Design and optimization of high frequency sic-based isolated dc/dc converters for modular multilevel power electronic transformers

Resumen

El sector energético mundial se enfrenta recientemente a un doble desafío, representado por el aumento del consumo de energía y la menor demanda de emisiones. Esto da lugar a un cambio inevitable en el escenario energético. Los crecientes precios de los combustibles fósiles y la necesidad constante de fuentes de energía más eficientes han provocado estos desafíos instando a los gobiernos a invertir los recursos pertinentes para encontrar fuentes alternativas de energía. La generación global de energía en las últimas dos décadas ha visto un fuerte despliegue de energía renovable. Esto ha obligado a la red eléctrica tradicional a sufrir cambios significativos debido a la necesidad de integrar estos recursos en la red eléctrica a nivel de distribución. En este escenario, la electrónica de potencia ofrece soluciones innovadoras basadas en convertidores de alta tensión y alta potencia, tales como: corriente continúa de alto voltaje (HVDC), sistemas de transmisión de corriente alterna flexible (FACTS) y transformadores electrónicos de potencia (PET). El PET es una alternativa basada en electrónica de potencia al tradicional transformador de frecuencia de red (LFT) que proporciona características avanzadas gracias a su capacidad de control como: control de la potencia reactiva, compensación de armónicos y desequilibrios y protección inteligente. Durante las últimas dos décadas, el interés en la tecnología PET para diversas aplicaciones ha evolucionado rápidamente. Varios proyectos tanto académicos como industriales se dedican al desarrollo de los PETs. En este trabajo, se desarrolla un convertidor Dual Active Bridge (DAB) con alto aislamiento para un módulo de 5 kW de un prototipo de PET de 100 kW. Se presenta el diseño del transformador de alta frecuencia (HFT), analizando en detalle los desafíos impuestos por la topología de PET en el diseño, especialmente el alto aislamiento requerido y las restricciones térmicas. Los PET se caracterizan por un gran número de dispositivos de potencia controlados y estrictos requisitos de aislamiento. Debido a esto, las estructuras de control distribuido tienen ventajas significativas en comparación con las centralizadas. En este trabajo, se propone un control distribuido. Se proponen y comparan posibles estructuras de controladores distribuidos flexibles y tolerantes a fallos para PET modulares y multinivel. Se desarrolla una plataforma de control basada en FPGA para la realización del control de cada módulo del PET. Un elemento clave del PET es la fuente de alimentación auxiliar (APS) que alimenta los circuitos auxiliares. Se puede lograr una redundancia y una implementación más simple alimentando los APS desde los condensadores de enlace de CC de las celdas que componen el PET basado en un convertidor modular y multinivel, pero a expensas de un proceso de arranque más desafiante del PET. En este trabajo, se propone una estrategia simple para la activación y puesta en marcha de PET utilizando esta estructura de APS. El método es válido independientemente del puerto de energización y sin la adición de ningún circuito adicional.