Conversor CC-CC híbrido isolado para utilização em sistemas MVDC

Abstract

Os processos de transmissão e distribuição de energia elétrica são baseados, na grande maioria dos casos, em sistema de corrente alternada, os quais possuem uma operação considerada robusta e eficiente. Entretanto, como resultado do crescente desenvolvimento científico e tecnológico, a transmissão por longas distâncias de grandes blocos de energia em HVDC (High-Voltage-Direct-Current) vem sendo foco de uma série de pesquisas na área. Além disso, em níveis mais baixos de tensão e potência, a distribuição em MVDC (Medium-Voltage-DirectCurrent) apresenta uma ampla gama de aplicações, tanto industriais quanto nas conexão entre microredes elétricas. Neste contexto, o presente trabalho propõe a análise e o desenvolvimento de uma topologia híbrida para aplicações de interface CC-CC de média tensão, sendo esta composta pela integração entre o conversor DAB (Dual-ActiveBridge) e a estrutura modular MMC (Modular-Multilevel-Converter ), de tal forma que as principais características de operação das mesmas sejam mantidas. A topologia híbrida é analisada a partir do processo de modulação por múltiplas variáveis no qual, além da defasagem angular, modificam-se também as razões-cíclicas das tensões do primário e do secundário do transformador. Desta forma, pode-se avaliar o comportamento global do conversor híbrido para toda faixa de operação, definindo assim os pontos associados à menor potência aparente total e ao menor volume dos elementos magnéticos. A estrutura modular MMC, presente na topologia híbrida, tem seu funcionamento limitado às transições das tensões do primário e do secundário do conversor principal, sendo assim responsável pelo processamento de energia durante pequenos intervalos de tempo. Visando manter o balanceamento das tensões dos capacitores dos submódulos, propõe-se um mecanismo ativo de regulagem composto por elementos de comparação e estratégias de carga e descarga. Com isso, tem-se uma distribuição mais homogênea e controlada da tensão nas espiras do transformador, reduzindo as perdas dielétricas e evitando eventuais problemas de isolação. Considerando as características da modulação por múltiplas variáveis, metodologias de análise dos capacitores dos submódulos e dos indutores de braço são desenvolvidas, obtendo ferramentas adequadas de projeto para diferentes pontos de operação. Fundamentado nestas metodologias, desenvolveu-se um protótipo experimental de laboratório, sendo este concebido para uma potência nominal de 2 kW e uma frequência de operação na ordem de 100 kHz. O protótipo é composto por um conversor DAB convencional e 3 submódulos associados a cada interruptor principal, totalizando assim 24 submódulos entre os lados primário e secundário. De acordo com os resultados experimentais obtidos, observou-se que a operação do conversor híbrido atende as metodologias de projeto desenvolvidas, validando assim as análises teóricas apresentadas.

Abstract: Electricity transmission and distribution processes are based, in the majority of cases, on alternating current systems, which have an efficient and robust operation. However, as a result of the growing scientific and technological development, the long-distance transmission of large blocks of energy in HVDC (High-Voltage-Direct-Current) is being investigated. In addition, at lower voltage and power levels, MVDC distribution (Medium-Voltage-Direct-Current) has a wide range of applications in industries and in the connection between electrical microgrids. In this context, the present work proposes the analysis and development of a hybrid topology for medium voltage DC-DC interface applications, composed by the integration between the DAB (DualActive-Bridge) converter and the modular structure MMC (ModularMultilevel-Converter), where the main operating features are maintained. The hybrid topology is based on the multi-variables modulation, where the phase-shift angle and the duty-cycles of the primary and secondary transformer voltages are modified. In this way, the hybrid converter global behavior can be evaluated for all operating ranges. Furthermore, the lowest total apparent power and lowest magnetic volume can be defined. The MMC structure turns-on in the primary and secondary voltage transitions, where small-time intervals are used for power processing. In order to keep the submodules capacitors voltages balanced, an active regulation mechanism is proposed, which is composed of comparison elements and charging and discharging strategies. Thus, there is a more homogeneous and controlled voltage distribution in the transformer turns, additionally, the dielectric losses and insulation problems are decreased. Based on the multi-variables modulation features, methodologies for analyzing the capacitors of the submodules and the arm inductors are developed, where adequate design tools for different operation points are obtained. An experimental laboratory prototype was developed for a nominal power of 2 kW and an operating frequency of 100 kHz. The prototype consists of a conventional DAB converter with 3 submodules associated with each main switches, where a total of 24 submodules for the primary and secondary sides are used. According to the experimental results obtained, the operation of the hybrid converter is consistent with the developed design.