Conversor CA-CC baseado na integração de um conversor Forward duas chaves com um conversor Boost para aplicação em um transformador de estado sólido

Abstract

A crescente demanda de energia elétrica acarreta a necessidade de novas fontes de gerações distribuídas e centralizadas. A conciliação do sistema elétrico nacional com estas novas fontes de geração podem ocasionar interferências na qualidade da energia, com isso, é de grande interesse realizar uma busca tecnológica para modernizar o sistema elétrico tradicional. Esta dissertação tem como objetivo desenvolver um conversor CA-CC para aplicação em uma nova arquitetura de Transformador de Estado Sólido, efetuando correções e regulações da tensão na saída, garantindo a qualidade da energia do sistema elétrico. A Transformador de Estado Sólido aplicado neste trabalho possui dois estágios de operação, sendo o primeiro um conversor CA-CC, resultado da integração de um conversor Forward duas chaves com um conversor Boost, e o segundo CC-CA composto por um inversor. O foco principal deste trabalho foi realizar a validação da topologia implementada no primeiro estágio do Transformador de Estado Sólido, iniciando com uma contextualização sobre os Transformador de Estado Sólido, seguido pela análise teórica da arquitetura, e então o projeto e dimensionamento do seu estágio de potência e controle com o auxilio de programas de simulação. Toda a teoria estudada foi validada através de testes laboratoriais efetuados em um protótipo, comparando estes resultados obtidos em laboratório com os resultados simulados. Como resultado, o protótipo desenvolvido possui potência nominal de 1 kW, tensão de pico na entrada de 311 V/60 Hz, realiza o ajuste de nível da tensão da saída em 400 Vcc, como também, a correção do fator de potência e redução dos ruídos indesejados para a rede, operando em uma alta frequência de comutação de 75 kHz. Esta topologia pode ser conectada em série e paralelo entre módulos, resultando em potências mais elevadas, que podem ser aplicadas futuramente em sistemas de distribuição de energia elétrica, redes elétricas inteligentes, data centers, entre outros.

Abstract: The increasing demand for electric power, entails to the need for new sources of distributed and centralized power generations. The implementation of these new sources of power generation in the national electrical system might pose interferences in the quality of the energy, therefore, it is of great interest to develop new technologies to modernize the traditional electrical system. This paper proposes a new converter AC-DC applied to a Solid State Transformer, capable of regulating the voltage at the output, making corrections to ensure the quality of the energy. The Solid State Transformer applied in this work has two-stages, the first one being an AC-DC converter resulting from the integration of a two-switch Forward converter with a Boost converter, and the second stage consisting of an DC-AC inverter. The main focus of this document was to validate the AC-DC converter topology, starting with a contextualization of the Solid State Transformers, followed by the theoretical analysis of the AC-DC converter topology, and then the dimensioning of power and control stage with the aid of simulation software. The studied theory was validated comparing the results obtained in the laboratory tests carried out on a prototype, with the ones simulated on software. As a result, the developed prototype has a nominal power of 1 kW, peak voltage at the input of 311 V / 60 Hz, adjusts the output voltage to 400 Vdc, as well as the correction of the power factor and reduction of unwanted noise to the grid, operating at a high switching frequency of 75 kHz. This topology can be connected in series and parallel between modules, resulting in higher powers, which can be applied in the future in electrical energy distribution systems, smart grids, data centers, among others.