Optimizing three-phase DC-DC converters for medium voltage DC-grids

Hetzenecker, Katharina Sophie; de Doncker, Rik W.; Leuning, Nora

doi:10.18154/RWTH-2026-06183

Optimizing three-phase DC-DC converters for medium voltage DC-grids = Optimizing three-phase DC-DC converters for MVDC grids

Hetzenecker, Katharina Sophie^RWTH*

2026

VerantwortlichkeitsangabeKatharina Hetzenecker

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-948234-67-6

ReiheE.ON Energy Research Center ; 153

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Druckausgabe: 2026. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Abweichender Titel auf der Verlagstitelseite

Genehmigende Fakultät
Fak06

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-04-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06183
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1037692/files/1037692.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
MVDC voltage level (frei) ; converter efficiency (frei) ; material consumption of transformers (frei) ; medium-frequency transformer (frei) ; three-phase dual-active bridge (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Der Übergang zu einem nachhaltigen Energiesystem erfordert sowohl den Ausbau erneuerbarer Energien als auch den Ausbau des Stromnetzes. Die Gleichstromtechnologie bietet gegenüber der Wechselstromtechnologie Vorteile, darunter geringere Verluste und einen reduzierten Materialbedarf. Während sich Hochspannungs-Gleichstrom (HVDC) bereits etabliert hat, kommen in dezentralen Netzen zunehmend Niederspannungs-Gleichstrom Systeme (LVDC) zum Einsatz, die voraussichtlich an Mittelspannungs-Gleichstrom Systeme (MVDC) angeschlossen werden. Geeignete MVDC Spannungsniveaus sind jedoch noch nicht definiert. In MVDC Verteilnetzen sind der Wirkungsgrad der Umrichter und der Materialverbrauch relevanter als die Übertragungsverluste. Modulare, galvanisch getrennte Umrichter bieten Flexibilität, insbesondere bei der Auslegung von MFTs. In dieser Arbeit wird ein ganzheitlicher Modellierungsansatz entwickelt, der MVDC Spannung, Wirkungsgrad und Materialanforderungen miteinander verknüpft. Analytische MFT-Modelle werden um Isolationsanforderungen erweitert, wodurch die Bewertung von Wechselwirkungen zwischen Schaltfrequenz, Transformator- und Halbleitungsverlusten sowie der Systemspannung ermöglicht wird. Ziel ist es, optimale MVDC Spannungslevel zu ermitteln. Es wird ein analytischer Modellierungsansatz für MFTs in dreiphasigen DAB-Umrichtern entwickelt, der eine kombinierte Bewertung von Wirkungsgrad und Materialverbrauch ermöglicht. Ein wesentlicher Beitrag ist die Einbeziehung von Isolations- und thermischen Einschränkungen sowie von Streuinduktivität. Die Entwürfe werden experimentell validiert, und es werden skalierbare Materialmodelle abgeleitet. DAB-Umrichter in ISOP-Konfiguration werden analysiert, wobei unter Berücksichtigung der Halbleitertechnologien Pareto-optimale Entwürfe über Leistungs- und Spannungsbereiche hinweg identifiziert werden. Schließlich ermöglichen Kostenmodelle und Vergleiche mit Wechselstromsystemen auf Systemebene die Ermittlung optimaler Auslegungsvarianten und wirtschaftlicher Betriebsbedingungen.

The transition towards a sustainable energy system requires both renewable expansion and grid development. DC technology offers advantages over AC, including lower losses and reduced material demand. While HVDC is established, LVDC systems are increasingly used in decentralized grids and are expected to be connected to MVDC systems. However, suitable MVDC voltage levels are not yet defined. In MVDC distribution grids, converter efficiency and material usage are more relevant than transmission losses. Modular, galvanically isolated converters provide flexibility, especially in MFT design. This work develops a holistic modeling framework linking MVDC voltage, efficiency, and material requirements. Analytical MFT models are extended by including insulation constraints, enabling evaluation of interactions between switching frequency, transformer and semiconductor losses, and system voltage. The goal is to determine optimal MVDC voltage levels. An analytical modeling approach for MFTs in three-phase DAB converters is developed, enabling combined evaluation of efficiency and material usage. A key contribution is the integration of insulation, thermal constraints, and stray inductance. Designs are experimentally validated, and scalable material models are derived. DAB converters in ISOP configuration are analyzed, identifying Pareto-optimal designs across power and voltage ranges, considering semiconductor technologies. Finally, cost models and system-level AC comparisons enable identification of optimal designs and economic operating conditions.

OpenAccess:
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