Batarya şarj sistemleri için yüksek güçlü bir kısmi güçlü DA-DA dönüştürücünün tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of a high-power partial power DC-DC converter for battery charger systems
Yazar: HÜSEYİN KÖSE
Danışman: PROF. DR. MEHMET TİMUR AYDEMİR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Endüstriyel pek çok uygulama, içerisinde Batarya Enerji Saklama Sistemi (BESS) barındırır. Bu sistemler orta ve yüksek güç uygulamalarında genellikle üç fazlı bir transformatörden alınan gerilimi doğrultup, elde edilen DA baradan batarya şarj devresini beslerler. Bu sistemlerde üç temel sorun öne çıkmaktadır: Doğrultucu çıkışındaki gerilim regülasyonu, bara kondansatörü boşken sistemin şebekeden çektiği anlık akımların büyüklüğü ve bara gerilimini kullanım sırasında değeri değişen batarya gerilimlerine dönüştürmek için gerekli DA-DA dönüştürücünün kayıpları. Bu tez kapsamında bu üç soruna özgün çözümler üretilmeye çalışılmıştır.Önerilen yapıda, gerekli DA bara gerilimi üç fazlı üçgen bağlı transformatörden beslenen bir DGM doğrultucu tarafından üretilmektedir. DGM doğrultucunun denetimi için geliştirilen AS-TB-SDGM yöntemi ile DGM sinyallerinin çok hızlı hesaplanması ve AFOS yöntemi ile giriş frekansı dalgalanmalarında kararlı bir kontrol sağlanmaktadır. Buna ek olarak, geliştirilen yeni tristör tabanlı yumuşak başlama devresi ve algoritması, ilk defa devreye alma ve enerji gidip gelmelerinde güvenli başlamayı garanti etmektedir. Batarya doğal karakteristiklerinin bir sonucu olarak, şarj-deşarj periyotlarında batarya gerilimleri geniş bir aralıkta salınır. Bu gerilim farkının kritik DA yüklere zarar vermemesi için endüstride geleneksel bazı yöntemler uygulanır. Bu çalışmada ayrıca BESS batarya regülatörü olarak kullanılabilecek, kısmi güç dönüşüm teorisine dayanan, yeni bir kısmi güç dönüştürücü tasarımı önerilmiştir. Çalışma kapsamında, çözüm önerilerinin geçerliliğini kanıtlamak için tam bir BESS çözümü olacak şekilde; giriş güç kalitesi yüksek, yüksek verimli, giriş yalıtımlı, 3 fazlı 220 V/125 A çıkışlı, bir DGM AA/DA doğrultucu ve yine yüksek verimli, 220 V/100 A çıkışlı, DA-DA kısmi güç dönüştürücü tasarlanmış, geliştirilmiş ve test edilmiştir. Sonuçta; %94'ten büyük verimi olan 0,99 güç katsayısını sağlayan, giriş akımı THD değeri %5'ten küçük olan AA/DA doğrultucusu ve yine %97-99 verimi olan DA-DA batarya ile yük arası regülatörü elde edilmiştir. Bu tez kapsamında ilk kez bu güç değerlerinde bir kısmi güç dönüştürücü özellikli DA-DA dönüştürücü devre gerçekleştirilmiş ve kavramın bu güçlerde de geçerli olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
Many industrial applications include Battery Energy Storage Systems (BESS). At the medium to high power levels these systems typically rectify the three phase AC into DC, and apply this DC voltage to battery charging circuits. Three main problems are generally encountered in these systems: the voltage regulation issue at the rectifier output, large instantaneous currents drawn from the line when the bus capacitors are not charged, and the efficiency drop due to the DC-DC converter used to convert the bus voltage to the battery voltage levels which vary during the operation. Original solutions to these problems have been attempted in this thesis. In the proposed structure the DC bus voltage is generated by a PWM rectifier fed from a delta-connected transformer. The proposed CS-LUT-SPWM control method results in very fast PWM calculation, and SWFOS control achieves stable operation in the case of varying input frequencies. Additionally, a new thyristor-based start-up circuit and algorithms are proposed to provide safe operation during the start-up and when the system restarts following an energy interruption. Due to the nature of batteries, their terminal voltages may vary in a wide range during charge-discharge periods. To prevent these variations from harming the system loads, several techniques are used in industry. In this thesis, a partial power DC/DC converter is proposed to use a battery regulator for BESS. An AC/DC PWM rectifier having high input power quality, high efficiency, input isolation, three phase input and 220 V/125 A output; and a DC/DC partial power converter having 220 V/100 A input-output have been designed, built and tested to prove the validity of the proposed solutions. An AC/DC rectifier having efficiency higher than 94%, PF around 0,99, input current THD less than 5%, and a DC/DC regulator between battery and loads which has an efficiency of 97-99% have been implemented. The partial power DC-DC converter implemented is the first one at this power level and it has been shown that the concept is also valid at high power levels.