Control of a DAB-cell of a Modular Vienna Rectifier Operating as Solid State Transformer

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist es, als ersten Schritt zum Aufbau eines mVRs[1], drei Simulationen im Schaltungssimulator VokiDrill[2] durchzuführen und eine DAB für Niederspannung aufzubauen. Die erste Simulation untersucht dabei einen SST, welcher aus einer B6U und sechs DABs besteht. Diese Schaltung wurde verwendet, um den Ausgangsspannungs-, den DAB-Eingangsstrom- und die DAB-Eingangsspannungs-Regler zu entwerfen und konfigurieren. Dabei wurde die Schaltung mit einer Zwischenkreisspannung von 1kV und einer Ausgangsleistung von 1kW simuliert. In der zweiten Simulation wurde die erste Simulation erweitert, um den gesamten mVR zu simulieren, indem der aktive Filter zwischen den Phasen und dem Mittelpunkt eingesetzt wurde. Jede Filterphase bestand dabei aus fünf FBCs. Die Regelalgorithmen für den Filter, sowie die Regler der DABs, wurden auf der Grundlage der Regelalgorithmen, welche in [1] vorgestellt wurden, entworfen. Die dritte Simulation befasste sich im Detail mit einem einzelnen DAB bei Niederspannung, zur Vorbereitung des anschließenden Laboraufbaus und zur Auswahl der Komponenten und Reglereinstellungen. Eine Zwischenkreisspannung von 400V mit einer Ausgangsleistung von 155W wurde als Niederspannungs-Betriebspunkt definiert, basierend auf der Verfügbarkeit der Geräte im Labor. Aus den Erkenntnissen der dritten Simulation wurden mit Altium Designer[3] drei PCBs entworfen. Die DAB-Schaltung wurde in zwei Leistungselektronik-Platinen aufgeteilt, welche die FBs enthalten, und eine Logikplatine, welche die Verteilung der Steuer- und Messsignale zum und vom verwendeten Mikrocontroller übernimmt. Zur Implementierung der Messung, Steuerung und PWM-Signalerzeugung wurde ein Nucleo-144 mit einem STM32-H723ZG-Mikrocontroller verwendet. Mit diesem Aufbau konnte die Funktion des Ausgangsspannungsreglers bis 45V bestätigt werden. Da jedoch während der Tests mehrere Probleme mit den FBs sowie PCB-Designfehler festgestellt wurden, war es nicht möglich, den DAB im Vollbetrieb zu testen. Dennoch wurde die Funktion des Eingangsstromreglers teilweise nachgewiesen. Die PCBs wurden neu entworfen, um die Probleme zu beheben, konnten jedoch aus Zeitgründen nicht getestet werden.

This thesis aims to be the first step in order to build a Modular Vienna Rectifier (mVR)[1]. To achieve this goal, three simulations were performed in the circuit simulator VokiDrill[2] and a low-voltage laboratory build-up of a Dual Active Bridge (DAB) was made. The first simulation, investigated a simple Solid State Transformer (SST) containing only a Uncontrolled three-phase Bridge rectifier (B6U) and six DABs. This circuit was used to design the output voltage control, DAB-input current control and DAB-input voltage control. It was simulated with a DC-Link voltage of 1kV for an output power of 1kW. In the second simulation, the first simulation was extended to incorporate the full mVR by adding the active filter between the phases and the middle point. Each active filter phase was comprised of five Full Bridge Cells (FBCs). A fitting control algorithm based on the control algorithms proposed in [1] was designed. The third simulation dealt with a single DAB in detail, at low-voltage, in preparation for the subsequent laboratory build-up, to select the correct components and controller settings. This low voltage operation point was defined as a DC-Link voltage of 400V with an output power of 155W based on the availability of equipment in the laboratory. The operation of all controllers was confirmed in the simulations. However, in the first and second simulation large losses in the DABs were discovered. This was not investigated in detail, as another thesis focused on the simulation of a mVR. The focus of this thesis was instead shifted to the low-voltage laboratory build-up. From the insights of the third simulation, a Printed Circuit Board (PCB) setup containing three PCBs was designed with Altium Designer[3]. The DAB-circuit was split up into three PCBs: two power electronics boards (each containing a Full Bridge (FB)) and one logic board containing the microcontroller. A Nucleo-144 board with a STM32-H723ZG microcontroller was used to implement the measurement, control and Pulse-Width Modulation (PWM)-signal generation. With this setup the function of the output-voltage controller could be confirmed up to 45V. However, as multiple problems with the FBs, as well as, PCB-design flaws were found during testing, it was not possible to test the DAB in full operation. Nevertheless, operation of the input-current controller was partially proven. The PCBs were redesigned to address the issues, but were not built and tested because of time-constraints.