A matrix converter based solid state transformer for future electrical grids

Pedro Miguel Batista de Sousa Correia da Costa

Informações chave

Autores:

Pedro Miguel Batista de Sousa Correia da Costa (Pedro Miguel Batista de Sousa Correia da Costa)

Orientadores:

Sónia Maria Nunes dos Santos Paulo Ferreira Pinto (Sónia Maria Nunes dos Santos Paulo Ferreira Pinto); José Fernando Alves da Silva (José Fernando Alves da Silva)

Publicado em

19/07/2024

Resumo

Para mitigar os efeitos adversos do aquecimento global é necessária uma descarbonização em massa dos mais relevantes sectores da sociedade. Para tal é necessário aumentar a injeção de energias renováveis na rede assim como um abandono significativo da utilização de combustíveis fosseis. Estas necessidades catalisam novos conceitos como o Smart Grids que visam enfrentar os desafios de futuras redes industriais e residenciais assim como micro redes em aeronaves e navios. Considerada uma tecnologia fundamental nesta transição os Transformadores de Estado Sólido (SST) fazem uso de conversores eletrónicos de potência permitindo operar os transformadores em elevadas frequências. Consequentemente permitem maior flexibilidade de controlo (essencial em redes elétricas com alta penetração de energias renováveis), maior densidade de potência (relevante para a penetração desta tecnologias no sector dos transportes) assim como um aumento da eficiência global das redes. De entre as diferentes topologias de conversores eletrónicos de potência, os conversores matriciais permitem a conversão direta AC/AC sem armazenamento intermédio de energia, beneficiando de maiores densidades de potência e um aumento no tempo médio de vida do conversor. Este trabalho propõe uma nova topologia para um SST baseada em conversores matriciais para a qual é desenhado um método de modelação que não só permite a minimização do fluxo mas também permite controlar o SST como um conversor matricial clássico permitindo assim a utilização de técnicas de controlo destes conversores bem conhecidas. É ainda proposto um método de modelação capaz de comutar os conversores sob a presença do fluxo de fugas de transformadores com múltiplas fases. Com o objetivo de maximizar a densidade de potência é desenvolvido um método de dimensionamento para filtros de ligação à rede de elevada ordem. É também desenvolvido um mecanismo de controlo para o SST baseado controladores preditivos para as correntes e controladores não lineares para as tensões. O funcionamento do SST é demonstrado em simulação com resultados que validam tanto a topologia como o seu controlo e mecanismo de comutação. The imminent threats of global warming demand new paradigms across various sectors. Among them are the electrical, industrial and transportation sectors. Decarbonising these sectors demands high penetration of renewable energies in the grid and a massive reduction of fossil fuels. These changes demand new concepts, such as Smart Grids, to tackle challenges in the stability and operation of these future industrial/residential grids, as well as microgrids in aeroplanes and large vessels. Solid State Transformers are a key technology for future grids. Reeling in power electronic converters can increase controllability (paramount for grids with high decentralised renewable energy penetration), increase power density (extremely relevant in large vessels and aeroplanes) and increase overall net efficiency. Among different power converter topologies, matrix converters can perform AC/AC conversion without any intermediate energy storage and consequently benefit from higher power density and increased converter lifetime. This work proposes a matrix converter-based SST tackling the technical challenges that arise from the use of matrix converters at the front and back end of SSTs. A novel topology is proposed, and a suitable modulation method is designed to minimise the transformer flux while allowing for the SST to be controlled as a traditional matrix converter, enabling the use of wellestablished control methods. The leakage of the medium/high-frequency transformer in SST demands new commutation methods for the front-end matrix converter; in this work, a leakagetolerant commutation method was formulated for a generic number of input and output phases with multiphase transformers. An optimization-based method to size high-order grid-connected filters was designed to further increase the SST power density, and a model predictive controller was designed to control the converter currents. Simulations of the proposed topology and controllers show prominent results that validate the design methodology.