Distributed real-time simulation of modular bidirectional dc-dc converters : for control-hardware-in-the-loop

Joebges, Philipp; Monti, Antonello; de Doncker, Rik W.

doi:10.18154/RWTH-2021-10060

Distributed real-time simulation of modular bidirectional dc-dc converters : for control-hardware-in-the-loop = Verteilte Echtzeitsimulation modularer bidirektionaler DC-DC-Wandler für Control-Hardware-in-the-Loop

Joebges, Philipp^RWTH*

2021

VerantwortlichkeitsangabePhilipp Joebges

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-948234-08-9

ReiheE.ON Energy Research Center ; PGS, Power Generation and Storage Systems ; 94

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Druckausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)^RWTH* ; Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-08-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-10060
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/834674/files/834674.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CHiL (frei) ; DAB (frei) ; control-hardware-in-the-loop (frei) ; dc (frei) ; dc-dc converter (frei) ; distributed real-time simulation (frei) ; dual-active bridge (frei) ; input-series output-parallel (frei) ; modeling (frei) ; modular converter (frei) ; numerical integration (frei) ; real-time simulation (frei) ; three-level neutral-point-clamped (frei) ; three-phase (frei) ; three-phase DAB (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Das Elektrizitätssystem ist einem ständigen Wandel unterworfen, der sich in den letzten Jahren im Rahmen der Transformation hin zu einem nachhaltigen, dezentralen Versorgungssystem, das mit einer zunehmenden Digitalisierung einhergeht, beschleunigt hat. Diese Entwicklung wird in den kommenden Jahrzehnten weiter an Relevanz gewinnen, da die Ziele der Energiewende auf Netto-Null-Emissionen ausgerichtet sind. Moderne Leistungselektronik stellt eine Schlüsseltechnologie für die nachhaltige Integration von erneuerbaren Energien, Erzeugern, Prosumern und Speichersystemen sowie für die effiziente Verteilung von elektrischer Energie dar. Flexible zellulare Gleichstromnetze ermöglichen ein intelligentes Energie-Routing mit erhöhter Effizienz bei gleichzeitiger starker Reduzierung der benötigten Ressourcen. Damit nutzt die Gleichstromtechnologie die vorhandene Infrastruktur optimal aus. Hocheffiziente, zuverlässige und fehlertolerante modulare, skalierbare, galvanisch getrennte Gleichspannungswandler bilden die Kernbausteine. Diese Wandler müssen unter allen Betriebsbedingungen im Gesamtsystem zuverlässig arbeiten. Gleichzeitig werden sie entsprechend dem Stand der Technik ständig optimiert. Die Anforderungen, die an diese Gleichspannungswandler gestellt werden, können mit Hilfe von Control-Hardware-in-the-Loop (CHiL) als Methodik sichergestellt werden, die einerseits die Regelungsfunktionalität von Systemen verifiziert und andererseits die gleichzeitige Entwicklung von Hard- und Software ermöglicht. CHiL erfordert jedoch genaue Echtzeit-Anlagenmodelle und leistungsfähige Simulationshardware, die den hohen Anforderungen an die Verarbeitungsgeschwindigkeit gerecht wird. Die Genauigkeit und Stabilität der Echtzeitsimulation ist direkt abhängig von der Diskretisierungsschrittweite, die sich aus der Kombination von Modellkomplexität und Ausführungszeiten des Simulators ergibt. Für komplexe Systeme ist eine Unterteilung in gekoppelte Teilsysteme, die parallel in Echtzeit simuliert werden können, von Vorteil. In dieser Arbeit wird eine verteilte echtzeitfähige Modellierungsmethodik am Beispiel von modularen, Gleichspannungswandlern untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Optimierung der Modellausführung erhebliche Leistungssteigerungen erzielt werden können. Darüber hinaus werden schnelle analytische Modelle zur Abbildung des nichtlinearen Komponentenverhaltens entwickelt; diese Modelle bieten die Möglichkeit, das dynamische Verhalten der Regelalgorithmen in einer CHiL-Umgebung zu bewerten. Ein besonderer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die entkoppelte parallele Modellierung und ihr Einfluss auf die numerische Stabilität und Genauigkeit. Die numerische Stabilität wird durch die Entkopplung von komplexen Simulationsmodellen erheblich beeinflusst. Neben der Diskretisierungsschrittweite hat auch die Auswahl der relevanten Zustandsgrößen (der Energiespeicherkomponenten) einen direkten Einfluss auf die Stabilitätsgrenzen. Obwohl die Methodik für eine beispielhafte Anwendung entwickelt wurde, zeigt diese Arbeit, dass sie verallgemeinert und auf gängige umrichterbasierte elektrische Systeme angewendet werden kann. In dieser Dissertation wird die entwickelte Regelung eines modularen seriell-parallel verschalteten Gleichspannungswandlers in einem verteilten CHiL-Aufbau evaluiert. Zu diesem Zweck wird außerdem eine Skalierungsmethodik entwickelt und demonstriert, mit der Modelle mit kleinen Zeitkonstanten unter Beibehaltung einer hohen Genauigkeit dargestellt werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Regelungsansatz geeignet ist und sowohl in Offline-Simulationen als auch in einem Echtzeit-CHiL-Verfahren funktioniert, welches die vorgeschlagene Skalierungsmethodik verwendet. Abschließend werden die in der Echtzeitmodellierung berücksichtigten Effekte anhand der Messergebnisse eines hochleistungsfähigen 5 MW, 5 kV DC/DC Wandlers diskutiert. Darüber hinaus wird der entwickelte modulare Regelungsansatz in einem Multikonverter-Hardware-Setup eines 5 kV auf ± 380 V Wandlers, bestehend aus acht DC/DC-Modulen, implementiert und verifiziert. Die Verwendung von verteilten Echtzeitsystemen zeigt, dass die Partitionierung komplexer Systeme in gekoppelte, parallel ausgeführte Teilsysteme ein vielversprechender Ansatz für CHiL ist. Die Wahl der Diskretisierungsschrittweite in Abhängigkeit von den jeweiligen Systemzeitkonstanten hat großen Einfluss auf die numerische Stabilität verteilter Simulationen. So zeigt diese Arbeit, dass die Skalierung kritischer Zeitkonstanten zusammen mit der entsprechenden künstlichen Anpassung der Regelparameter die Ergebnisse einer Echtzeitsimulation deutlich verbessern kann, während die dynamische Leistungsfähigkeit des entsprechenden ursprünglichen Regelungsentwurfs erhalten bleibt. Darüber hinaus verbessert die Implementierung von analytischen Systemmodellen die Berechnungsleistung und die Wiedergabe des nichtlinearen Komponentenverhaltens.

The electricity supply system is undergoing constant change, which has accelerated in recent years as part of the transformation towards a sustainable, decentralized supply system that is accompanied by increased level of digitalization. This development will gain further relevance in the coming decades as the targets for energy transformation are aiming at zero net emissions.Modern power electronics provides a key enabling technology for the sustainable integration of renewables, generators, prosumers, and storage systems as well as for the efficient distribution of electrical energy. Flexible cellular direct current (dc) grids allow for intelligent energy routing with increased efficiency, along with a strong reduction of the required resources. Hence, dc technology utilizes the installed infrastructure in an optimal way. Highly efficient, reliable, and fault-tolerant modular scalable, galvanically isolated dc-dc converters form the core building blocks. Such converters must operate reliably under all operating conditions within the entire system. At the same time, they are continually optimized according to advancements in technology. The requirements that are imposed on these dc-dc converters can be ensured using control-hardware-in-the-loop (CHiL) as a methodology that, on the one hand, verifies the control functionality of systems and on the other hand concurrently allows for the development of hard- and software. However, CHiL requires accurate real-time plant models and high-performance simulation hardware that meets the high demands on processing speed. The accuracy and stability of the real-time simulation is directly dependent on the discretization step size that arises from the combination of model complexity and the execution times of the simulator. For complex systems, a subdivision into coupled subsystems, which can be simulated in parallel in real-time, is advantageous. In this thesis, a distributed real-time-capable modeling methodology is developed through the example of modular, high-power, dc-dc converters. The results show that significant performance gains can be achieved by optimizing the execution of the model. Furthermore, fast analytical models are developed to represent non-linear component behavior; these models offer the opportunity to evaluate the dynamic behavior of the control algorithms in a CHiL environment. In particular, this thesis focuses on decoupled parallel modeling and its influence on numerical stability and accuracy. Numerical stability is significantly affected by the decoupling of complex simulation models. Apart from the discretization step size, the selection of relevant state variables (of the energy storage components) directly influences the stability boundaries. Although the methodology is developed for an exemplary application, this thesis finds that it can be generalized and applied to common converter-based electrical systems. In this study, the developed control of a modular series-parallel-connected dc-dc converter is evaluated in a distributed CHiL setup. For this purpose, a scaling methodology is also developed and demonstrated to represent models with small time constants while maintaining high accuracy. Based on the findings, the proposed control approach is suitable and works both in offline simulations and in a real-time CHiL that uses the proposed scaling methodology. Finally, the effects considered in the real-time modeling are discussed on the basis of the measurement results of a high-power 5 MW, 5 kV dc-dc converter. In addition, the developed modular control system is implemented and verified in a multi-converter hardware setup of a 5 kV to ± 380 V converter consisting of eight dc-dc modules. The use of distributed real-time setups reveals that the partitioning of complex systems into coupled parallel-executed subsystems is a promising approach for CHiL. The selection of discretization step sizes in accordance with the relevant system time constants greatly influences the numerical stability of distributed simulations. As such, this thesis shows that the scaling of critical time constants, together with the corresponding artificial adaptation of the control parameters, can significantly improve the results for a real-time simulation while maintaining the dynamic performance of the corresponding initial control design. Moreover, the implementation of analytical system models improves the calculation performance and the reproduction of non-linear component behavior.

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