Συμβολή στην ανάπτυξη μετατροπέων ισχύος με ημιαγωγούς καρβιδίου του πυριτίου και συμβατότητα με τους κώδικες δικτύου
Authors: Καμπίτσης Γεώργιος 
Published: September 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η αξιοποίηση των ημιαγωγικών διακοπτών καρβιδίου του πυριτίου (SiC) σε μετατροπείς ισχύος διασυνδεδεμένων φωτοβολταϊκών (Φ/Β) σταθμών. Παράλληλα, αναπτύσσονται εξελιγμένες στρατηγικές ελέγχου για την εξασφάλιση της συμβατότητας με τα πρότυπα διασύνδεσης στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και τους σύγχρονους κώδικες δικτύου. Πραγματοποιείται διεξοδική μελέτη της συμπεριφοράς των ημιαγωγών SiC, τόσο στη μόνιμη κατάσταση αγωγής όσο και κατά τις διακοπτικές μεταβάσεις. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στον χαρακτηρισμό των ημιαγωγών επίδρασης πεδίου ένωσης (JFETs) και των τρανζίστορ επίδρασης πεδίου μονωμένης πύλης (MOSFETs) σε λειτουργία τρίτου τεταρτημόριου και ανάστροφης αποκατάστασης. Η μελέτη επικεντρώνεται στην καταγραφή και ανάλυση της απόκρισης των διακοπτικών στοιχείων SiC σε σφάλματα βραχυκύκλωσης. Ιδιαίτερη προσοχή δίδεται στην επίδραση της παρασιτικής αυτεπαγωγής του κυκλώματος στον τρόπο εξέλιξης του φαινομένου βραχυκύκλωσης. Διεξάγονται διαδοχικά πειράματα βραχυκύκλωσης αυξανόμενης διάρκειας για την καταγραφή της ανθεκτικότητας και του μηχανισμού διάσπασης των διαφόρων τύπων ημιαγωγικών διακοπτών SiC. Τα πειραματικά αποτελέσματα αποδεικνύουν την υπεροχή των ημιαγωγών SiC, έναντι των συμβατικών διακοπτών πυριτίου, από πλευράς απόδοσης, σταθερότητας και αντοχής σε σφάλματα. Επιπλέον, προτείνεται ένα γενικευμένο κύκλωμα οδήγησης, εφαρμόσιμο σε τρανζίστορ ισχύος SiC τόσο μόνιμης κατάστασης αποκοπής (normally-off) όσο και μόνιμης κατάστασης αγωγής (normally-on), η αρχή λειτουργίας του οποίου βασίζεται στην ορθή πόλωση της επαφής πύλης-πηγής. Η αποτελεσματικότητα του κυκλώματος αξιολογείται έχοντας ως κριτήριο την ελαχιστοποίηση των απωλειών αγωγής και των διακοπτικών απωλειών. Τα θεωρητικά αποτελέσματα επικυρώνονται μέσω πειραματικών μετρήσεων, ενώ αναδεικνύονται τα πλεονεκτήματα της προτεινόμενης διάταξης έναντι των συμβατικών κυκλωμάτων οδήγησης. Επίσης, προτείνεται ένα εξελιγμένο κύκλωμα αναγνώρισης και εκκαθάρισης σφαλμάτων υπερέντασης, το οποίο παράλληλα, προστατεύει τους ημιαγωγούς SiC από απώλεια της τροφοδοσίας και από υπέρταση λόγω απότομης διακοπής του ρεύματος βραχυκύκλωσης. Τα προτεινόμενα κυκλώματα οδήγησης και προστασίας αποτελούν τα βασικά δομικά στοιχεία του τριφασικού αντιστροφέα υψηλής απόδοσης, ο οποίος σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε με ημιαγωγικούς διακόπτες SiC, για τη διασύνδεση της Φ/Β γεννήτριας στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Προηγμένες τεχνικές κλειδώματος φάσης (PLL) υλοποιούνται σε ψηφιακό μικροεπεξεργαστή, η αποτελεσματικότητα των οποίων εξετάζεται σε συνθήκες διαταραχών του δικτύου, όπως βυθίσεις τάσεως και διακυμάνσεις συχνότητας. Η εξαιρετική δυναμική απόκριση του ελεγκτή ρεύματος (PR) σε απότομες μεταβολές των μεγεθών αναφοράς (ενεργός και άεργος ισχύς) επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιώσεων στο Matlab/Simulink, καθώς και πειραματικών δοκιμών στον πρωτότυπο Φ/Β αντιστροφέα, ονομαστικής ισχύος 5 kW. Παράλληλα, μελετώνται και αναπτύσσονται τεχνικές ελέγχου για την ικανοποίηση των απαιτήσεων αδιάλειπτης λειτουργίας του Φ/Β σταθμού υπό συνθήκες σφάλματος, σύμφωνα με τους σύγχρονους κώδικες δικτύου. Η προτεινόμενη διάταξη ελέγχου εφαρμόζεται στο πρωτότυπο σύστημα. Ανταποκρίνεται αποτελεσματικά στις απαιτήσεις υποστήριξης της τάσης δικτύου σε συνθήκες τριφασικών και ασύμμετρων βυθίσεων, προκαλώντας ελάχιστη υπερύψωση του ρεύματος εξόδου, μικρή διακύμανση της τάσης του dc-ζυγού, και ικανοποιητική δυναμική απόκριση.