Design and Characterization of a Three-phase Current Source Inverter using 1.7kV SiC Power Devices for Photovoltaic Applications

Autor: Rodrigues, Luis Gabriel Alves
Přispěvatelé: Garcia, Sylvie, Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2ELab), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), Université Grenoble Alpes, Jean-Paul Ferrieux, Jérémy Martin (co-encadrant)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Electric power. Université Grenoble Alpes, 2019. English
Popis: Classically, the energy conversion architecture found in photovoltaic (PV) power plants includes solar arrays delivering a maximum voltage of 1kV followed by a step-up chopper connected to a three-phase Voltage Source Inverter. This multistage conversion system (DC/DC + DC/AC) is then connected to the medium-voltage grid through a low-voltage/medium-voltage transformer. In order to simplify the PV systems, this research work focuses on the study and implementation of a DC/AC topology employing a single power processing stage: the three-phase Current Source Inverter (CSI). To deal with the inconvenient of high conduction losses when implementing this topology, wide-bandgap Silicon Carbide (SiC) semiconductors are used, allowing to efficiently convert energy while keeping a relatively high switching frequency. Nonetheless, since the available power semiconductor modules on the market are not compatible with the CSI, a novel 1.7kV SiC-based voltage bidirectional module is developed in the context of this thesis. Hence, the dynamic characterization of the new SiC device is carried out and serves as the basis for the design of a 60kW CSI prototype.Finally, the inverter efficiency is evaluated at nominal operating conditions, employing both a calorimetric and electrical methods. The obtained results confirm the CSI ability to operate efficiently at high switching frequencies (η>98.5% @60kHz). The originality of this work lies mainly in the design, characterization and implementation of the new 1.7kV full-SiC power module adapted to the CSI topology.
Classiquement, la chaîne de conversion d’énergie électrique des centrales photovoltaïques comporte un champ photovoltaïque (PV) délivrant une tension maximale de 1kV suivi d’un hacheur élévateur connecté à un onduleur de tension triphasé. Cette chaîne de conversion à deux étages (DC/DC + DC/AC) est ensuite raccordée sur le réseau moyenne tension à l’aide d’un transformateur élévateur. Dans l’objectif de simplifier les systèmes de conversion PV, ce travail de recherche s’intéresse à l’étude et la mise en oeuvre d’une topologie DC/AC n’employant qu’un seul étage de conversion : l’onduleur de courant triphasé. Bien que relativement simple, l’onduleur de courant présente comme inconvénient majeur ses pertes par conduction. Pour pallier à ce problème, des interrupteurs grand-gap au Carbure de Silicium (SiC) sont employés, ce qui permet de convertir l’énergie à haut rendement ( > 98.5%) tout en gardant une fréquence de découpage élevée (plusieurs dizaines de kHz). Les modules à semi-conducteurs de puissance disponibles sur le marché n’étant pas compatibles avec ce type de convertisseur, des modules dédiés intégrant du SiC ont été développés dans le cadre de cette thèse. La caractérisation dynamique de ces nouveaux modules a été réalisée dans le but de servir de point d’appui à la conception d’un démonstrateur d’onduleur de courant d’une puissance nominale de 60kW. Enfin, le rendement de la partiesemi-conducteur de puissance est évalué à l’aide d’une méthode calorimétrique confirmant la capacité de cette topologie à fonctionner à des fréquences de découpage plus élevées. L’originalité de ces travaux réside principalement dans la conception, la caractérisation ainsi que la mise en oeuvre d’un nouveau module de puissance dédié à cette topologie. Cette dernière étant connue mais peu étudiée à l’heure actuelle avec des interrupteurs au SiC.
Databáze: OpenAIRE
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