Development of an active power filter based on wide-bandgap semiconductors

Abstract

Electrical and electronic equipment needs sinusoidal currents and voltages to function properly. Equipment such as computers, household appliances, electric vehicle chargers, and LED lights can distort the grid and worsen grid quality. Distorted electrical grids can cause malfunctions, reduce service life, and decrease the performance of connected equipment. Industry commonly solves these problems using active power filters, which can minimise the harmonics of the grid, eliminate undesirable reactive power, and restore balance to unbalanced power grids.

This thesis deals with the design and implementation of an active power filter based on wide-bandgap semiconductors, which have properties that are superior to classical silicon devices. An active power filter’s design must take advantage of these benefits to build converters that are smaller, more efficient, and consume fewer resources. However, wide-bandgap semiconductors also present design challenges. Because the most commonly used active power filters in the industry are based on two-level voltage source converters, the research for this doctoral thesis focuses on this converter topology. Moreover, its main objective is to contribute new modulation techniques that are specially designed to work with wide-bandgap semiconductors. The proposed modulations consider different aspects, such as the computational cost of the algorithms, converter losses, and the electromagnetic distortion generated.

First, this thesis presents a hexagonal sigma-delta (H-S¿) modulation based on sigma-delta (S¿) modulation. The properties of this modulation are studied, and the technique is compared with other widely used modulations. The comparison considers efficiency, harmonic distortion, the electromagnetic compatibility of the converter, and the type of wideband semiconductor used. In addition, a fast algorithm is mathematically developed to simplify the presented modulation and reduce its computational cost.

Secondly, this thesis presents a family of sigma-delta modulations specially designed to improve electromagnetic compatibility: the reduced common-mode voltage sigma-delta (RCMV-S¿) modulations. These modulations avoid using the vectors that generate the maximum common-mode voltage, which significantly reduces the generated electromagnetic distortion without affecting the performance of the converter and its harmonic distortion.

Finally, the proposed modulations are applied in a wide-bandgap power converter working as an active filter. Thus, it is verified that the techniques presented in this thesis will obtain satisfactory results when implemented in commercial active power filters.

Els equips elèctrics i electrònics necessiten corrents i tensions sinusoïdals per funcionar correctament. Existeixen equips com els ordinadors, els electrodomèstics, els carregadors de vehicle elèctric o les llums LED, que poden distorsionar la xarxa i empitjorar la qualitat d'aquesta. Les xarxes elèctriques distorsionades poden causar el mal funcionament dels equips que s'hi connecten, reduir la seva vida útil i també empitjorar la seva eficiència. A la industria és habitual utilitzar filtres actius per a solucionar aquests problemes. Els filtres actius permeten minimitzar els harmònics presents a la Δxarxa, eliminar la potència reactiva no desitjada i equilibrar xarxes elèctriques desequilibrades. Aquesta tesi tracta sobre el disseny i la implementació d'un filtre actiu basat en semiconductors de banda ampla. Aquests semiconductors presenten propietats superiors als clàssics dispositius de silici. El disseny d'un filtre actiu ha d'aprofitar aquests avantatges per a construir convertidors més petits, eficients i que consumeixin menys recursos. Tanmateix, els semiconductors de banda ampla també presenten problemes que el disseny ha de solucionar. Els filtres actius més utilitzats en la indústria són els basats en convertidors de font de tensió (voltatge source converters) amb dos nivells. La recerca d'aquesta tesi doctoral està focalitzada en aquesta topologia de convertidor, i el seu principal objectiu és l’aportació de noves tècniques de modulació especialment dissenyades per treballar amb semiconductors de banda ampla. Les modulacions proposades tenen en compte diferents aspectes: el cost computacional dels algoritmes, les pèrdues del convertidor i la distorsió electromagnètica generada. En primer lloc, es presenta una modulació sigma-delta hexagonal (H-__) que es basa en la modulació sigma-delta (ΣΔ). S'estudien les propietats d'aquesta modulació i la tècnica es compara amb altres modulacions àmpliament usades. La comparativa realitzada considera l’eficiència, la distorsió harmònica, la compatibilitat electromagnètica del convertidor i el tipus de semiconductor de banda ampla emprat. Addicionalment, es desenvolupa matemàticament un algoritme ràpid per simplificar la modulació presentada i reduir el seu cost computacional. En segon lloc, es presenta una família de modulacions sigma-delta especialment dissenyades per millorar la compatibilitat electromagnètica: les modulacions sigmadelta amb tensió en mode comú reduïda (RCMV-ΣΔ ). Aquestes modulacions eviten fer servir els vectors que generen la màxima tensió en mode comú. D'aquesta manera es redueix significativament la distorsió electromagnètica generada sense afectar de forma notable al rendiment del convertidor ni a la seva distorsió harmònica. Finalment, les modulacions proposades s'apliquen en un convertidor de potència, basat en semiconductors de banda ampla, que treballa com a filtre actiu. Això es verifica que les tècniques presentades en aquesta tesi poden ser implementades en filtres actius comercials obtenint resultats satisfactoris.