Active filter circuit and control methods to reduce energy storage

The high market demand for power electronics converters nowadays requires converters with high power quality, great reliability and low cost. However, there are several challenges related to these systems, one relevant example is the energy ripple in the DC bus for single phase converters which causes problems such as overheating and reduction of the capacitor lifetime. To limit this energy ripple, which consists of the second order harmonic in the DC bus, a bulky DC link capacitor is usually required. Although, it results in low power density and large converter volume. Some of these capacitors can also present some problems such as shorter life-time and reliability. This thesis addresses this problem by adding active filter storage elements to the DC bus to absorb the pulsating power at twice the frequency on the bus line. In this way, there is no need to increase in the capacitor size to reduce the ripple. On the contrary, this method allows to replace the DC capacitor used for the conventional method by two smaller capacitors. The size of the DC bus capacitor is reduced, as is the energy ripple, and thereby the power density is increased. Besides, with the significant improvement of power semiconductor devices nowadays, the storage element method can be applied with acceptable cost and high reliability. In this thesis, component design and ripple analysis are explained in detail. The effectiveness of the power storage method is confirmed by simulations.Dagens höga efterfrågan på kraftelektronikbaserade omvandlare kräver hög kvalitet, hög tillförlitlighet och låg kostnad. Det finns dock flera utmaningar för dessa system. Ett relevant exempel är energivariationer i DC-bussen hos enfas-omvandlare. Variationerna kan orsaka problem som överhettning och minskning av kondensatorernas livslängd.Variationerna, som är en andra ordningens överton av den fundamentala frekvensen, begränsas vanligen med en skrymmande kondensator kopplad till DC-bussen. Det resulterar i låg effekttäthet och stor omvandlarvolym. Några av dessa kondensatorer kan också medföra problem med kortare livslängd och lägre tillförlitlighet.I denna rapport behandlas detta problem genom att lägga till ett aktivt filter med effektlager vid DC-bussen för att absorbera den andra övertonen. Därmed behövs ingen ökning av kondensatorns storlek för att absorbera den andra övertonen. Den konventionella DC-busskondensatorn kan istället ersättas med två mindre kondensatorer.När både kondensatorns storlek och övertonen minskas fås högre effekttäthet som konsekvens. Med den senaste tidens utveckling inom halvledarkomponenter kan metoden dessutom implementeras med hög tillförlitlighet till en rimlig kostnad.Komponenternas utformning och analysen av variationerna i DC-bussen förklaras i detalj i denna avhandling. Funktionen hos metoden bekräftas av simuleringar