Investigation on the effects of dc-link capacitors to DC/AC converter under various operation conditions

Abstract

In the designing stage of a DC/AC converter, determining parameters of components has an essential role such as value, size and material type. DC-Link capacitors are the critical components for DC/AC converters and define the lifetime of the converter. A grid-connected converter must provide related standards and grid regulations done by operating country even though poor operating conditions. Effective power generation through a grid-tied DC/AC converter faces many challenges that cause less lifetime and improper working of the device due to several factors including but not limited to unstable grid voltage, change of DC input voltage and different power factors. Grid voltage unbalance causes higher THD values on grid currents than normal grid conditions. THD value of grid current is limited by the IEEE 519-2014 standard. Unstable grid conditions show different results because of the value and type of DC-Link capacitors. In this thesis, after the introduction of topologies, basics of control methods, PWM methods of a DC/AC converter then two types of capacitors (electrolytic and film capacitors) are compared with different grid voltage conditions and power factor values for grid-tied 10 kVA DC/AC converter. On the other hand, the lifetime calculation theory of an electrolytic capacitor is interpreted and calculations are done for electrolytic capacitors in different operating conditions. Lastly, an unbalance voltage controller added to the system to observe effects on output current quality for an electrolytic DC-Link capacitor. All the work is done by simulation software PLECS, results are compared and explained.

DC/AC çeviricilerin tasarım aşamasında, miktar, boyut ve materyal tipi gibi komponent parametrelerinin belirlenmesi önemli rol almaktadır. DC-Link kondansatörleri DC/AC çeviricilerinin ömrünü belirlediğinden dolayı kritik devre elemanlarıdır. Şebekeye bağlı bir çevirici ilgili ülkenin şebeke standartlarına ve düzenlemelerinden kötü çalışma koşullarında dahi uymak zorundadır. Şebekeye bağlı bir DC / AC dönüştürücüyle etkili enerji üretimi, kararsız şebeke voltajı, DC giriş voltajının değişmesi ve farklı güç faktörleri dahil ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere çeşitli faktörler nedeniyle daha az kullanım ömrüne ve cihazın yanlış çalışmasına neden olan birçok zorlukla karşı karşıyadır. Dengesiz şebeke koşulları, dengeli şebekeye oranla şebeke akımlarında daha fazla toplam harmonik bozunumuna (THB) neden olmaktadır. Şebeke akımının THB değeri IEEE 519-2014 standardı ile sınırlandırılmıştır. DC-Link kondansatörlerinin tipi ve değeri farklı şebeke koşullarında sonuçların değişmesine neden olabilir. Bu tezde, DC/AC çeviricilerin devre yapıları, kontrol ve modülasyon tekniklerine giriş yapıldıktan sonra, şebekeye bağlı 10 kVA DC/AC çeviricide, farklı şebeke gerilimi, ve güç faktörü koşullarında elektrolitik ve film kondansatör tipleri karşılaştırılmıştır. Ayrıca elektrolitik kondansatörler için ömür hesabının matematiği anlatılmış ve hesaplamalar yapılmıştır. Son olarak, dengesiz gerilim kontrolcüsü tasarlanmış ve sisteme eklenerek çıkış akımı THB üzerine etkisi incelenmiştir. Tüm çalışmalar PLECS benzetim yazılımında yapılmıştır, sonuçlar karşılaştırılmış ve açıklanmıştır.