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; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor); Monti, Antonello (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center ; PGS, Power Generation and Storage Systems 94
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

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.

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