Composite converters for the interlink between low and extra low dc nanogrid voltage buses

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This thesis presents a study on isolated DC-DC converters for the interface between a low voltage bus, EBT (48 V), and a low voltage bus, BT (380 V) for a 1.2 kW residential DC-DC nanogrid. The proposed converter makes use of a composite structure where a DCX converter is designed to operate with a constant duty cycle at the point of minor losses. A DC regulator (DCR) controls the regulator for the extra-low voltage (EBT) DC bus that is regulated by the compound converter. In this sense, two performance indices were used to choose the DCX converter: the Effort Factor (Component Stress Factor - CSF) and Fryze Power Factor. CSF is an analytical method used to evaluate and compare converter topologies for a specific application. The Fryze power factor is a simple method for evaluating the amount of non-active power that is processed by a given circuit. The regulator is modeled and a compensator is designed to control the current through a reference provided by a droop loop. To reduce the non-active power processed by the DC regulator, an adjustable transformer was implemented to reduce the non-active power. The efficiency of the composite converter is compared with that of a cascade regulator. To validate the approaches, a 1.2 kW composite converter was designed, built and evaluated under different tests regarding static gain, waveforms, control and efficiency. Esta tese apresenta um estudo sobre conversores CC-CC isolados para a interface entre um barramento de extrabaixa tensão, EBT (48 V), e um barramento de baixa tensão, BT (380 V) para uma nanorrede CC-CC residencial de 1,2 kW. O conversor proposto faz uso de uma estrutura composta onde um conversor DCX é projetado para operar com razão cíclica fixa no ponto de menores perdas. Um regulador CC (DCR) permite a regulação do barramento CC de tensão extrabaixa (EBT) que é regulado pelo conversor composto. Neste sentido, para a escolha do conversor DCX foram utilizados dois índices de desempenho: o Fator de Esforços (Component Stress Factor - CSF) e Fator de Potência de Fryze. O CSF é um método analítico usado para avaliar e comparar diferentes topologias de conversores para uma aplicação específica. Já o fator de potência de Fryze é um método simples para avaliar a quantidade de potência não-ativa que é processada por um determinado circuito. O regulador CC é modelado e um sistema de controle é projetado para realizar o controle da corrente através de uma referência fornecida por uma malha de droop. Para reduzir a potência não-ativa processada pelo regulador CC, foi implementado um transformador regulável que tem como objetivo reduzir a potência não-ativa. O rendimento do conversor composto é comparado com o de um regulador em cascata. Para validar as abordagens, um protótipo do conversor composto de 1,2 kW foi projetado, construído e submetido a inúmeros ensaios de laboratório, sendo avaliado experimentalmente o ganho estático, forma de ondas, controle e rendimento do conversor proposto.