Solid-State Transformer Design and Implementation for Microgrid Applications

Solid-State Transformer Design and Implementation for Microgrid Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Thesis_AmerBinSahaq_201265460.pdf
Restricted to Repository staff only until 8 June 2023.

Download (10MB)

Arabic Abstract

تتطلب شبكات التوزيع الكهربائية الحالية بعض التغيرات لدمج مصادر الطاقة المتنوعة مثل مصادر الطاقة المتجددة و كذلك تستدعي القدرة على تشغيل الاحمال المتغيرة الجديدة مثل محطات شحن السيارات الكهربائية. هذه التغيرات أدت إلى بعض المشكلات و الصعوبات في شبكات الطاقة وعززت الحاجة إلى الشبكة الذكية. تعتبر الشبكة الكهربائية التي يتم التحكم فيها بالكامل من خلال شبكات التوليد والنقل والتوزيع وتدفق الطاقة ثنائي الاتجاه ميزات مهمة في مفهوم الشبكة الذكية. بالإضافة إلى ذلك، دمج الطاقة المتجددة مثل أنظمة الطاقة الشمسية التي تنتج مصدر الجهد المستمر مباشرة لتغدية الشبكات الصغيرة، وهي عنصر مهم في الشبكة الذكية. تتمثل إحدى المشكلات في الشبكات الصغيرة ذات الجهد المستمر في النقل بين الجهد المنخفض والجهد المتوسط أو مستويات الجهد العالي ذات المكاسب العالية (أكبر من 10 مرات). هنا تأتي الحاجة إلى استخدام ما يسمى بالمحول الذكي أو المحول إلكتروني (SST). هذا الجهاز هو ببساطة بديل لمحول الطاقة التقليدي لشبكات الجهد المستمر. المحولات عالية أو متوسط التردد هي العنصر الرئيسي في المحول إلكتروني. تصميم مثل هذا المحول ليس بالأمر الهين لأنه يتضمن التأثيرات المغناطيسية عالية التردد، ومكوناته مترابطة للغاية ومعقدة. الهدف الأول من هذه الأطروحة هو معالجة هذه التحديات من خلال اقتراح منهجية تصميم رياضي جديدة تلتزم بالقيود التشغيلية والعملية لمحول التردد المتوسط (MFT). هذه الدراسة قامت بصياغة رياضية متعددة الأهداف للأختيار الأمثل لعناصر المحول الإلكتوني لتقليل الحجم ، وزيادة الكفاءة إلى الحد الأقصى، وإنشاء محول يمتاز بمعامل حث مغناطيسي محدد والتي يتم حلها باستخدام خوارزميات الفرز الجينية غير المهيمنة (NSGA). تم حل المنهجية المقترحة باستخدام عمليتي تحسين: أبعاد غير مقيدة لقلب المحول و ألاسلاك المستخدمة و أبعاد معيارية قائمة على قاعدة البيانات. يؤدي التحسين متعدد الأهداف لكلتا الطريقتين إلى إيجاد حلول تحترم جميع القيود بكفاءة عالية ، وحجم منخفض، والأهم من ذلك إنشاء محول يمتاز بمعامل حث مغناطيسي محدد لتشغيل تركيبة الجسر النشط المزدوج (DAB) لمرحلة نقل الجهد المستمر من المحول الإلكتروني. تم اقتراح العديد من تركيبات المحول الإلكتروني في الأعمال الأكاديمية السابقة للتطبيقات المختلفة. تتناول هذه الأطروحة أيضًا تصميم وبناء محول إلكتروني من جهد مستمر إلى جهد متغير على مرحلتين بناءً على تقنيات أشباه الموصلات ذات روابط إلكترونية واسعة (WBG) ووحدات التحكم القوية لتشغيل المحركات الكهربائية متغيرة السرعة. يتكون المحول الإلكتروني المصمم من تركيبة الجسر النشط المزدوج (DAB) من جهد مستمر إلى جهد مستمرمختلف متبوعًا بعاكس ثلاثي الطور من جهد مستمر إلى جهد متردد. يتم محاكاة كل مرحلة من مراحل المحول الإلكتروني المصمم باستخدام وحدات تحكم بسيطة ومستقلة وقوية. يتم اختبار وحدات التحكم المقترحة في ظل ثلاثة ظروف: تتبع مرجع الجهد، وتنظيم الجهد في ظل اضطرابات جهد الدخل وتنظيم الجهد تحت تغيرات الحمل. تم تصميم المحول الإلكتروني عند قدرة 2 كيلو واط. تقوم المرحلة الأولى بتحويل الجهد من 200 فولت إلى 400 فولت مستمر بتردد 20 كيلو هرتز ، بينما تعمل مرحلة الجهد المستمر إلى الجهد المتردد على تشغيل المحرك ثلاثي الطور عند خط جهد 190 فولت و 50 هرتز. تم تطوير النظام المقترح مبدئيًا في برنامج المحاكاة ماتلاب بعد ذلك تم إنشاء نموذج مختبري للتحقق من النتائج تجريبيًا. في النهاية، الجسر النشط المزدوج مع وحدة تحكم المصصمة قادر على الحفاظ على الجهد المرجعي المطلوب مع تموجات جهد المنخفض تحت الظروف الثلاث ، بينما تُظهر وحدة التحكم ثلاثية الطور أداءً فائقًا في تتبع المرجع المطلوب وإنتاج أشكال موجية للتيارالمتردد جيدة التنظيم مع تشويه توافقي منخفض.

English Abstract

The present-day distribution networks are changing to integrate distributed generations, like renewable energy resources, and to connect new sizable loads such as electric vehicle (EV). These changes increase the complexity of the power networks and promote the need of Smart Grid (SG). Fully controlled electrical grid through generation, transmission and distribution networks and bidirectional power flow are considered important features in the SG concept. Additionally, the renewable energy integration, like Photovoltaic (PV) system, that produces DC source can be used directly in the DC Microgrids, which is an important item in SG. One of the issues in DC Microgrids is the transmission between low voltage and medium voltage or high voltage levels with high gains (greater than 10 times). Here is the rule of using what’s called smart transformer, or solid-state transformer (SST). This device is simply an alternative to the traditional power transformer for the DC/DC networks High frequency operated transformer is the main element of SST. Designing such a transformer is not trivial since it includes the high frequency magnetic effects, and its parameters are highly interdependent and complex. The first aim of this thesis is to address these challenges by proposing a new mathematical design methodology that abides to the operational and practical constraints of medium frequency transformer (MFT). This results in multi-objective functions to minimize the volume, maximize the efficiency, and construct transformer with desired leakage inductance which are solved using nondominated sorting genetic algorithms (NSGA). The proposed methodology is solved using two optimization routines: free parameters and database-based core and wire dimensions. The multi-objective optimization of both methods generate solutions that respect all constrains with high efficiency, low volume and more importantly the desirable leakage inductance for the operation of dual active bridge (DAB) topology of DC-DC stage of SST. Several SST configurations have been proposed in the literature for different applications. This thesis also considers the design and construction of two-stage DC-AC solid-state transformer based on wide bandgap (WBG) semiconductor technologies and robust controllers for variable speed electrical drive system. The designed SST consists of dual active bridge (DAB) DC-DC converter followed by a DC/AC three phase inverter. Each stage of SST is simulated with simple, independent, and robust controllers. The proposed controllers are tested under three conditions: voltage reference tracking, voltage regulation under input voltage disturbances and voltage regulation under load changes. The designed SST is rated at 2 kW. The DC-DC stage transforms 200 V to 400 V DC with 20 kHz switching frequency, while the DC-AC stage drives AC loads operating at a line-to-line voltage of 190 V and 50 Hz. The proposed system is initially developed in MATLAB Simulink and a laboratory prototype is constructed to verify the results experimentally. Ultimately, the dual active bridge with its simple PI controller is able to maintain the desired output reference voltage with low voltage ripples under the three cases, while three phase controller exhibits superior performance in tracking the desired reference and producing well-regulated AC load current waveforms with low harmonic distortion.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Engineering
Electrical
Department: College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor: Abido, Mohamed
Committee Members: Al-Ismail, Fahad and Hussein, Alaa El-Din and Worku, Muhammed
Depositing User: AMER BINSAHAG (g201265460)
Date Deposited: 12 Jun 2022 08:47
Last Modified: 12 Jun 2022 08:47
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142157