dc.contributor.advisor | Weiss, Beatrix Veronika | |
dc.contributor.author | Eide, Kaja | |
dc.date.accessioned | 2024-09-06T17:20:09Z | |
dc.date.available | 2024-09-06T17:20:09Z | |
dc.date.issued | 2024 | |
dc.identifier | no.ntnu:inspera:187763641:47043517 | |
dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/11250/3150763 | |
dc.description.abstract | AC har vært den tradisjonelle løsningen for bygging av kraftsystemer, men framtidig nettutvikling krever nye løsninger. DC-nett gir fordeler i effektivitet, kompatibilitet med moderne elektronikk, applikasjoner med fornybar energi, elektriske kjøretøy og langdistanse kraftoverføring i transmisjonsnettet. DC-DC-omformere er nødvendige i et DC-nett, ettersom de muliggjør kraftoverføring mellom ulike deler av nettet ved å konvertere spenningsnivåer. Formålet med denne oppgaven er å utvikle en modell av en modulær single active bridge (SAB) omformer med et reguleringssystem for bruk i et mellomspennings (MV) DC-nett.
I denne studien brukes en modulær DC-DC omformer med en inngangsserie utgangsparallell struktur til å omforme 6 kV til 800 V. Denne strukturen fordeler en 6 kV inngangsspenning på fem omformere i serie, noe som muliggjør bruk av transistorer med lavere merkespenning. Transistorer av materialene silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) undersøkes, og SiC transistorer velges på grunn av muligheten for høyere blokkeringsspenninger. En SAB omformer kan ikke overføre kraft i begge retninger for applikasjoner som involverer batteri- og energilagring. Den er begrenset til å overføre kraft i en retning, noe som gjør den kun egnet til å forsyne laster.
Modellen av omformeren utvikles i MATLAB Simulink med PLECS Blockset. Reguleringssystemet består av en ytre sløyfe for regulering av utgangsspenningen, og en indre sløyfe som regulerer spolestrømmen i hver omformer. Pulsbreddemodulasjon brukes for å justere faseforskyvningen mellom transistorene i SAB omformeren for å få ønsket utgangsspenning. Hvis systemet utsettes for en lastendring, tar regulatoren grep og justerer faseforskyvningen.
Flere ulike simuleringer utføres. Resultatene viser at DC-DC omformeren kan levere en full last på 100 kW i stasjonær tilstand. Kondensatorene i systemet lades opp til nominelle spenninger før en full last kobles til. Kapasitansen til inngangs- og utgangskondensatorene måtte økes for å stabilisere regulatoren og redusere spenningsfallet under lastendringer. Responsen i utgangsspenningen blir da akseptabel med et spenningsfall på mindre enn 3% for en momentan lastendring fra 0 til 100% effekt. Regulatoren reagerer effektivt på både momentane og lineære endringer, da utgangsspenningen holder seg innenfor en 3% endring. For en momentan lastendring foreslås det imidlertid at inngangskapasitansen økes ytterligere for å redusere oscillasjoner i omformerens inngangsspenning og kabelstrøm. Videre bør et alternativ for en ubelastet tilstand, der strømbehovet kan bli null, utvikles for å styrke omformermodellen.
En modell av en modulær SAB omformer er utviklet og testet under flere forhold. Resultatene viser potensialet i hvordan modulære omformere kan benyttes for spenningskonvertering i et MVDC-nett. | |
dc.description.abstract | AC has been the traditional choice for power systems, but future grid development demands new solutions. DC grids offer advantages in efficiency, compatibility with modern electronics, applications with renewable energy, electric vehicles, and long-distance power transmission. DC-DC converters are crucial in DC grids, as they facilitate power transfer between different parts of a power system by converting voltage levels. This thesis aims to develop a model of a modular single active bridge (SAB) converter with a suitable control scheme for use in medium voltage (MV) DC grids.
In this study, a modular DC-DC converter steps down a 6 kV DC voltage source to 800 V using an input-series output-parallel topology. This approach distributes the 6 kV input across five serialised converters, enabling the use of power semiconductor devices with lower voltage ratings. Power semiconductor devices of the materials silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) are investigated, and SiC devices are chosen due to the possibility of higher blocking voltages. A SAB converter is unable to transfer bidirectional power flow for applications involving battery and energy storage, making it a unidirectional modular converter suitable only for supplying loads.
The converter model is successfully built in MATLAB Simulink with PLECS Blockset. The control system consists of an outer loop for output voltage control, and an inner loop controlling the inductor current in each converter. Pulse width modulation which adjusts the phase shift between the switches in the SAB converter is applied to get the desired output voltage. If the system is subjected to a load variation, the controller takes action and adjusts the phase shift.
Several simulations are conducted under different conditions. The results show that the DC-DC converter is capable of handling a full load of 100 kW in steady state. The capacitors in the system are charged up to nominal voltages, and a full load is connected. The capacitance of the input and output capacitors is increased to stabilise the controller and reduce the voltage drop during load transitions. The output voltage response becomes acceptable with a voltage drop of less than 3% of the set voltage for a rapid load change from 0 to 100% power. The controller responds well to instantaneous and slower linear changes, as the output voltage response stays within a 3% deviation. However, for a step in load, it is suggested that the input capacitance is increased further to reduce oscillations in the converter input voltage and the cable current response. To further improve the converter model, an option for a no-load condition, where the current demand can become zero, should be implemented.
A modular SAB DC-DC converter model is successfully built and tested under several conditions. The results show the potential of how modular converters can be utilised for voltage conversion in MVDC grids. | |
dc.language | eng | |
dc.publisher | NTNU | |
dc.title | A Modular Single Active Bridge Converter to Supply Low Voltage Loads from MVDC Grids | |
dc.type | Master thesis | |