W rozprawie doktorskiej przedstawiono analizę działania topologii nieizolowanego wielopoziomowego przekształtnika DC/DC typu YY. Topologia umożliwia zarówno podwyższanie, jak i obniżanie napięcia stałego o dodatniej polaryzacji. Przekształtnik może pracować dwukwadrantowo przy zmianie kierunku prądu.

Zbadana topologia należy do rodziny wielopoziomowych przekształtników modułowych MMC (ang. Modular Multilevel Converter). Składają się one z szeregowo połączonych modułów (komórek), z których każdy zawiera obwód o topologii półmostka. Główną cechą wyróżniającą jest brak separowanych źródeł, które zasilają obwody pośredniczące poszczególnych modułów. Stabilizację napięć kondensatorów pośredniczących na zadanym poziomie uzyskuje się poprzez odpowiednią kontrolę prądów oraz napięć w przekształtniku. Największą zaletą przekształtników MMC jest skalowalność do różnych poziomów napięcia roboczego. Uzyskuje się to poprzez zmianę liczby szeregowo połączonych modułów. Zaleta ta okupiona jest złożonym układem sterowania, który powinien balansować napięcia kondensatorów pośredniczących we wszystkich komórkach przekształtnika.

Przystępując do badań przyjęto następujące cele badawcze:
1) Określenie warunków balansowania napięć kondensatorów pośredniczących w przekształtniku YY dla zadanego rozrzutu parametrów modułów. Analizę przeprowadzono na przykładzie pojedynczej gałęzi przekształtnika.
2) Opracowanie modelu analitycznego przekształtnika YY. Na jego podstawie określono możliwości regulacyjne topologii oraz wyznaczono warunki pracy, które zapewniają minimalną wartość skuteczną prądów gałęziowych lub minimalną wartość międzyszczytową tętnień kondensatorów pośredniczących w modułach. Dodatkowo wyprowadzono zależności określające wymaganą wartość pojemności kondensatorów pośredniczących oraz wartość indukcyjności dławików gałęziowych dla osiągnięcia zadanych wartości tętnień napięć i prądów.
3) Opracowanie dedykowanego układu sterowania przekształtnika YY pracującego w zamkniętym układzie regulacji, który oprócz kontroli prądów wejściowego i wyjściowego przekształtnika, zapewni stabilizację napięć kondensatorów pośredniczących na zadanym poziomie. Zaproponowany układ regulacji jest stabilny niezależnie od założonych zmian obciążenia lub napięcia wejściowego oraz rozrzutu parametrów pomiędzy modułami w topologii.
4) Opracowanie procedury rozruchowej przekształtnika przy założeniu, że w stanie początkowym wszystkie kondensatory pośredniczące w modułach są całkowicie rozładowane.
5) Weryfikację symulacyjną działania przekształtnika YY. Przeprowadzono ją za pomocą dwóch metod. Wstępne badania zostały wykonane w środowisku symulacyjnym PLECS®. Ostateczną weryfikację działania układu sterowania przekształtnika YY przeprowadzono za pomocą symulacji typu HIL. Opracowany układ sterowania zaimplementowano w sterowniku przemysłowym AC 800PEC® współpracującym z zespołem sterowników modułowych opartych na procesorach sygnałowych. Model symulacyjny obwodów mocy badanego przekształtnika został uruchomiony za pomocą symulatora czasu rzeczywistego RTS, który został udostępniony przez Korporacyjne Centrum Badawcze ABB w Krakowie. Przeprowadzone badania symulacyjne w pełni potwierdziły otrzymane wyniki analityczne.
Przekształtnik YY jest ciekawym rozwiązaniem umożliwiającym bezpośrednie przetwarzanie średniego lub wysokiego napięcia stałego. Ze względu na swoje właściwości topologia może być brana pod uwagę w budowie przyszłych wieloterminalowych sieci prądu stałego HVDC lub MVDC. Przeprowadzona analiza wykazała, że przekształtnik YY wymaga względnie dużych wartości pojemności kondensatorów pośredniczących w modułach, szczególnie w przypadku dużej różnicy pomiędzy napięciem wejściowym i wyjściowym przekształtnika.

Pełna wersja autoreferatu: KK_autoreferat.pdf

Pełna wersja pracy doktorskiej: KK_rozprawa.pdf

1. Kóska K., Ruszczyk A., Wawro M. “Control of 3-leg 4-wire inverter with passive LC output filter operating with nonlinear unbalanced load”, Przegląd Elektrotechniczny -Electrical Review, R. 92 NR 6/2016
   
   
2. Błaszczyk P., Kóska K., Klimczak P., “Energy balancing in modular multilevel converter systems” Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, Vol. 65, No. 5, 2017
   
   
3. Ruszczyk A., Kóska K., Janisz K., “Hybrid switch for capacitors bank used in reactive power compensation”, Przegląd Elektrotechniczny - Electrical Review, R. 91 NR 12/2015.
   
   
4. Chmielewski T., Oramus P., K. Kóska “Switching Transients in a 2x15kV 16.7Hz AT Railway System“ IET Generation, Transmission & Distribution, pp. 7, 2017.
   
   
5. Falkowski P., Korzeniewski M. T., Ruszczyk A., Kóska K. “Analysis and design of high efficiency DC/DC buck converter” Przegląd Elektrotechniczny, Electrical Review, R. 92 NR 5/2016.
   
   

1. Kóska K., Błaszczyk P., Klimczak P., Hałat P., Jeż R. “Branch Energy Balancing of Double Wye DC-DC Modular Multilevel Converter”, European Conference on Power Electronics and Applications EPE’17, Warszawa, 2017.
   
   
2. Klimczak P., Błaszczyk P., Jeż R., Kóska K. “Double Wye Modular Multilevel Converter - direct DC-DC topology”, 8th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2016), Glasgow, 2016, pp. 1-6.
   
   
3. Stala R., Kóska K., Stawiarski Ł. “Realization of modified ripple-based mppt in a single-phase single-stage grid-connected photovoltaic system” 2011 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Gdansk, 2011, pp. 1106-1111.
   
   
4. Stosur M., Sowa K., Kuczek T., Chmielewski T., Ruszczyk A., Kóska K., Janisz K. “Overvoltage protection of solid state switch for low voltage applications – simulation and experimental results“, European EMTP-ATP Conference, At Kiel, Germany, 2017.
   
   
5. Ruszczyk A., Kóska K., Janisz K., “Solid-state switch for capacitors bank used in reactive power compensation“ 2015 International School on Nonsinusoidal Currents and Compensation (ISNCC), Lagow, 2015, pp. 1-5.
   
   

• prof. dr hab. inż. Ryszard Strzelecki Recenzja nr 1
• dr hab. inż. Mariusz Malinowski, prof. PW Recenzja nr 2