TLC-MMC Wandlers entwickelt, dass einen weichschaltenden Betrieb gewährleistet, indem Blindstrom durch den MMC in die Mittelspannungsseite eingespeist wird. Dadurch arbeiten die Leistungshalbleiter der Zweistufen-Umrichter im weichschaltenden Bereich wodurch ultimativ die Anzahl der Bauelemente reduziert werden kann. Im Vergleich zu den vorhandenen Topologien für diese Anwendung, weist der TLC-MMC Wandler eine reduzierte Anzahl passiver und aktiver Bauelemente und geringe Halbleiterverluste über einen weiten Leistungsbereich bei variablen Eingangs- und Ausgangsspannungen auf. Die Themenbereiche der Topologien, Steuerung und fehlertoleranten Betriebs des TLC-MMC-Wandlers werden in dieser Dissertation simulativ und experimentell validiert.

This dissertation proposes an isolated bi-directional soft-switching dc-dc converter for interconnection of medium-voltage (MV) dc distribution grids and high-voltage (HV) dc transmission grids. The proposed converter combines parallel-connected two-level converters (TLCs) on the MV side and a modular multilevel converter (MMC) on the HV side, and it is named the TLC-MMC converter. A dedicated operation method of the TLC-MMC converter is developed, whereby a certain reactive current is injected into the MV side by the MMC to realize soft-switching operation and low total device ratings of power-semiconductor devices (PSDs) in the TLCs on the MV side. Compared to the existing topologies dedicated to this application, the TLC-MMC converter presents significantly reduced active and passive components and lower PSD losses over a wide power range at variable input and output voltages. The topics on topology, control, and fault-tolerant operation of the TLC-MMC converter are covered in this dissertation with simulations and experimental verifications by a down-scale prototype.

OpenAccess:
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