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.; Mantooth, H. Alan

doi:10.18154/RWTH-2019-09479

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^RWTH*

2019

VerantwortlichkeitsangabeJohannes Voss

Ausgabe1. Auflage

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

Umfang1 Online-Ressource (x, 182 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-942789-73-8

ReiheE.ON Energy Research Center : PGS, Power Generation and Storage Systems ; 75

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)^RWTH* ; Mantooth, H. Alan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-09-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-09479
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/768700/files/768700.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
dc distribution (frei) ; dc-dc converter (frei) ; high-power medium-voltage converter (frei) ; medium-frequency transformer (frei) ; resonant commutation (frei) ; transformer saturation (frei) ; transformer saturation compensation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

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.

In this dissertation a high-power dc-dc converter, called Dual-Active Bridge (DAB), is investigated at a nominal operating voltage of 5 kV. As part of the research campus Flexible Elektrische Netze (Flexible Electrical Networks - FEN), a three-phase DAB test bench has been built in the test hall of the Institute for Power Generation and Storage System (PGS) at the E.ON Energy Research Center (ERC). This test bench is scheduled to be connected to a medium-voltage direct-current (MVDC) microgrid connecting several multi-megawatt test benches at the RWTH Aachen Campus Melaten. In many applications, converters operate primarily in partial-load conditions at a lower efficiency. To improve the efficiency and realize full soft switching, a modified design of the auxiliary-resonant commutated-pole (ARCP) was implemented. The new design requires only simple control and thus improves the reliability under auxiliary- resonant commutated operation. The concept is based on a non-symmetrical resonant circuit using a dc-link separated into three capacitors. Conventional ARCP systems require additional expensive high-speed boost-current control units. With the improved setup, those costs are eliminated. Losses and dead-time effects can be compensated using the new system. The technique was simulated and fully embedded in hardware. Three single-phase medium-frequency transformers are used to link the input and output converters. During commissioning, high unwanted voltage harmonics appeared, impressively proving the presence of dc-magnetizing currents. The saturation leads to high core losses, high voltage stress at the windings and increased magnetostriction of the transformer core, which can result in undesired acoustic emissions. Multi-megawatt converters with medium-frequency transformers can suffer from unwanted dc-currents causing core saturation. The cause of this saturation phenomenon is analyzed and identified in this thesis. A novel control method for avoiding transformer saturation in high-power three-phase DABs was developed, simulated and embedded in the hardware setup. In this approach, the star-point voltage of the transformer is evaluated to determine the dc components of the magnetizing currents; therefore, the need is eliminated for expensive high-precision current sensors in the ac-link, as proposed in previous studies to compensate the transformer saturation. All power electronic components are integrated in electric cabinets in a unique compact setup with a power density of 0.6 kW/dm3.

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