The solid state transformer (SST) is seen as a proper replacement of the conventional iron-and-copper transformer in the future smart grid . The SST offers several benefits (e.g. enhanced power quality performance or reactive power control at both primary and secondary sides) that can be of paramount importance for the development of the smart grid .
This research focuses on the development and implementation of an advanced model of a three stage bidirectional SST in Matlab/Simulink. The goal is to obtain an realistic SST model (i.e. as close to the real SST as possible) that could duplicate the performance of a real MV/LV SST. This considered design consists of three main stages: medium voltage (MV) stage, isolation stage, and low voltage (LV) stage. When the power flows from the MV side to the LV side, the input power-frequency ac voltage is converted into a MV dc voltage by the three-phase ac/dc converter, which in such case works as rectifier. The isolation stage, which includes a high-frequency transformer (HFT) and the two corresponding MV- and LV-side converters, first converts the MV-side dc voltage into a high-frequency square-wave voltage applied to the primary of the HFT; the secondary side square-wave signal is then converted to a LV dc waveform by the LV-side converter, which also works as rectifier. Finally, the output LV-side three-phase dc/ac converter, which works as inverter, provides the output power-frequency ac waveform from the LV-side dc link.
Si-based semiconductor technologies can be used for MV applications using a multilelvel configuration. Recently, modular multilevel converter (MMC) topologies have attracted attention for high or medium voltage applications. These converters can provide an effective topology for the MV side of the SST; their main advantages are modularity and scalability: the desired voltage level can be easily achieved by a series connection of MMC sub-modules (SMs). In addition,a MMC topology can provide high power quality and efficiency with reduced size of passive filters. These features made the MMC option an attractive topology for the MV stage of the SST.
This thesis proposes a three-stage SST configuration based on MMC technology for MV converters.
* The input stage of the SST is connected to the distribution system via RL filters and its three-phase configuration uses a MMC technology. A half-bridge configuration is proposed for each SM.
* The isolation stage consists of three parts: a MV single-phase MMC, the high-frequency transformer (HFT), and a single-phase LV PWM converter.
* The LV side of the SST uses a three-phase four-leg PWM converter, with an RL impedance for filtering currents and a capacitor bank for filtering voltages.
The converters and their controller have been implemented adn tested considering models without and with semiconductor losses, while the SST model has been tested as a stand-alone device and a compnent of a distribution system.
The model has been tested under severe dynamic and unbalanced conditions. The simulation results support the choices made for any SST stage and proves that the proposed design could be a feasible choice for the future SST.
El Transformador de Estado S贸lido ("Solid State Transformer" por sus siglas en ingl茅s) es visto como un reemplazo adecuado del transformador convencional en las futuras redes inteligentes (smart grids ). Este nuevo dispositivo presenta una amplia gama de prestaciones (p.e. mejora de la cualidad de suministro) que pueden ser de crucial importancia para el desarrollo de las redes inteligentes. El principal objetivo de esta tesis es que desarrollar e implantar el en Matlab/Simulink un modelo realista de estado s贸lido trif谩sico y bidireccional, que pueda duplicar el comportamiento de un transformador de estado s贸lido de Media-Baja tensi贸n. El dise帽o considerado consiste en tres etapas: etapa en media tensi贸n (MT), etapa intermedia, etapa en baja tensi贸n (BT). Cuando la potencia fluye del terminal en media al terminal en baja tensi贸n, la tensi贸n alterna en el terminal de entrada a media tensi贸n y frecuencia de operaci贸n 50 Hz se convierte en continua a media tensi贸n mediante un convertidor trif谩sico rectificador. La etapa intermedia es un puente activo dual, que incluye un transformador de alta frecuencia y los correspondientes convertidores en media y baja tensi贸n: primero, la media tensi贸n continua es convertida en media tensi贸n alterna a alta frecuencia; esta tensi贸n es reducida a baja tensi贸n preservando la alta frecuencia mediante el transformador, finalmente, la tensi贸n en el terminal de salida del transformador es rectificada y convertida en baja tensi贸n continua). La entrada en la etapa de salida en BT es, por tanto, una tensi贸n continua que es convertida en tensi贸n alterna a frecuencia de operaci贸n 50 Hz mediante un convertidor que funciona como inversor. Puesto que el dise帽o del dispositivo estudiado en esta tesis es bidireccional, en caso de que la potencia tenga que fluir desde el lado de BT al lado de MT, la funci贸n de los convertidores se invierte (es decir, los rectificadores pasan a operar como inversores, los inversores pasan a operar como rectificadores) en cualquiera de las etapas. Los actuales semiconductores solo pueden ser utilizados en aplicaciones de media y alta tensi贸n empleando convertidores multi-nivel. Durante los 煤ltimos a帽os ha ganado popularidad la tecnolog铆a MMC (modular multilevel converter), que permite dise帽ar configuraciones adecuadas para el lado de MT de un transformador de estado s贸lido; sus principales ventajas est谩n en modularidad y escalabilidad: el nivel de tensi贸n adecuado se puede conseguir mediante la conexi贸n en serie de tantos sub-m贸dulos como sea necesario. Adem谩s con la tecnolog铆a MMC se puede obtener una alta calidad en las ondas de tensi贸n y corriente, as铆 como un elevado rendimiento con tama帽o reducido en los filtros de entrada. Esta tesis propone un dise帽o trif谩sico bidireccional con las siguientes caracter铆sticas: - La etapa de entrada est谩 conectada a una red de distribuci贸n en MT mediante filtros RL y su configuraci贸n trif谩sica usa convertidores de tecnolog铆a MMC. - La etapa intermedia contiene tres secciones: un convertidor monof谩sico en configuraci贸n MMC, un transformador de MT/BT y alta frecuencia, y un convertidor monof谩sico en BT. - La etapa de salida en BT usa un convertidor trif谩sico PWM (pulse wide modulation), con un filtro RL para las corrientes y un banco de condensadores para filtrar tensiones. Los convertidores han sido implantados en Matlab/Simulink y simulados considerando modelos con y sin p茅rdidas en los semiconductores, mientras que el modelo completo de transformador de estado s贸lido ha sido analizado considerando dos configuraciones distintas del sistema a estudiar: el transformador aislado y formando parte de una red de distribuci贸n en MT. Los modelos de transformador con y sin p茅rdidas han sido simulados bajo ciertas condiciones de operaci贸n. Los resultados confirman que la configuraci贸n seleccionada para cada etapa del nuevo dispositivo permite obtener un dise帽o fiable que puede mejorar el funcionamiento de las futuras redes inteligentes.