Kolmitasovaihtosuuntaajan vaatimukset 2000 V aurinkosähköjärjestelmässä

Thumbnail Image

Files

master_Aalto_Mikael_2019.pdf (3.79 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2019-05-06

Department

Major/Subject

Micro- and Nanoelectronic Circuit Design

Mcode

ELEC3036

Degree programme

NanoRad - Master’s Programme in Nano and Radio Sciences (TS2013)

Language

fi

Pages

77

Series

Abstract

Aurinkosähkö on yksi merkittävimmistä uusiutuvan energian muodoista. Aurinkosähköjärjestelmät ovat tällä hetkellä murroksessa 1000 VDC jännitetasosta 1500 VDC jännitetasoon, johtuen korkeamman jännitetason eduista järjestelmän kokonaiskustannuksissa sekä hyötysuhteessa. Samasta syystä tulevaisuudessa nosto suurempaan 2000 VDC jännitetasoon on mahdollinen. Tässä työssä tutkitaan mitä hyötyjä ja haasteita siirtymällä korkeampaan jännitetasoon on. Lisäksi työssä tutkittiin erään 1500 VDC jännitetasolle suunnitellun kolmitasoisen ANPC-vaihtosuuntaajan soveltuvuutta 2000 VDC jännitetasolle. Tarkoituksena oli selvittää, kestävätkö IGBT:t äkillisen virranmuutoksen aiheuttamat jännitepiikit IGBT:n sammutuksessa. Lisäksi tutkittiin, onko nykyisten suojauspiirien mitoitus riittävä suuremmilla jännitetasoilla. Yli 1500 VDC jännitetasoa varten testattava laite muokattiin kolmitasovaihtosuuntaajasta kaksitasovaihtosuuntaajaksi. Tämä johtui siitä, että saatavilla oli maksimissaan 1500 V DC-jännitelähde. Kummassakin tapauksessa mittaukset suoritettiin sekä kuristinkuormalla että vaiheoikosulussa. Suurimpana etuna siirtymässä on säästöt järjestelmän kokonaiskustannuksissa. Siirtymällä voidaan saavuttaa noin 7 % säästö alempaan jännitetasoon verrattuna. Suurimpina haasteina taas on korkeamman jännitetason komponenttien saatavuuteen ja standardointiin liittyvät haasteet. Mittauksien perusteella ei pystytä varmistamaan toimiiko laite 2000 VDC jännitetasolla. Kolmitasokonfiguraatiossa jännitepiikkien todettiin pysyvän turvallisen toiminta-alueen rajoissa 1500 V asti, kuten laitteen suunnittelun puolesta kuuluisikin. Vaihtosuuntaajan käyttöä 2000 VDC jännitetasolla rajoittaa mittaustulosten perusteella tehopuolijohdekytkinten kokemat jännitepiikit. Kaksitasokonfiguraatiossa 2000 VDC jännitetasoa vastaava tilanne saavutettiin 750 A DC-virralla. Kaksitasokonfiguraatiossa osa tehopuolijohdekytkimistä ei altistu samanlaiselle jänniterasitukselle kuin kolmitasokonfiguraatiossa, joten mittausten perusteella ei voida päätellä kyseisten tehopuolijohdekytkimien soveltuvuutta korkeammalle jännitetasolle. Lisäksi oikosulkumittauksissa huippuvirta rajoittui kolmitasokonfiguraation huippuvirtaa matalammaksi, oletettavasti hilajännitteen sidontakomponenttien ja vaimenninkondensaattorien mitoituksen takia.

Solar energy is one of the most important forms of renewable energy sources. Currently solar energy systems are at turning point from 1000 VDC voltage level towards 1500 VDC voltage level. The main reasons for elevation of the voltage level are savings in the total costs of the system and improvements in efficiency. Due to these reasons, elevation up to even higher voltage level of 2000 VDC is under consideration. This thesis examines the benefits and challenges regarding the voltage level elevation. Moreover, the purpose of this thesis was to find out if a three-level ANPC-inverter, designed for 1500 VDC voltage level, is suitable for the higher 2000 VDC voltage level. Voltage spikes, caused by the sudden change in current gradient during the IGBT turn off, may exceed IGBT blocking voltage, leading to destruction of the IGBT. These voltage spikes were measured with the original three-level configuration and a modified two-level configuration. The examined three-level inverter was modified into a two-level inverter, because only maximum of 1500 VDC power source was available. The measurements were done with an inductive load and in short circuit conditions. With the higher voltage level, up to 7 % savings in the total system costs can be achieved. However, higher voltage level sets requirements for system components as well. Therefore, availability and standardization of such components are the main challenges. According to the results, compatibility for 2000 VDC voltage level can't be guaranteed. In the three-level configuration, the voltage spikes did not exceed the limit set by safe operating area of the IGBT. However, the voltage spikes, experienced by transistors, might limit the use of the inverter on higher voltage levels. In the modified two-level configuration, operation corresponding to 2000 VDC voltage level on three-level configuration was achieved with 750 A DC-current. However, some transistors did not experience similar voltage stress as in the three-level configuration, and therefore it is not possible to guarantee suitability of those transistors for 2000 VDC voltage level. In addition, compared to the three-level configuration, the maximum short circuit current was limited to significantly lower values, presumably due to gate clamping and clamping capacitors.

Description

Supervisor

Ryynänen, Jussi

Thesis advisor

Leppänen, Joonas

Keywords

vaihtosuuntaaja, IGBT, aurinkosähkö, Valosähköinen ilmiö

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201905122991

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC