Estratégias de projeto e modulação para o conversor DAB trifásico

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2021.O termo transformador de estado sólido (SST, do inglês, Solid State Transformer) tem sido utilizado na eletrônica de potência para designar um sistema de conversão estática capaz de realizar a interface entre redes de média tensão e baixa tensão, provendo isolação galvânica. A flexibilidade e as demais características de um SST, como controle de fluxo bidirecional de potência, modularidade, redundância, regulação de rede, compensação de reativos e portas CC e CA, o tornam um elemento chave para o sistema elétrico do futuro, que integrará elementos como microrredes, armazenamento de energia, geração distribuída intermitente ou mesmo aplicações embarcadas como em navios ou trens. Uma das estruturas mais utilizadas para construção de SSTs inclui um conversor CC-CC isolado e dentre as topologias candidatas, destaca-se o conversor Dual Active Bridge (DAB), que possui elevada densidade de potência, simplicidade de controle e capacidade de realizar comutação suave, dentro de certas condições de operação. Considerando a versão trifásica deste conversor, pode-se elevar ainda mais a densidade de potência, com a redução do tamanho dos capacitores de filtro e do transformador. No entanto, quando operado com baixa carga ou fora dos níveis nominais de ganho de tensão, o conversor DAB apresenta redução no rendimento. Neste contexto, este trabalho tem por objetivo desenvolver técnicas que permitam o aumento do rendimento desta topologia quando operada em condições não ideais. Entre as propostas desenvolvidas neste trabalho estão: o emprego de topologias de transformadores trifásicos de diferentes ângulos defasadores, operação híbrida do conversor no modo monofásico/trifásico e um novo esquema de modulação que emprega vetores nulos. A análise teórica é suportada por resultados experimentais, para os quais utiliza-se um protótipo operando com valor de tensão nominal de 400 V/ 200 V, potência de 1 kW e frequência de comutação de 100 kHz.Abstract: The term solid-state transformer (SST) has been used in power electronics to designate a power conversion system that is able to interface between medium voltage and low voltage networks, providing galvanic isolation. The flexibility and characteristics such as bidirectional power flow, redundancy, modularity, reactive compensation, and DC and AC ports make the SST a key element for future electrical systems. It will integrate elements such as microgrids, energy storage systems, distributed/renewable generation, or even onboard applications such as ships or trains. One of the most used SST structures includes an isolated DC-DC converter and among the candidate topologies, the DAB converter emerges. This converter shows high power density, simplicity of control and inherent soft-switching capability within certain operating limits. Considering the three-phase variation of this converter, power density is increased by reducing the size/volume of the filter capacitors and transformer. However, when the converter operates at a low load or away from the rated voltage gain, its efficiency is typically reduced. Thus, this work aims to develop techniques that enable a high-efficiency level when it is operated under non-ideal conditions. The proposed contributions are the application of phase-shifting transformer, single-phase/three-phase operation and the development of a new modulation scheme. Theoretical analyses are supported by experimental results. These results were obtained with a prototype operating with a nominal voltage of 400 V/200 V, a power limit up to 1 kW and a switching frequency of 100 kHz