Estudo e Validação Experimental de um Conversor Multinível Modular Entrelaçado CA-CC Monofásico Para Aplicações de Transformadores de Estado Sólido

Davi R. Joca; Luiz H. S. C. Barreto; Demercil de S. Oliveira Jr.; Jean-C. Vannier; Bogdan Džonlaga; Loïc Quéval

doi:10.18618/REP.2018.4.0007

Authors

Davi R. Joca Universidade Federal do Ceará, Fortaleza - CE, Brasil
Luiz H. S. C. Barreto Universidade Federal do Ceará, Fortaleza - CE, Brasil
Demercil de S. Oliveira Jr. Universidade Federal do Ceará, Fortaleza - CE, Brasil
Jean-C. Vannier Group of Electrical Engineering - Paris (GeePs), UMR CNRS 8507, CentraleSupélec, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Sorbonne Universités, UPMC, Univ Paris 06, Gif-sur-Yvette - França
Bogdan Džonlaga Group of Electrical Engineering - Paris (GeePs), UMR CNRS 8507, CentraleSupélec, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Sorbonne Universités, UPMC, Univ Paris 06, Gif-sur-Yvette - França
Loïc Quéval Group of Electrical Engineering - Paris (GeePs), UMR CNRS 8507, CentraleSupélec, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Sorbonne Universités, UPMC, Univ Paris 06, Gif-sur-Yvette - França

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2018.4.0007

Keywords:

Conversor ca-cc isolado, Conversor Multinível Modular, modulação vetorial, Transformador de Estado Sólido

Abstract

Este artigo tem como objetivo apresentar o estudo teórico e a obtenção de resultados experimentais de uma topologia monofásica baseada em um conversor multinível modular entrelaçado. A estrutura pode ser empregada como o estágio ca-cc em aplicações de transformador de estado sólido. O objetivo é a conexão entre uma rede elétrica ca de média tensão e uma rede cc de baixa tensão. A nova técnica de entrelaçamento divide as correntes através das pernas do conversor multinível modular e é responsável pela modulação de tensão nos submódulos. O transformador de média frequência de 10 kHz fornece isolação galvânica e conecta o conversor multinível modular entrelaçado a um conversor de ponte completa. As características do conversor são discutidas, considerando a estrutura, o princípio de operação, a técnica de modulação e o esquema de controle. O sistema de controle regula a corrente de entrada e a tensão de barramento, no lado de alta tensão, e a tensão de saída e o fluxo de potência bidirecional, no lado de baixa tensão. A validação experimental do conversor é feita com um protótipo de pequena escala.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Davi R. Joca, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza - CE, Brasil

é engenheiro eletricista (2011) e mestre em Engenharia Elétrica (2014) pela Universidade Federal do Ceará. Atualmente, é aluno de doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Ceará (Brasil) e pela Université Paris-Saclay (França), com convênio de duplo-diploma, e professor da UniFanor Wyden. Suas áreas de interesse são: conversores para geração eólica, conversores multiníveis e transformadores de estado sólido.

Luiz H. S. C. Barreto, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza - CE, Brasil

é doutor em Engenharia Elétrica (2003) pela Universidade Federal de Uberlândia. Atualmente, é professor adjunto na Universidade Federal do Ceará, no qual é chefe do Departamento de Engenharia Elétrica. Trabalha em Engenharia Elétrica com ênfase em eletrônica de potência. É orientador acadêmico de mestrandos e doutorandos no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFC desde 2003. Foi coordenador do curso de graduação em Engenharia Elétrica da UFC entre 2009 e 2011. Atua como revisor dos periódicos da IEEE Transactions on Industrial Electronics, IEEE Transactions on Power Electronics, IEEE Transactions on Industry Applications e Revista Eletrônica de Potência. Foi presidente do 10◦ INDUSCON 2012. Foi tesoureiro da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência entre 2010 a 2011. É membro da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência (SOBRAEP), Industry Applications Society (IEEE/IAS), Power Electronics Society (IEEE/PELS) e Industrial Electronics Society (IEEE/IES). Suas áreas de interesse são: técnicas ZVS e ZCS, estruturas de controle de conversores cc-cc, correção de fator de potência e harmônicos, sistemas UPS e conversores multiníveis.

Demercil de S. Oliveira Jr., Universidade Federal do Ceará, Fortaleza - CE, Brasil

é engenheiro eletricista (1999) e mestre em Engenharia Elétrica (2001) pela Universidade Federal de Uberlândia e doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (2004). Desde 2005, é professor na Universidade Federal do Ceará, onde atualmente é coordenador do programa de pósgraduação no Departamento de Engenharia Elétrica. Suas áreas de interesse são: conversores estáticos de potência com comutação suave, conversores aplicados em sistemas para geração eólica e fotovoltaica, conversores CC-CC trifásicos e transformadores de estado sólido.

Jean-C. Vannier, Group of Electrical Engineering - Paris (GeePs), UMR CNRS 8507, CentraleSupélec, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Sorbonne Universités, UPMC, Univ Paris 06, Gif-sur-Yvette - França

é engenheiro eletricista (1978) pela École Superieure Electricité (SUPÉLEC) e HDR (Accreditation to Supervise Research) em Engenharia Elétrica (2006) pela Université Paris-Sud, França. Atualmente, é professor e chefe do Departamento de Energia e Sistemas de Potência na CentraleSupélec, França. Suas áreas de interesse são: sistemas de conversão de energia (motores, atuadores, geradores) e com foco na modelagem, projeto e otimização destes equipamentos.

Bogdan Džonlaga, Group of Electrical Engineering - Paris (GeePs), UMR CNRS 8507, CentraleSupélec, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Sorbonne Universités, UPMC, Univ Paris 06, Gif-sur-Yvette - França

é engenheiro eletricista (2015) pela Universidade de Novi Sad, Sérvia, e mestre em Engenharia Elétrica e Física (2016) pela Université Paris-Saclay, França. Atualmente, é aluno de doutorado em Engenharia Elétrica pela Université Paris-Saclay. Suas áreas de interesse são: conversores multiníveis modulares e redes HVDC.

Loïc Quéval, Group of Electrical Engineering - Paris (GeePs), UMR CNRS 8507, CentraleSupélec, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Sorbonne Universités, UPMC, Univ Paris 06, Gif-sur-Yvette - França

é doutor em Engenharia Elétrica (2013) em pela Universidade de Tóquio, Japão. Atualmente, é professor no laboratório GeePs-CNRS da CentraleSupélec, Université Paris-Saclay, França. Suas áreas de interesse são: redes elétricas cc e supercondutividade aplicada.

References

X. She, A. Q. Huang, F. Wang, R. Burgos,"Wind Energy System With Integrated Functions ofActive Power Transfer, Reactive Power Compensation, and Voltage Conversion", in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 10, pp. 4512-4524,Oct 2013. ttps://doi.org/10.1109/TIE.2012.2216245 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2216245

P. Wang, L. Goel, X. Liu, F. H. Choo, "Harmonizing AC and DC: A Hybrid AC/DC Future Grid Solution", in IEEE Power and Energy Magazine, vol. 11, no. 3,pp. 76-83, May 2013. https://doi.org/10.1109/MPE.2013.2245587 DOI: https://doi.org/10.1109/MPE.2013.2245587

A. Jhunjhunwala, A. Lolla, P. Kaur, "Solar-dc Microgrid for Indian Homes: A Transforming Power Scenario",in IEEE Electrification Magazine, vol. 4,no. 2, pp. 10-19, June 2016. https://doi.org/10.1109/MELE.2016.2543950 DOI: https://doi.org/10.1109/MELE.2016.2543950

B. Nordman, K. Christensen, "DC Local Power Distribution: Technology, Deployment, and Pathways to Success", in IEEE Electrification Magazine, vol. 4,no. 2, pp. 29-36, June 2016. https://doi.org/10.1109/MELE.2016.2544218 DOI: https://doi.org/10.1109/MELE.2016.2544218

E. Rodriguez-Diaz, F. Chen, J. C. Vasquez, J. M.Guerrero, R. Burgos, D. Boroyevich, "Voltage-Level Selection of Future Two-Level LVdc Distribution Grids: A Compromise Between Grid Compatibility, Safety, and Efficiency", in IEEE Electrification Magazine, vol. 4, no. 2, pp. 20-28, June 2016. https://doi.org/10.1109/MELE.2016.2543979 DOI: https://doi.org/10.1109/MELE.2016.2543979

X. She, A. Q. Huang, S. Lukic, M. E. Baran, "On Integration of Solid-State Transformer With Zonal DC Microgrid",in IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 3, no. 2, pp. 975-985, June 2012. https://doi.org/10.1109/TSG.2012.2187317 DOI: https://doi.org/10.1109/TSG.2012.2187317

T. Zhao, G. Wang, S. Bhattacharya, A. Q. Huang,"Voltage and Power Balance Control for a Cascaded H-Bridge Converter-Based Solid-State Transformer", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28,no. 4, pp. 1523-1532, April 2013. https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2216549 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2216549

S. Bifaretti, P. Zanchetta, A. Watson, L. Tarisciotti,J. C. Clare, "Advanced Power Electronic Conversion and Control System for Universal and Flexible Power Management",in IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 2, no. 2, pp. 231-243, June 2011. https://doi.org/10.1109/TSG.2011.2115260 DOI: https://doi.org/10.1109/TSG.2011.2115260

M. T. A. Khan, A. A. Milani, A. Chakrabortty,I. Husain, "Dynamic Modeling and Feasibility Analysis of a Solid-State Transformer-Based Power Distribution System" ,in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 54, no. 1, pp. 551-562, Jan2018. https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2757450 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2757450

R. Gao, X. She, I. Husain, A. Q. Huang, "Solid-State-Transformer-Interfaced Permanent Magnet Wind Turbine Distributed Generation System With Power Management Functions", in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 53, no. 4, pp. 3849-3861, July 2017. https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2679679 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2679679

H. Qin, J. W. Kimball, "Solid-State Transformer Architecture Using AC-AC Dual-Active-Bridge Converter",in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 9, pp. 3720-3730, Sept 2013. https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2204710 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2204710

H. Zhao, T. Zhu, D. Cheng, B. Li, J. Ding,Y. Li, "Research on the smart modular cascaded solid state transformer interfaced to distributed photovoltaic power generation system", in The Journal of Engineering, vol. 2017, no. 13, pp. 1872-1879, Jan2017. https://doi.org/10.1049/joe.2017.0656 DOI: https://doi.org/10.1049/joe.2017.0656

A. Q. Huang, Q. Zhu, L. Wang, L. Zhang, "15 kV SiCMOSFET: An enabling technology for medium voltage solid state transformers", in CPSS Transactions on Power Electronics and Applications, vol. 2, no. 2, pp.118-130, 2017. https://doi.org/10.24295/CPSSTPEA.2017.00012 DOI: https://doi.org/10.24295/CPSSTPEA.2017.00012

R. Marquardt, "Stromrichterschaltungen mit verteiltenenergiespeichern",in German Patent DE20 122 923U1, pp. 832-840, 2001.

S. Falcones, X. Mao, R. Ayyanar, "Topology comparison for Solid State Transformer implementation”, in IEEE PES General Meeting, pp. 1-8, July 2010. https://doi.org/10.1109/PES.2010.5590086 DOI: https://doi.org/10.1109/PES.2010.5590086

J. E. Huber, J. W. Kolar, "Applicability of Solid-State Transformers in Today's and Future Distribution Grids", in IEEE Transactions on Smart Grid, pp. 1-1,2018. https://doi.org/10.1109/TSG.2017.2738610 DOI: https://doi.org/10.1109/TSG.2017.2738610

M. S. Diab, A. M. Massoud, S. Ahmed, B. W. Williams, "A Dual Modular Multilevel Converter With High-Frequency Magnetic Links Between Submodules for MV Open-End Stator Winding Machine Drives", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33,no. 6, pp. 5142-5159, June 2018. https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2735195 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2735195

Y. Wang, Q. Song, B. Zhao, J. Li, Q. Sun, W. Liu, "Analysis and optimisation of modulation strategy based on dual-phase-shift for modular multilevel high-frequency-link DC transformer in medium-voltage DC distribution network", in IET Power Electronics, vol. 11, no. 2, pp. 253-261, Feb 2018. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2016.0857 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2016.0857

M. Glinka, R. Marquardt, "A new AC/AC-multilevel converter family applied to a single-phase converter”, in The Fifth International Conference on Power Electronics and Drive Systems., vol. 1, pp. 16-23, Nov2003.

L. H. S. C. Barreto, D. de A. Honório, D. de S. Oliveira,P. P. Praça, "An Interleaved-Stage AC-DC Modular Cascaded Multilevel Converter as a Solution for MV Railway Applications", in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 4, pp. 3008-3016,April 2018.

G. V. T. Bascope, I. Barbi, "Generation of afamily of non-isolated DC-DC PWM converters using new three-state switching cells",in IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference. Conference Proceedings, vol. 2, pp. 858-863, 2000. https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2756600 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2756600

D. R. Joca, B. Dzonlaga, L. H. S. C. Barreto,D. S. Oliveira, J. C. Vannier, L. Quéval, "AC-DC Interleaved Modular Multilevel Converter with Medium-Frequency Isolation Transformer for DC Micro-grids", in International Conference on Components and Systems for DC Grids (COSYS-DC),pp. 1-9, 14-15 March 2017.

F. Briz, M. Lopez, A. Rodriguez, M. Arias, "Modular Power Electronic Transformers: Modular Multilevel Converter Versus Cascaded H-Bridge Solutions", in IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 10, no. 4,pp. 6-19, Dec 2016. https://doi.org/10.1109/MIE.2016.2611648 DOI: https://doi.org/10.1109/MIE.2016.2611648

D. R. Joca, L. H. S. C. Barreto, D. d. S. Oliveira,J. d. O. Pacheco, "Three-phase AC-DC solid-state transformer for low-voltage DC power distribution applications", in IEEE International Conference on Industry Applications (INDUSCON), pp. 1-8, Nov2016. https://doi.org/10.1109/INDUSCON.2016.7874536 DOI: https://doi.org/10.1109/INDUSCON.2016.7874536

S. Li, X. Wang, Z. Yao, T. Li, Z. Peng, "Circulating Current Suppressing Strategy for MMC-HVDC Based on Nonideal Proportional Resonant Controllers Under Unbalanced Grid Conditions”, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 387-397, Jan2015. https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2329059 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2329059

A. Sanchez-Ruiz, G. Abad, I. Echeverria, I. Torre,I. Atutxa, "Continuous Phase-Shifted Selective Harmonic Elimination and DC-Link Voltage Balance Solution for H-bridge Multilevel Configurations, Applied to 5L HNPC", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 4, pp. 2533-2545,April 2017.https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2574931 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2574931

F. T. Ghetti, A. de O. Almeida, P. M. de Almeida,P. G. Barbosa, "Simulação em tempo real de algoritmos de equalização das tensões CC de um conversor multinível modular", Eletrônica de Potência, vol. 2, no. 4, pp. 362-371, Dez 2017. https://doi.org/10.18618/REP.2017.4.2701 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2017.4.2701

H. M. d. O. Filho, D. d. S. Oliveira, "Dynamic analysis of a ZVS bidirectional isolated three-phase dc-dc converter using phase-shift control", in IEEE Brazilian Power Electronics Conference and Southern Power Electronics Conference (COBEP/SPEC), pp. 1-6, Nov 2015.

B. R. Almeida, J. W. M. Araujo, P. P. Praca, D. S. Oliveira, "A Single-Stage Three-Phase AC/DC Converter with High-Frequency Isolation and PFC", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33,no. 10, pp. 8298 - 8307, Oct 2018. https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2775522 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2775522