Sistema de comunicação e controle para múltiplos conversores aplicados em transformador de estado sólido
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2017 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Manancial - Repositório Digital da UFSM |
Texto Completo: | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/16024 |
Resumo: | This PhD Dissertation proposes a communication and control structure for multiple converters systems, with emphasis on modular structures applied in solid state transformers (SST) with three power stages. The SST under study uses series converters in the highvoltage side, independent isolated dc-dc converters for each module, and parallel converters at the low-voltage side. A review of data communication and synchronization structures in multiple converter systems is developed. The SST control structure is defined to determine the flow of variables between the control loops and the power modules. From this definition and the modular configuration of SST the ways of implementation of signal processors are evaluate, considering the use of a central unit. A communication structure that meets the modularity feature is proposed and its characteristics, functionalities and influence in the control are discussed. In order to meet the control demands, a customized protocol is proposed, operating on a double bus, and its performance is compared to the CAN protocol performance. The proposed protocol is implemented experimentally and its performance characteristics and constraints, imposed by the digital processors, are obtained. The control loops are designed considering the implementation delays. Simulation and experimental results are presented for the independent operation of the converters and in the SST. Finally, stability and controllability are presented and discussed for the isolated DC-DC converter connected to the DC-AC converter. The DAB has good dynamic response to DC voltage control when operate isolated, but connected to the DC-AC converter, it may present loss of controllability. This is due to the constant power behavior at the DC-AC converter input operating in closed loop. Thus, it is proposed a closed-loop model for the voltage perturbation as a function of the constant power step. The power transfer characteristics of the DAB converter are used to determine the minimum voltage required for power transfer. Simulation results for constant power loads are presented and a minimum gain crossing frequency is defined, which guarantees controllability. Experimental results are obtained for validation of voltage sag curve. |
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Sistema de comunicação e controle para múltiplos conversores aplicados em transformador de estado sólidoControl and communication system for multiple converter structures applied to solid state transformerComunicação de dadosMúltiplos conversoresTransformador de estado sólidoData communicationMultiple convertersSolid state transformerCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAThis PhD Dissertation proposes a communication and control structure for multiple converters systems, with emphasis on modular structures applied in solid state transformers (SST) with three power stages. The SST under study uses series converters in the highvoltage side, independent isolated dc-dc converters for each module, and parallel converters at the low-voltage side. A review of data communication and synchronization structures in multiple converter systems is developed. The SST control structure is defined to determine the flow of variables between the control loops and the power modules. From this definition and the modular configuration of SST the ways of implementation of signal processors are evaluate, considering the use of a central unit. A communication structure that meets the modularity feature is proposed and its characteristics, functionalities and influence in the control are discussed. In order to meet the control demands, a customized protocol is proposed, operating on a double bus, and its performance is compared to the CAN protocol performance. The proposed protocol is implemented experimentally and its performance characteristics and constraints, imposed by the digital processors, are obtained. The control loops are designed considering the implementation delays. Simulation and experimental results are presented for the independent operation of the converters and in the SST. Finally, stability and controllability are presented and discussed for the isolated DC-DC converter connected to the DC-AC converter. The DAB has good dynamic response to DC voltage control when operate isolated, but connected to the DC-AC converter, it may present loss of controllability. This is due to the constant power behavior at the DC-AC converter input operating in closed loop. Thus, it is proposed a closed-loop model for the voltage perturbation as a function of the constant power step. The power transfer characteristics of the DAB converter are used to determine the minimum voltage required for power transfer. Simulation results for constant power loads are presented and a minimum gain crossing frequency is defined, which guarantees controllability. Experimental results are obtained for validation of voltage sag curve.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESEsta tese de doutorado propõe uma estrutura de comunicação e controle para sistemas de múltiplos conversores, com ênfase em estruturas modulares aplicados em transformadores de estado sólido (SST) com três estágios de conversão de energia. O SST sob estudo faz uso de associações de conversores em série no estágio de alta tensão, conversores CC-CC isolados independentes para cada módulo e conversores em paralelo no estágio de baixa tensão. Uma revisão de estruturas de comunicação de dados e de sincronização em sistemas de múltiplos conversores é desenvolvida. A estrutura de controle do SST é definida para determinar o fluxo de informações entre as malhas de controle e os módulos de potência. A partir dessa definição e também da configuração modular do SST são avaliadas as formas de implementação dos processadores de sinais, considerando sempre o uso de unidade central. Uma estrutura de comunicação que atende a característica de modularidade é proposta e suas características, funcionalidades e a influência no controle são discutidas. Com objetivo de atender as demandas do controle, um protocolo personalizado é proposto, operando em duplo barramento, e seu desempenho é comparado com o do protocolo CAN. O protocolo proposto é implementado experimentalmente e suas características de desempenho e restrições, impostas pelos processadores digitais, são obtidas. As malhas de controle são projetadas considerando os atrasos de implementação. Resultados de simulação e experimentais são apresentados para os conversores operando isoladamente e no SST. Por fim, é apresentada e discutida a estabilidade e a controlabilidade para o conversor CC-CC isolado conectado ao conversor CC-CA. O conversor DAB apresenta boa resposta dinâmica para o controle da tensão CC quando operando isoladamente, mas conectado ao conversor CC-CA pode apresentar perda de controlabilidade. Isso se deve ao fato do comportamento de potência constante na entrada do conversor CC-CA operando em malha fechada. Assim, é proposto um modelo em malha fechada para a perturbação de tensão em função do degrau de potência constante. As características de transferência de potência do conversor DAB são empregadas para determinar a tensão mínima necessária para transferência de potência. Resultados de simulação para cargas de potência constante são apresentados e uma frequência de cruzamento de ganho mínima é definida, que garante a controlabilidade. Resultados experimentais são obtidos para validação da curva de afundamento de tensão.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaRech, Cassianohttp://lattes.cnpq.br/9375639768929991Kirsten, André Luíshttp://lattes.cnpq.br/3559083413253401Dupont, Fabrício Hoffhttp://lattes.cnpq.br/2244266032297061Schaf, Frederico Meninehttp://lattes.cnpq.br/2227324756659206Pinheiro, José Reneshttp://lattes.cnpq.br/2333794966860226Vargas, Tadeu2019-04-01T13:00:37Z2019-04-01T13:00:37Z2017-09-05info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/16024porAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2019-04-02T06:02:16Zoai:repositorio.ufsm.br:1/16024Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/ONGhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.comopendoar:2019-04-02T06:02:16Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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