Modeling and simulation of solid-state transformer for AC and DC distribution grids

Making the environment free from pollution and reduction in fossil fuel resources, electric production from renewable energy resources (RES) has proliferated in recent years. As a result, the penetration of distributed energy and grids makes the grid chain much more complex than ever before. Due to the installation of distributed energy resources (DER), the grid becomes vulnerable to voltage stability issues due to reactive power and bidirectional power flow limitations, and conventional FACTS devices cannot fully tackle these instabilities. Solid-State Transformer (SST) technology was proposed to increase the reactive power control ability and provide bidirectional power flow. This research focuses on three-stage SST modeling and its simulations, power flow, voltage regulation, and fault analysis. Optimal filtering is determined, and closed-loop control of SST is implemented. Interleaved horizontal phase-shifted carrier PWM along with an internal current control loop is implemented on the front-end converter. The single-Phase Shift (SPS) technique of control is implemented on the dual active bridge (DAB), and power control is implemented in the LVAC inverter. The thesis identifies some problems faced by the contemporary distributed grids (DG's) and proposes the solution in SST and then simulated concerning the different substation scenarios to show the systematic improvements and advantages it offers compared with the conventional transformer. The final topology choice chosen is modular and can be extended to any desired voltage and power level.

Liberando l'ambiente dall'inquinamento e riducendo le risorse di combustibili fossili, la produzione elettrica da fonti di energia rinnovabile (FER) è proliferata negli ultimi anni. Di conseguenza, la penetrazione dell'energia distribuita e delle reti rende la catena della rete molto più complessa che mai. A causa dell'installazione di risorse energetiche distribuite (DER), la rete diventa vulnerabile ai problemi di stabilità della tensione a causa della potenza reattiva e dei limiti del flusso di potenza bidirezionale e i dispositivi FACTS convenzionali non sono in grado di affrontare completamente queste instabilità. La tecnologia Solid-State Transformer (SST) è stata proposta per aumentare la capacità di controllo della potenza reattiva e fornire un flusso di potenza bidirezionale. Questa ricerca si concentra sulla modellazione SST a tre stadi e sulle sue simulazioni, flusso di potenza, regolazione della tensione e analisi dei guasti. Viene determinato il filtraggio ottimale e viene implementato il controllo a circuito chiuso dell'SST. Il PWM portante a sfasamento orizzontale interlacciato insieme a un anello di controllo della corrente interno è implementato sul convertitore front-end. La tecnica di controllo single-Phase Shift (SPS) è implementata sul dual active bridge (DAB) e il controllo della potenza è implementato nell'inverter LVAC. La tesi individua alcune problematiche affrontate dalle reti distribuite contemporanee (DG's) e propone la soluzione in SST e poi simulata riguardante i diversi scenari di sottostazione per mostrare i sistematici miglioramenti e vantaggi che offre rispetto al trasformatore convenzionale. La scelta della topologia finale scelta è modulare e può essere estesa a qualsiasi tensione e livello di potenza desiderati.