Ontwerp van een DC/AC-convertor op basis van wide bandgap transistors voor MicroGrid-toepassingen.

Enkelfasige, netgekoppelde, geïsoleerde AC-DC omvormers met vermogensfactor correctie hebben een breed toepassingsgebied, zoals laders voor plug-in hybride-elektrische voertuigen en batterij-elektrische voertuigen, invertoren voor hernieuwbare energiebronnen (bv. fotovoltaïsche modules), alsook interfaces voor residentiële DC distributiesystemen en energieopslagsystemen. Hierbij laat de mogelijkheid tot bidirectionele vermogensoverdracht toe om slimme interactieve elektriciteitsnetten te ontwikkelen waarin de energiesystemen een actieve rol spelen in het aanbieden van verschillende netondersteunende diensten. Voorbeelden zijn voertuig-naar-net concepten, slimme-huis concepten, AC micronetten, en residentiële DC distributiesystemen (DC nanonetten). 

Het voorgestelde werk onderzoekt de geschiktheid van een eentraps dual active bridge (DAB) AC-DC omvormer voor de realisatie van de bovengenoemde bidirectionele energieconversies. In vergelijking met de traditionele tweetraps aanpak kan een eentraps systeem voordelig zijn op het gebied van efficiëntie, volume (vermogensdichtheid), aantal componenten (betrouwbaarheid), gewicht, en kost. Ter validatie van de theoretische analyses is een tweede doelstelling om een state-of-the-art (d.w.z. met betrekking tot efficiëntie en vermogensdichtheid) prototype omvormer te realiseren die ontworpen is om te voldoen aan de vereisten voor toekomstige mode 1 batterijladers voor elektrische voertuigen. De beschouwde lader is aan boord van het voertuig opgesteld en koppelt een 400 V DC-bus met het enkelfasige 230 VAC / 50 Hz elektriciteitsnet. Compatibiliteit met huishoudelijke stopcontacten resulteert in een nominale (actieve) AC laadstroom van 16 Arms en een nominaal laadvermogen van 3.7 kW. 

De grootste moeilijkheid die gepaard gaat met het behalen van bovengenoemde doelstellingen ligt in het aanpakken van de fundamentele beperkingen van de bestaande analyses en circuitimplementaties van DAB omvormers. Deze beperkingen zijn vooral gerelateerd aan de modulatiestrategieën die voorhanden zijn om de DAB geheel zacht-schakelend (d.w.z. bij wijze van zero voltage switching, ZVS) te laten werken, en zijn vooral problematisch voor DAB omvormers die onderworpen zijn aan grote in- en/of uitgangsspanningsvariaties, zoals het geval is voor de beschouwde eentraps AC-DC architectuur. In een inleidend hoofdstuk (d.w.z. Hoofdstuk 2) worden de tekortkomingen van de bestaande analyses nader toegelicht en wordt de keuze voor de volle brug - volle brug DAB als meest geschikte kandidaat gemotiveerd. In de daaropvolgende hoofdstukken wordt de eentraps DAB AC-DC omvormer uitvoerig besproken:

• In hoofdstuk 3 wordt het werkingsprincipe van de DAB AC-DC omvormer uitgelegd. Eerst wordt het exacte werkingsgebied van de DAB DC-DC omvormer, als hoofdbouwsteen van de eentraps AC-DC architectuur, bepaald. Hieruit wordt een vergelijking voor het berekenen van de DAB ingangsstroom verkregen. Daarna volgt de steady-state analyse van de DAB en worden commutatie inductantie(s) geïntroduceerd als een essentiële AC-link modicatie voor het verkrijgen van ZVS in het volledige werkingsgebied. Tenslotte wordt een ladingsgebaseerde ZVS verificatie methode voorgesteld die veel nauwkeuriger is dan de stroom- en energiegebaseerde tegenhangers;
• Hoofdstuk 4 is toegewijd aan het afleiden van modulatieschemas die ZVS toelaten in het volledige werkingsgebied van de DAB omvormer. Drie verschillende aanpakken worden voorgesteld, zijnde een numerieke, een analytische, en een semi-analytische aanpak. Deze maken alle drie gebruik van de ZVS verificatie methode uit Hoofdstuk 3, waardoor een zacht-schakelende werking met quasi geen schakelverliezen verzekerd is in de berekende ZVS werkingsgebieden;
• In Hoofdstuk 5 worden, gebruik makend van de waardes voor de circuit variabelen en de ZVS modulatieschemas die bekomen werden in Hoofdstuk 4, de functionele elementen van het DAB AC-DC omvormer prototype ontworpen. State-of-the-art ontwerpmethodes en ontwerpprocedures, modellen voor de verliezen in de componenten, en modellen voor het berekenen van de ingenomen volumes worden gecombineerd met (lokale) optimalisatiealgoritmes ten einde een omvormer ontwerp met hoge efficiëntie en hoge vermogensdichtheid, en dat voldoet aan de gespecificeerde systeemvereisten, te bekomen;
• In Hoofdstuk 6 wordt eerst een DC-DC systeem karakterisatie van het omvormer prototype getoond met als doel de theoretische analyses te valideren, d.w.z. zowel het steady-state omvormer model en de ZVS analyse gepresenteerd in Hoofdstuk 3, als de ZVS modulatieschemas voorgesteld in Hoofdstuk 4. Daarna wordt een AC-DC systeem karakterisatie gegeven die toelaat om de performantie van het omvormer prototype te evalueren met betrekking tot de gehaalde efficiëntie en de kwaliteit van het AC ingangsvermogen. Efficiënties hoger dan 95 % in het grootste gedeelde van het uitgangsvermogensbereik, met een zeer vlakke efficiëntiecurve en dus een hoge efficiëntie in deellast, zijn gehaald. De piek efficiëntie is ongeveer 96 % en de efficiëntie bij nominaal vermogen ongeveer 95.6 %. Bovendien is een vermogensdichtheid van 2 kW/liter bereikt. Een vergelijking met enkele tweetraps prototype systemen gerapporteerd in de literatuur toont dat de bekomen performantie zeer dicht aanleunt bij de absolute state-of-the-art;
• Hoofdstuk 7 besluit het voorgestelde werk en biedt een kijk op het toekomstige onderzoek in het domein van DAB AC-DC omvormers.

Trefwoorden:Convertors, Wide bandgap, DC/AC-converter, MicroGrid

Disciplines:Andere ingenieurswetenschappen en technologie

Project type:PhD project