Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Politechnika Śląska w Gliwicach
Wydział Elektryczny
Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego
i Robotyki
Energetyka Prosumencka w Wymiarach Zrównoważonego Rozwoju 2016 9 Listopada 2016 Koszęcin
Straty mocy w wybranych topologiach
przekształtnika sieciowego dla prosumenckiej
mikroinfrastruktury energetycznej
Autorzy: Marcin Zygmanowski, Jarosław Michalak
Michał Jeleń, Grzegorz Jarek
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
2 / 15
1. Wstęp
2. Cel badań
3. Porównanie topologii przekształtników
4. Wyniki symulacji
5. Wyniki badań eksperymentalnych
6. Wnioski
PLAN PREZENTACJI
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
3 / 15 1. WSTĘP
W proponowanej prosumenckiej mikroinfrastrukturze energetycznej wszystkie przekształtniki połączone są do wspólnego obwodu dc. Przekształtniki te mogą mieć budowę modułową.
Czas działania proponowanej instalacji przekształtnikowej może być dłuższy niż 20 lat.
Panel
słoneczny
Sieć ac
Wyłącznik
sieciowy
Przekształtnik
zasobnikowy
DC
ACObwód dc
Turbina
wiatrowa
DC
DCAC
DCDC
DC
DC
DC
G
Zasobnik
energii
Przekształtnik
wiatrowy
Przekształtnik
solarny (MPPT)
Przekształtnik
obdiorników dc
Odbiorniki
dc
Interfejs
energoelektroniczny PME
Odbiorniki
ac
Przekształnik sieciowy
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
4 / 15 2. CEL BADAŃ
Wybór topologii przekształtnika o mocy 5 kW przeznaczonego
dla przekształtnika sieciowego prosumenckiej
mikroinfrastruktury energetycznej
Rozważa się trzy rozwiązania różniące się topologią i
technologią wykonania tranzystorów.
2-poziomowy przekształtnik z tranzystorami Si-IGBT,
3-poziomowy przekształtnik typu T z tranzystorami Si-IGBT,
2-poziomowy przekształtnik z tranzystorami SiC-MOSFET.
Wszystkie rozwiązania analizowane są jako przekształtniki
mostkowe
Dodatkowo przedstawiono procedurę doboru dławika
wyjściowego (500 µH/ 30 A)
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
5 / 15 3. PORÓWNANIE TOPOLOGII
Si-IGBT 2L Si-IGBT typu T 3L SiC-MOSFET 2L
VdcVdc Vdc
T1
T2
T1
T2
T1
T2
T3
T4
io ioio
1/rT
VT0
25
30 20
Napięcie kolektor-emiter VCE, (V)
4
Prą
d k
ole
kto
ra I
C, (A
)
50
75
100
1
1/rT
25
30 20
Napięcie dren-źródło VDS, (V)
4
Prą
d d
renu I
D, (A
)
50
75
100
1
Tj = 125ºC
Si-IGBT 2-poziomowy
F4-75R12KS4
VT0|T1T2
25
30 2 4
Prą
d k
ole
kto
ra I
C, (A
)
50
75
100
T3T4 T1T2
Tj = 125ºC
Napięcie kolektor-emiter VCE, (V)
Si-IGBT typu T
12MBI75VN-120-50
Tj = 125ºC
SiC-MOSFET
C2M0080120D
VT0|T3T4
1/rT|T3T4
Napięcie blokowania wszystkich tranzystorów wynosi 1200 V
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
6 / 15 4. ANALIZA STRAT MOCY – SYMULACJE
Nazwa parametru Symbol Wartość Napięcie obwodu dc Vdc 380 V Moc znamionowa P 5 kW Częstotliwość podstawowa fm 50 Hz Głębokość modulacji ma 0.85 Częstotliwość przełączania fS 10 kHz (2.5 kHz - 40 kHz) Kąt przesunięcia fazowego odb. ϕ 0.9 deg Rezystancja odbiornika R 10 Ω Indukcyjność odbiornika L 0.5 mH
DELGE
FLOWpT1
pv [PT1]
FLOWpT2
pv [PT2]
FLOWpT3
pv [PT3]
FLOWpT4
pv [PT4]
FLOWpD1
pv [PD1]
FLOWpD2
pv [PD2]
FLOWpD3
pv [PD3]
FLOWpD4
pv [PD4]
SINE
r0=-1
TRI
VOLT UoU @ V
AMPIo
I [L.1]
VOLTVL
L.1
AMPIL
i [L.1]
VOLTpo
R.1
AMP
i [R.1]
Loss
PT1
Loss
PT2
Loss
PT3
Loss
PT4
Loss
PD1
Loss
PD2
Loss
PD3
Loss
PD4
DT
TREF
0
ANDGATE
GATE
GATE
GATEOR
AND
OR>> T4
>> T3
>> T2
>> T1
NOT
NOT
DELGE
P
T=200e-9
T=200e-9
I_sin=860e-3
Tri-Type
I=1
f=10e3
offset=0
phase=0
duty=500e-3
pl
pl pl
U U
T1
G1>>
F4-75R12KS4.scl
D1
F4-75R12KS4D.scl
U U
T2
G2>>
F4-75R12KS4.scl
D2
F4-75R12KS4D.scl
mn mn
U.2
U
L.1 R.1
pl pl
V V
T3
G3>>
F4-75R12KS4.scl
V V
T4
G4>>
F4-75R12KS4.scl mn mn
U.2
V
D3
F4-75R12KS4D.scl
D4
F4-75R12KS4D.scl
MUL
pD1
pD2
pD3
pD4
pT1
pT2
pT3
pT4
VL
IL
Uo
Io
ploss
ADD
ADD
pT1
pT2
pT3
pT4
ADD
pD1
pD2
pD3
pD4
ploss
0
a) b) 400
-400
0
40
-40
Napięcie wyjściowe, (V)
Prąd wyjściowy, (A)
czas, (ms)0 5.0 15.0 20.010.0
5.0 15.0 20.010.00
Model symulacyjny w programie GeckoCIRCUIT (mostek H 2-L Si-IGBT)
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
7 / 15
200
150
250
0200 16
Cał
kow
ite
stra
ty m
ocy
Pto
t, (W
)
Częstotliwość przełączania fS, (kHz)
1284
100
50
Ptot
Straty mocy na przewodzenie Pcon
Straty mocy na przełączanie Psw
200
150
0200 16
Cał
kow
ite
stra
ty m
ocy
Pto
t, (W
)
Częstotliwość przełączania fS, (kHz)
1284
100
50
symulacja
Ptot
Straty mocy na przewodzenie Pcon
symulacja
Straty mocy na przełączanie Psw
200
150
250
0200 16
Cał
kow
ite
stra
ty m
ocy
Pto
t, (W
)
Częstotliwość przełączania fS, (kHz)
1284
100
50
Straty mocy na przewodzenie Pcon
Straty mocy na przełączanie Psw
Ptot
symulacja
250
Si-IGBT 2-poziomowy Si-IGBT NPC typu T 3-poziomowy
SiC-MOSFET 2-poziomowy
pomiary
4. ANALIZA STRAT MOCY – SYMULACJE
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
8 / 15
0
0,2
0,4
1,0
Ko
szt
uży
tkow
ania
prz
eksz
tałt
nik
a, (
k€
)
Częstotliwość przełączania, fS (kHz)2040 12 16
0,6
1,0
4,0
2,0
3,0
80
0,8
Działanie z 10% mocy znamionowej przez 20 lat
Częstotliwość przełączania, fS (kHz)2040 12 168
Działanie z 50% mocy znamionowej przez 20 lat
Si-IGBT 2L
SiC-MOSFET 2L
Si-IGBT typu T 3L
Si-IGBT typu T 3L
SiC-MOSFET 2LSi-IGBT 2L
Ko
szt
uży
tkow
ania
prz
eksz
tałt
nik
a, (
k€
)
4. KOSZT UŻYTKOWANIA PRZEKSZTAŁTNIKA
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
9 / 15 5. WYNIKI BADAŃ PROTOTYPÓW
Si-IGBT 2-poziomowy
Vdc = 250 V, fS = 2,5 kHz
ma = 0,85, R = 9 Ω
Vdc = 250 V, fS = 37,5 kHz
ma = 0,85, R = 9 Ω
Vdc = 250 V, fS = 37,5 kHz
ma = 0,85, R = 9 Ω
Si-IGBT typu T 3-poziomowy
SiC-MOSFET 2-poziomowy
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
10 / 15
120
90
150
0200 16
Cał
kow
ite
stra
ty m
ocy
Pto
t, (W
)
Częstotliwość przełączania fS, (kHz)
1284
60
30
0200 16
Częstotliwość przełączania fS, (kHz)
1284
120
90
150
0200 16
Częstotliwość przełączania fS, (kHz)
1284
60
30
pomiary
Si-IGBT 2-poziomowy Si-IGBT typu T SiC-MOSFET 2-poziomowy
120
90
150
60
30
analiza
pomiary
analiza
pomiary
analiza
5. WYNIKI BADAŃ PROTOTYPÓW
Napięcie obwodu dc Vdc = 250 V,
Brak kontroli temperatury złącz tranzystorów (w analizie Tj = 125oC),
Głębokość modulacji ma = 0,85,
Wpływ składowej zmiennej prądu przy niskich fS i czasu martwego przy dużych fS
120
90
150
0200 16
Cał
ko
wit
e st
raty
mo
cy P
tot,
(W)
Częstotliwość przełączania fS, (kHz)
1284
60
30
120
90
150
0200 16
Częstotliwość przełączania fS, (kHz)
1284
60
30
Vdc = 250 V; Vdc = 150 V,2.5kWP 1.5kWP
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
11 / 15 6. DOBÓR PARAMETRÓW DŁAWIKA
Straty w dławiku L = 500 μH Isat > 35 A otrzymano za pomocą
oprogramowania GeckoMAGNETICS
Analiza obejmuje:
• wybór materiału rdzenia
• wybór rozmiaru rdzenia (EE)
• dobór szczeliny powietrznej lg i liczby zwojów N
w = 65 mm
wm
20 mm
l = 2
7,4
mm
lg
h =
32,8
mm
#1
#2
#3
#4 Nstack = 44xE65
Materiał rdzenia
Liczba rdzeni, Nstack
Stal elektro.
M165-35S
Ferryt
3C90
Proszek
-26
--- 4
Liczba zwojów, N 29 23
Szczelina powiet., lg (mm) 4,2
Grubość rdzenia (mm) 313x0,35 4x27,4
1,95
Straty w uzwojeniu, Pw (W)
Straty w rdzeniu, Pc (W)
20,9
29,2
Indukcja maks. Bmax (T) 0,275 0,35
Straty całkowite, Ptot (W) 50,1
11,0
1,0
12,0
4x27,4
4
---
Typ licy
19
200x0,2
0,30
11,0
40,1
51,1
Indukcyjność, L (µH) 495,9 530,6 480,9
630x0,1 200x0,2
Awlg = 1 l’g
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
12 / 15 6. DOBÓR PARAMETRÓW DŁAWIKA
Bazując na Prawie Ampera dla obwodów magnetycznych:
gmax c c
g max
max 0 c c c g
''
4 ' ln 1 2
lB A lN l N
I A A ll
L = 500 µH
N(lg)
0
Lic
zba
zwo
jów
, N
10
40
20
30
Szczelina pow., l’g (mm)2,5 5,0
E65 E71 E80 E100
Szczelina pow., l’g (mm) Szczelina pow., l’g (mm) Szczelina pow., l’g (mm)2,5 5,0 2,5 5,0 7,5 2,5 5,0 7,5
Nmax = 27
07,5 07,5 0
Nstack = 8Nstack = 7Nstack = 6
L = 500 µH|Nstack = 5 Nstack = 4Nstack = 3
Nstack = 6Nstack = 5
Nstack = 4Nstack = 3
Nmax = 29
L = 500 µH
Nstack = 7Nstack = 6
Nstack = 5Nstack = 4
L = 500 µH|Nstack = 2
L > 500 µH
L < 500 µH
Liczba zwojów N dla danego Bmax/Imax jest funkcją szczeliny powietrznej l’g. Indukcyjność jest funkcją N i l’g.
2 2
g g 0 c
stack stack
gcc g
c g c
' ',
1 4 ' ln 1 2
N l N l AL N N N
llR R
ll A
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
13 / 15 6. KOSZT UŻYTKOWANIA DŁAWIKA
x4
x20
Względny koszt dławika (materiałowy)
7,0
8,0
12,0
Straty mocy w dławiku (W)
Objętość dławika, Vind (dm3)1,00,60,5 0,8 0,9
9,0
10,0
1,0
4,0
4
E65
2,0
3,0
x6
x8
x7
x6
x7
x5
x5
x6
x5
x3
x4x4
E71 E80
5 6 7 8 3 4 5 6 4 5 6 7 2
E100
Liczba rdzeni w stosie, Nstack
Koszt licy
Koszt rdzenia 3C90
0
Szacunkowy koszt użytkowania dławika, (€)
40
160
4
E65
80
120
E71 E80
5 6 7 8 3 4 5 6 4 5 6 7 2
E100
Liczba rdzeni w stosie, Nstack
Działanie z 50%
mocy znamionowej
przez 20 lat
Działanie z 10%
mocy znamionowej
przez 20 lat
0,7
E71
E100E80
E65
6,0
11,0
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
14 / 15
1. Wykonano porównanie strat mocy w trzech
topologiach przekształtników przewidzianych do
zastosowania w przekształtniku sieciowym PME.
2. Straty w przekształtnikach typu T i 2-poziomowym SiC
MOSFET są mniejsze niż w przekształtniku 2-
poziomowym Si-IGBT powodując, że całkowity koszt
użytkowania tych przekształtników może być niższy.
3. Dla dławików rdzenie ferrytowe są znacznie lepsze niż
rdzenie wykonane ze stali elektrotechnicznej czy
rdzenie proszkowe.
7. WNIOSKI
Straty mocy w wybranych topologiach przekształtnika sieciowego dla PME. Dr inż. M. Zygmanowski
15 / 15
Dziękuję za uwagę