Xyn-converter used in isolated two-phase three-wire AC power grids
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Pedro Gomes Barbosa
Fabrício Bradaschia
Lenin Martins Ferreira Morais
Victor Flores Mendes
Fabrício Bradaschia
Lenin Martins Ferreira Morais
Victor Flores Mendes
Resumo
Redes elétricas CA isoladas são soluções viáveis para energizar comunidades remotas, geralmente baseadas em energias renováveis e armazenadores de energia, conectadas por conversores eletrônicos de potência que exigem alta confiabilidade. O elemento-chave de tal sistema é o conversor formador de rede, que fornece magnitude de tensão e frequência aos demais elementos, como cargas. Assim, esta tese propõe o conversor-xyn bifásico a três fios (2Φ3W) aplicado a um estudo de caso em comunidades isoladas ribeirinhas na região amazônica brasileira. A tese compara o estresse de corrente de conversores formadores de rede (GFC), considerando três configurações diferentes de rede em termos de ângulos de deslocamento entre as tensões de fase: 90 (αβn-GFC); 120◦ (abn-GFC) and 180◦(xyn-GFC). Além disso, são obtidas expressões analíticas para o estresse de corrente nos semicondutores e no capacitor do barramento CC para cada conversor em condições de carga generalizada, i.e., balanceada e desbalanceada. A análise de vida útil do conversor formador de rede indica que o xyn-GFC tem o menor desgaste. Além disso, este trabalho destaca a influência de componentes harmônicas de alta frequência na corrente RMS do capacitor do barramento CC. O xyn-GFC demonstra uma menor probabilidade de falha do capacitor em comparação com os outros conversores, mesmo apresentando componentes de corrente de baixa frequência mais altos. Uma análise de sensibilidade mostra que o conversor formador de rede xyn-GFC pode aumentar sua potência de saída em 12% ou reduzir o volume do dissipador de calor em 25% para atingir a mesma vida útil B10 que o abn-GFC (considerado como referência) em condições nominais. Um experimento é conduzido usando um conversor de ponte completa e IGBTs discretos para medir as perdas de potência nos semicondutores e a temperatura de case dos IGBTs. Em comparação com o αβn-GFC, o xyn-GFC mostra perdas de potência 44% menores, e o abn-GFC mostra perdas de potência 18% inferiores. Por fim, a análise de estresse térmico é validada por meio de um protótipo de conversor 2Φ3W com módulo semicondutor aberto. Para os conversores avaliados, o xyn-GFC tem o menor estresse térmico para condições de carga balanceada e desbalanceada, portanto, indicando uma vida útil mais longa. A validação experimental mostra que a temperatura média do xyn-GFC é 19,4% e 23,3% menor do que os conversores abn-GFC e αβn-GFC em condições de carga balanceada, respectivamente.
Abstract
Isolated electric AC power grids are feasible solutions to energize remote communities,
usually based on renewables and energy storage devices, interfaced by power electronics
converters that require high reliability. The key element of such a system is the grid-forming
converter that provides the voltage magnitude and frequency to other devices, such as
loads. Therefore, this dissertation proposes the two-phase three-wire (2Φ3W) xyn-converter
applied in a case study of isolated riverside communities in the Brazilian Amazon region.
This dissertation compares the current stresses of grid-forming converters (GFC) under an
isolated grid mission profile, considering three different grid configurations in terms of the
displacement angle between the voltage in the phases: 90◦
(αβn-GFC); 120◦
(abn-GFC)
and 180◦
(xyn-GFC). Additionally, analytical expressions for current stress through the
semiconductors and the DC-link capacitor are obtained for each converter under balanced
and unbalanced load conditions. The lifetime analysis of the grid-forming converter indicates
that the xyn-GFC has the lowest wear-out. Furthermore, this work highlights the influence
of high-frequency components on the RMS current of the DC-link capacitor. The xyn-GFC
demonstrates a lower probability of capacitor failure compared to the other converters, even
with higher low-frequency components. A sensitivity analysis shows that the xyn-GFC can
increase its output power in 12% or reduce its heatsink volume in 25% to achieve the same
wear-out B10 lifetime as the abn-GFC (i.e., benchmark) under nominal conditions. An
experiment is conducted using a full-bridge converter and discrete IGBTs to measure the
power losses in the semiconductors and the case temperature of the IGBTs. Compared with
the αβn-converter, the xyn-converter shows 44% lower power losses, and the abn-converter
shows 18% lower power losses. Finally, the thermal stress analysis is validated by means
of a 2Φ3W converter prototype with an open semiconductor module. For the evaluated
converters, the xyn-GFC has the lowest thermal stress for balanced and unbalanced load
conditions and therefore the longest lifetime. Experimental validation shows that the
average temperature of the xyn-GFC is 19.4% and 23.3% lower than both the abn-GFC
and the αβn-GFC under balanced load conditions.
Assunto
Redes elétricas, Conversores eletrônicos, Confiabilidade (Engenharia), Potência reativa (Engenharia elétrica), Semicondutores
Palavras-chave
Conversor formador de rede, Redes isoladas CA, Confiabilidade