Διατάξεις ανύψωσης τάσης με μαγνητικά συζευγμένα πηνία

Abstract

In recent years, due to the existing energy source policy, there is a global trend toward more utilization of photovoltaic (PV) sources integrated into DC microgrids. Since the voltage generated from a PV panel is slightly of low level, the voltage lift in order to meet the LVDC microgrid standards is a challenging task. Therefore, a high step-up (HSU) converter is required to boost the low voltages (16-30V) in order to meet the DC microgrid distribution voltage level (380-400V).This Ph.D. dissertation refers to low-power (up to 300W) DC-DC HSU converters for interconnecting PV panels with the bus of the DC microgrid, of voltage level equal to 400V.The main objective is its contribution in the field of the PV sources distribution generation, by the proposal, the study, design and construction of improved and novel HSU converters, which will be able to achieve high DC Voltage gains (higher than 20) within a power range of 200-300W, in conjunction with high efficiency, power density and reliability, and low complexity and cost.Initially the study focuses on the comprehensive listing of the most significant HSU converters for low power applications. The non-magnetically coupled converters, and the coupled ones with or without galvanic isolation are presented. As of their comparison, is concluded that the highest DC Voltage gains can be achieved from the magnetically coupled converters. However, according to many approximate analyses, the coupling coefficient of their coupled magnetic component appears to limit their DC Voltage gain.Subsequently, the impact of the coupling coefficient on the DC Voltage gain of the conventional Boost converter with coupled inductors is investigated. At first, the operational behavior of the converter is described, without any approximations, and all the formulas for its comprehensively description are presented. Next the theoretical results are investigated. Finally, an overview and a discussion about the previous methods from which the proposed approximate static DC Voltage gain formulas are derived takes place.In the next step, the theoretical analysis is first evaluated through simulations, and in continue experimentally. Finally, important conclusions are extracted about the range of the specifications within which it is possible to operate the converter, while at the same time, solutions are proposed for its broaden.Next, based on the conclusions and the proposed solutions, an improved non-isolated HSU converter with built-in transformer is proposed. At first its operation is described, and then its analysis is performed. Then its design methodology is presented, while in the experimental part,results are presented for Voltage gains up to 25, and power levels up to 250W.In the next step, a novel isolated HSU converter is presented, the topology of which is derived from that of the improved one. At first its operation is described, and then its analysis is performed. The design methodology is presented as well, while for the verification of the theoretical analysis, experimental results are presented for Voltage gains up to 20, and power levels up to 250W. In conclusion, the operation of a PV system is included, which includes a PV panel and the novel converter, and is interconnected with the bus of a DC microgrid. The total system is simulated, and its behavior under various operating conditions is investigated.

Τα τελευταία χρόνια, λόγω της υφιστάμενης ενεργειακής πολιτικής για σταδιακή απεξάρτηση από τις ορυκτές μορφές ενέργειας, υπάρχει ένα έντονο ενδιαφέρον για τα μικροδίκτυα συνεχούς τάσης (ΣΤ) στα οποία ενσωματώνονται φωτοβολταϊκές (Φ/Β) μονάδες. Το κυρίως πρόβλημα που συναντάται στη διασύνδεση των Φ/Β πλαισίων με το ζυγό του μικροδικτύου ΣΤ, είναι η χαμηλή τάση υπό την οποία παράγουν την ενέργεια τους. Ως εκ τούτου, για τη διασύνδεση τους κρίνεται απαραίτητη η ενδιάμεση παρεμβολή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, ο ρόλος του οποίου είναι η ανύψωση της χαμηλής τάσης του Φ/Β πλαισίου (16-30V) στα επίπεδα της τάσης του ζυγού (380-400V).Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται σε χαμηλής ισχύος (μέχρι 300W) ηλεκτρονικές διατάξεις ανύψωσης τάσης, από συνεχή σε συνεχή, για διασύνδεση Φ/Β πλαισίων με το ζυγό μικροδικτύου ΣΤ ίσης με 400V.Βασικός σκοπός είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, με την πρόταση, τη μελέτη και την κατασκευή βελτιωμένων αλλά και νέων ηλεκτρονικών διατάξεων ανύψωσης τάσης, που θα είναι ικανές να προσφέρουν υψηλά κέρδη τάσης (άνω του 20) σε ένα εύρος ισχύος από 200W έως 300W, σε συνδυασμό με υψηλή απόδοση και πυκνότητα ισχύος και χαμηλό βαθμό πολυπλοκότητας και κόστος.Αρχικά η μελέτη επικεντρώνεται στη συνολική καταγραφή των ηλεκτρονικών διατάξεων ισχύος ανύψωσης τάσης για εφαρμογές χαμηλής ισχύος. Παρουσιάζονται οι μετατροπείς χωρίς μαγνητική σύζευξη και οι μετατροπείς με μαγνητική σύζευξη χωρίς/και με γαλβανική απομόνωση. Από τη σύγκριση εξάγεται το συμπέρασμα ότι οι μόνοι που μπορούν να προσφέρουν υψηλά κέρδη τάσης, είναι οι μετατροπείς με μαγνητική σύζευξη. Παρ’ όλα αυτά, σύμφωνα με αρκετές προσεγγιστικές μελέτες, ο συντελεστής σύζευξης των μαγνητικά συζευγμένων στοιχείων τους θέτει ένα μέγιστο όριο στο κέρδος τάσης που μπορούν να προσφέρουν.Στη συνέχεια εξετάζεται ενδελεχώς η επίδραση του συντελεστή σύζευξης στη λειτουργία του συμβατικού μετατροπέα τύπου Boost με μαγνητικά συζευγμένα στοιχεία. Αρχικά αναλύεται η λειτουργία του χωρίς να πραγματοποιείται καμία παραδοχή και εξάγονται όλα μαθηματικές σχέσεις για την λεπτομερή περιγραφή της. Κατόπιν διερευνώνται τα θεωρητικά αποτελέσματα. Ακολούθως πραγματοποιείται εκτενής επισκόπηση και σχολιασμός των παραδοχών πάνω στις οποίες στηρίχτηκαν οι μέχρι πρότινος δημοσιευμένες αναλύσεις.Στο επόμενο βήμα, η θεωρητική ανάλυση αξιολογείται αρχικά μέσω προσομοιώσεων και στησυνέχεια πειραματικά. Τέλος, εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα για το εύρος των προδιαγραφών μέσα στο οποίο είναι εφικτό να λειτουργήσει ο υπό μελέτη μετατροπέας, ενώ παράλληλα προτείνονται λύσεις για τη διεύρυνση του.Ακολούθως, με βάση τα συμπεράσματα και τις προτεινόμενες λύσεις παρουσιάζεται ένας βελτιωμένος μετατροπέας ανύψωσης τάσης με ενσωματωμένο μετασχηματιστή (Ε-Μ/Τ), χωρίς απομόνωση. Αρχικά περιγράφεται η λειτουργία του και στη συνέχεια πραγματοποιείται η ανάλυση του. Κατόπιν παρουσιάζεται η μεθοδολογία σχεδίασης του, ενώ στο πειραματικό σκέλος παρουσιάζονται αποτελέσματα για κέρδη τάσης μέχρι 25, για ισχύ εισόδου μέχρι 250W.Στο επόμενο βήμα παρουσιάζεται ένας νέος μετατροπέας ανύψωσης τάσης με απομόνωση, του οποίου η τοπολογία προκύπτει από αυτήν του βελτιωμένου μετατροπέα. Αρχικά περιγράφεται η λειτουργία του και στη συνέχεια πραγματοποιείται ανάλυση του. Ακολούθως παρουσιάζεται η μεθοδολογία σχεδίασης του, ενώ για την επαλήθευση της θεωρητικής ανάλυσης παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα για κέρδη τάσης μέχρι 20, ισχύ εισόδου μέχρι 250W.Ολοκληρώνοντας, πραγματοποιείται ανάλυση της λειτουργίας ενός Φ/Β συστήματος το οποίο περιλαμβάνει ένα Φ/Β πλαίσιο και το μετατροπέα με απομόνωση και διασυνδέεται στο ζυγό ενός μικροδικτύου ΣΤ. Πραγματοποιείται προσομοίωση του συνολικού συστήματος και διερευνάται η συμπεριφορά του υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας.