Active circuit extension for unity power factor operation of passive three-phase diode rectifiers

Abstract

Die Relevanz von Systemen zur netzfreundlichen Umformung von Dreiphasen-Wechselstrom in Gleichstrom ist gerade in der jüngsten Zeit durch die Thematik der erneuerbaren Energieerzeugung/Smart-Grids/Elektromobilität bzw. der Zunahme der Leistungselektronik bei der Erzeugung und Distribution elektrischer Energie stark angestiegen. Ganz allgemein basiert heute ein hoher Anteil der in Industrie und allgemeinen Anwendungen eingesetzten elektrischen Prozesse (z.B. Antriebe, Stromversorgung für Internet- und Telekommunikationseinrichtungen, Ladestationen in der Elektromobilität, Solarbatteriespeicher etc.) auf der Verwendung von Gleichstrom und bedarf deshalb moderner Gleichrichtersysteme mit niedrigen Netzstromharmonischen. Eine besondere Rolle spielen solche Systeme auch im Bereich der eMobility zur Implementierung von Schnelllade-Station für Fahrzeuge. Hier werden zum Beispiel im Moment immer noch sehr häufig passive Strukturen wie zum Beispiel der dreiphasige Diodengleichrichter mit DC-seitigem LC Ausgangsfilter implementiert (einfach, robust, billig). Allerdings entstehen durch die Verwendung solcher passiver Topologien wesentliche Nachteile bei der maximalen Auslastung und Stabilität des Netzes aufgrund enormer Belastung durch Blindströme (erhöhter Blindleistungsbedarf etc.). Typische Auslegungen solcher passiver Gleichrichter sehen THDi (Total Harmonic Distortion) Werte von ca. 48% vor, was zu einer deutlich erhöhten Belastung des Netzes durch Netz- harmonische führt und daher einen unerwünscht hohen Anteil an Blindleistung im Netz bedeutet. Zur Vermeidung dieser eben genannten Nachteile besteht die Möglichkeit der Verwendung aktiver Gleichrichterkonzepte. Diese bisher bekannten Strukturen lassen aber die Adaption/Erweiterung eines bereits bestehenden passiven Gleichrichters nicht zu und fordern daher ein komplett neues Design. Die bereits Implementierte passive Struktur kann somit nicht mehr wiederverwendet werden. Besonders vorteilhaft erscheint also, eine Ergänzung einer bereits bestehenden passiven Gleichrichterstufe mittels aktiver Konverter-Injektionsstufe. Diese optionale aktive Leistungsstufe garantiert sinusförmige Eingangsströme, einen THDi<5%, einen Leistungsfaktor von nahezu -1- (reine Wirkleistungsübertragung - -Unity Powerfactor-) und erlaubt es, bereits bestehende passive dreiphasige Gleichrichter zu einer Struktur mit niedrigen Netzstromharmonischen -upzugraden-. Die Dissertation beschäftigt sich daher mit der Analyse von aktiven Dreiphasen-Gleichrichtern auf dem Prinzip der gleichspannungsseitigen -Third Harmonic Current Injection-. Attraktive Konzepte werden daher diskutierte und analytisch behandelt. Die zwei vielversprechendsten Topologien werden leistungselektronisch ausgelegt, hardwaretechnisch implementiert und getestet. Die realisierten forschungsdienlichen Prototypen sollen die eingangs erwähnten Vorteile einer solchen Struktur zum Erhalt eines leistungselektronischen Gesamtkonzepts, das es ermöglicht, Vorteile beider leistungselektronischer Topologien (passiver Gleichrichter und aktive Injektionsstufe) auszuschöpfen (-Unity Powerfactor-, THDi<5%, keine hochfrequente Common-Mode Spannung am Gleichrichterausgang,...), bestätigen. Im Rahmen der Dissertation wurden nicht nur neue leistungselektronische Schaltungskonzepte und Regelkonzepte vorgeschlagen und implementiert, analysiert und funktionsfähige Prototypen entwickelt, sondern wirtschaftlich relevante Anforderungen berücksichtigt wie zum Beispiel optimierte Baugröße für die benötigte Eingangsfilterstruktur unter Ausnützung von Netzimpedanzanteilen, Eingangsstromverzerrungsfreie und dynamische Spannungsregelung inkl. aktiver Spannungsbalancierkonzepte, Vergleich der errechneten Bauteilauslegungen mittels Thermischer Messungen, optimierte Baugröße des Gesamtkonzepts und Injektionsdrosseln durch optimierte Kühlkonzepte und gekoppelte Spulenimplementierung, Berücksichtigung möglicher Netzspannungsunsymmetrien und Störungen.

Especially in recent times, modern societies are more and more longing for substitution of pollutive technology (coal-fired power plants, gasoline driven automotives,...) by eco-sensitive solutions. This balancing act, between fulfilling the need of current energy expenditure and expected increasing power demand should be satisfied and optimized via solutions as e.g. renewable energy, the smart grid vision, e-mobility etc. Therefore, a grid harmonic free three-phase AC-to- DC conversion is highly requested as a lot of today-s technologies are assuming a DC power supply and/or at least a common DC-link (battery systems, motor applications, miscellaneous DC power supplies,...). Three-phase rectifier applications also play an important role for e.g. e-mobility fast charging stations. Such stations often use passive three-phase rectifiers with adjacent passive filter (low-cost, simple, robust). Due to a high reactive power demand and higher order harmonics (which mainly result in a low-cost and volume optimized design of the passive topology- THDi typ. 48%) such systems tend to impair the stability and highly pollute the grid. These mentioned drawbacks can be overcome or at least reduced if active rectifier solutions are implemented. Commonly known active rectifiers, however, do not allow the extension of such a passive system, and thus in general assume the substitution of the total AC- to DC-conversion path. The already manufactured passive system is hence not reusable. An optional upgrade which allows both, either a high efficiency or unity power factor and low harmonic input currents (on demand) therefore might appear as attractive solution for such already existing passive systems. From this reason, this PhD-thesis is engaged in such an enhancement for passive three-phase rectifiers with DC-side smoothing inductor by employing the third harmonic injection concept. Several promising solutions are discussed and analytically described. The most promising solutions are selected for laboratory prototype verification. The implemented circuits should confirm the proposed advantages of such a hybrid system (improved efficiency, low harmonic input currents THDi<5%, unity power factor, no high frequency common-mode voltage with switching frequency at the output of the total system). Within the scope of this PhD-thesis, not only novel hybrid power electronics concepts have been proposed, but also dedicated control concepts have been analyzed and verified. Furthermore, the laboratory prototypes also considered different important practical aspects as e.g. optimized input filter design due to exploitation of mains impedance, design of a highly dynamic control (voltage/current), active voltage balancing, comparison of designed and implemented components via thermal measurements, optimized injection inductors, advanced cooling concepts (optimized air cooled) and unbalanced mains input voltages.