Modulation and dynamic control of intelligent dual-active-bridge converter based substations for flexible dc grids

Hu, Jingxin; de Doncker, Rik W.; Kolar, Johann W.

doi:HT020135010

Modulation and dynamic control of intelligent dual-active-bridge converter based substations for flexible dc grids = Modulation und dynamische Steuerung von auf intelligenten Dual-Active-Bridge-Umrichtern basierenden Umspannwerken für flexible Gleichstromnetze

Hu, Jingxin^RWTH*

2019

VerantwortlichkeitsangabeJingxin Hu

Ausgabe1. Auflage

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

Umfang1 Online-Ressource (VI, 138 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheE.ON Energy Research Center : PGS, Power Generation and Storage Systems ; 69

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* ; Kolar, Johann W. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-05-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-06213
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/763285/files/763285.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Power electronics (frei) ; dc grids (frei) ; dc-dc converter (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Diese Dissertation schlägt eine verbesserte Modulation und dynamische Steuerung von dreiphasigen Hochleistungs-Dual-Active-Bridge (DAB3) DC-DC-Wandlern vor, um die Betriebsleistung und die Funktionen von intelligenten Gleichstrom-Umspannwerken in Gleichstromnetzanwendungen zu verbessern. Mit der zunehmenden Integration erneuerbarer Energien, Energiespeichersystemen und den aufkommenden Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge bieten Gleichstromverteilnetze zahlreiche Vorteile, z.B. höherer Wirkungsgrad, höhere übertragbare Leistungen und höhere Flexibilität im Vergleich zu bestehenden Wechselstromnetzen. Die Schlüsselkomponente für flexible Gleichspannungsnetze ist das intelligente Gleichstrom-Umspannwerk auf der Basis von Hochleistungs-Gleichspannungswandlern, die über einen weiten Spannungs- und Leistungsbereich einen hohen Wirkungsgrad erzielen, den Leistungsfluss und die Netzspannung dynamisch steuern und Kurzschlussfehler überstehen. Durch den Einsatz des vorgeschlagenen asymmetrischen Tastverhältnis-Regelungsverfahrens wird der weichschaltende Bereich des DAB3-Wandlers insbesondere in Arbeitspunkten mit geringer Last über einen weiten Spannungsbereich erheblich erweitert. Danach wird in der Dissertation auch eine neue Methode vorgestellt, mit der der Transformatorwicklungsstrom und der Magnetisierungsfluss des DAB3-Wandlers sofort und gleichzeitig im transienten Bereich gesteuert werden kann. Dadurch können die Gleichstrom-Umspannwerke den Leistungsfluss dynamisch steuern, ohne eine Sättigung des Transformatorkerns zu verursachen. Schließlich wird ein Gleichstrom-Fehlerdurchlaufverfahren für den DAB3-Wandler vorgeschlagen, das den unterbrechungsfreien Schutz von Gleichstromnetzen ermöglicht.

This dissertation proposes improved modulation and dynamic control of high-power three-phase dual-active bridge (DAB3) dc-dc converters to enhance the operating performance and functionalities of intelligent dc substations in dc-grid applications. With the increasing integration of renewable energies, energy storage systems and the emerging fast charging stations for electric vehicles, dc distributions grids present numerous advantages e.g. higher efficiency, higher power capability and higher flexibility compared to existing ac grids. The key enabling component of flexible dc grids is the intelligent dc substation based on high-power dc-dc converters, which needs to achieve high efficiency over a wide voltage and power range, control the power flow and grid voltage dynamically, and ride through dc short-circuit faults. By employing the proposed asymmetrical duty cycle control method, the soft-switching range of the DAB3 converter is significantly extended over a wide voltage range especially in light-load conditions. Thereafter, the dissertation also introduces a novel method to control the transformer winding current and magnetizing flux of the DAB3 converter instantaneously and simultaneously under transient conditions. Thereby, the dc substation can control the power flow dynamically without causing transformer core saturation. Finally, a dc fault ride-through method for the DAB3 converter is proposed, which enables the breakerless protection of dc grids.

OpenAccess:
PDF
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