Abstract:
This paper presents the design of a Solid State Transformer (SST) and its controller, and the respective tests in order to verify its correct operation. The SST designed has the potential to become a fundamental part of the Smart Grid model. It is able to keep output voltages at each stage within a tolerable range of operation, while at the same time handle disturbances common to power systems. The developed model consists of three stages: the first stage is an AC to DC converter or rectifier that convert the grid voltage to DC voltage, but this voltage is delivered in four levels by using a cascaded diode multilevel converter scheme; this is followed by a DC to DC block with three Double Active Bridges (DAB) whose function is to reduce the voltage level to an specific DC nominal value to enable its integration with alternative energy sources; finally, an inverter block convert the DAB’s output voltage into two 110 AC nominal voltage circuits that is used for distribution purposes. Between each block pair there is a DC linkage: a High Voltage DC Link for the connection from the rectifier to the DAB block and a Low Voltage DC Link for the connection of the DAB block with the inverter. Lastly, each block has its own control loop required providing stability and an acceptable operating range to the SST. This control loop operates on the switching signal or modulation index that is used in each converter. Results of the simulations by stages and from the different tests proved the correct operation of the STT.
Description:
El presente artículo muestra el diseño de un Transformador de Estado Sólido y su control, y las pruebas respectivas para verificar su correcto funcionamiento. El transformador diseñado tiene el potencial de ser parte fundamental del modelo de red inteligente. Es capaz de mantener los valores nominales a la salida de cada etapa dentro de un rango tolerable para operación y a la vez es capaz de soportar perturbaciones comunes en los sistemas de potencia. El modelo que se desarrolla consta de tres etapas, la primera es un convertidor AC/DC o rectificador que convierte el voltaje de la red en un voltaje DC, entregando la señal repartida en cuatro niveles utilizando un esquema de convertidores multinivel de puentes en cascada, a continuación se tiene un bloque DC-DC, con tres DAB o Doble Puentes Activos, cuya función es reducir el voltaje a un valor nominal DC específico para su integración con formas alternativas de energía, finalmente se tiene el bloque inversor que convierte el voltaje de salida del bloque DAB a un doble circuito voltaje 110 V AC de valor nominal para uso a nivel de distribución. Entre cada bloque existe un enlace DC, enlace DC de alto voltaje para conexión del rectificador con el bloque DAB y un enlace DC de bajo voltaje para conectar la salida del bloque DAB con el inversor. Finalmente cada bloque con el respectivo lazo de control necesario para darle estabilidad y un rango de operación razonable al SST; el control se realiza sobre la señal moduladora o de conmutación que se emplee en cada tipo de convertidor. Los resultados por etapas y para las diferentes pruebas demuestran el correcto funcionamiento del STT.
