Large-signal, Black-box Modelling of Bidirectional Battery Chargers

Naziris, Antreas (2020). Large-signal, Black-box Modelling of Bidirectional Battery Chargers. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.66421.

Description

Title: Large-signal, Black-box Modelling of Bidirectional Battery Chargers
Author/s:
  • Naziris, Antreas
Contributor/s:
  • Uceda Antolín, Javier
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

In a world of constantly evolving and with the green sector of energy blooming, in our days is not strange more and more companies and governmental agencies investing in this area. Based on this sector is dedicated the idea of this thesis. An area which is currently evolving and is based among others on the electric vehicles sector and together with them the battery chargers. Electric vehicle is a perfect example of which the transformation from the old oil era will pass to the new electricity era. The traditional conventional car is giving up its place for the hybrid and the second to the full electric. Currently in the market all three types coexist. In the near future, full battery chargers are expected be released in the market in a larger amount that exist today. The variety of the battery charger schemes have a large spectrum already and by evolving to become more efficient, subsequently the number of schemes is increasing. Therefor a unified method must present in order to fast identify the behaviour of this amount of chargers fast, efficient and also avoid creating any problems interfacing the grid at system level. As it is well known the battery chargers in their core are AC/DC converters. The proposed solution in this document to deal with this problem is the black-box model. Black-box models can determine the dynamic behaviour of power electronic converters by analysing the output results created by the changes in the input variables. The black-box approach is already used in an adequate extent in DC/DC converters for DC microgrids and in DC/AC for AC microgrids. Although in the AC/DC section the studies are limited due to the complexity of the system and that is the main contribution of this thesis. In this research black-box modelling techniques used in DC/DC previously are extended to single-phase and three-phase AC/DC converters and more precisely to battery chargers. Firstly, the model is transformed from AC/DC to DC/DC model with a Park transformation and then by using the input/output data is identified in a small signal model. In a small signal model, the validity is limited to small perturbation around the operating point applied in the input variables of the converter. The validity of this model has been expressed with an electrical equivalent circuit and mathematically through their transfer functions and it is considered as one of the main contributions of this thesis. The linear model approach is validated by both virtual and experimental tests. In the virtual part, with the aid of PSIM simulator, an AC/DC converter is created. This converter model, it is assumed to be an accurate representation of an actual AC/DC converter and therefor having its dynamic behaviour compared with the results of the black-box models. The results obtained by the virtual and experimental tests, show the accuracy of dynamic behaviour representation of single and three-phase battery chargers in the small-signal spectrum of operation. Following the small-signal operation, large perturbations applied to the input variables of the converter and a clear loss of accuracy observed leading to a large-signal black-box approach in case of large perturbations. This approach name is polytopic and it is already used in DC/DC and DC/AC converters. In this thesis it will be used for first time in a two-stage single and three phase bidirectional AC/DC converter like battery charger. Polytopic model approach consists of a group of different linear models in different operating points combined with nonlinear weighting functions which are depended on the instantaneous input variables to create a single nonlinear structure. Accuracy in the selection of the local model together with the weighting functions are essential for the accuracy of the system. Keeping this in mind and looking back in the bibliography it can be assumed that Double Sigmoid is the most suitable weighting function for the AC/DC battery charger application. This large-signal nonlinear models represent another main contribution of the thesis. In the same manner as in small-signal, large-signal nonlinear approach experimentally. On the experimental part, tests proceeded to both power flow direction tests in V2G and G2V operating modes. The results coming out from the large-signal tests show with no surprise better accuracy than in small-signal models in case of large perturbations as input variables. This conclusion validates in case of large perturbation operation, the correct use of the large-signal black-box models for the dynamic behaviour representation in single and three-phase of two-stage bidirectional battery chargers. ----------RESUMEN---------- En un mundo en constante evolución y con el sector verde de la energía floreciendo, en nuestros días no es extraño que cada vez haya más empresas y administraciones invirtiendo en esta área. A este sector se dedica la idea de esta tesis. Un ámbito que está evolucionando en la actualidad y que se basa, entre otros en la proliferación de los vehículos eléctricos y junto a ellos los imprescindibles cargadores de baterías. El vehículo eléctrico es un ejemplo perfecto de que la transformación de la antigua era del petróleo pasará a la nueva era de la electricidad. El coche convencional tradicional está cediendo su lugar al híbrido y el éste, en un siguiente paso, al totalmente eléctrico. Actualmente en el mercado conviven los tres tipos. En un futuro próximo, se espera que la demanda de cargadores de batería crezca continuamente y se lancen al mercado en una cantidad mucho mayor que la existente en la actualidad. La variedad de esquemas de cargadores de batería es, hoy en día, bastante grande y, su evolución hacia sistemas más eficientes supondrá la aparición de un número, aún mayor, de soluciones diferentes. Por lo tanto, debe existir un método unificado para identificar el comportamiento de todos estos cargadores de baterías, en particular en su interacción con la red, para estimar sus efectos y evitar problemas desde la perspectiva del sistema eléctrico. Como es bien sabido, los cargadores de batería son esencialmente convertidores AC/DC. La solución propuesta en esta tesis para abordar este problema es el modelo de caja negra. Los modelos de caja negra pueden determinar el comportamiento dinámico de los convertidores electrónicos de potencia analizando los resultados de salida creados por las perturbaciones en las variables de entrada. El enfoque de caja negra ya se utiliza de manera adecuada en convertidores CC/CC para microrredes de CC y en CC/CA para microrredes de CA. Los estudios previos de convertidores CA/CC en caja negra son limitados debido a la complejidad del sistema, por lo que su estudio en profundidad es el principal aporte de esta tesis. En esta investigación, las técnicas de modelado de caja negra utilizadas anteriormente en CC/CC se extienden a convertidores CA/CC monofásicos y trifásicos y, más precisamente, a cargadores de baterías. En primer lugar, el modelo se transforma de CA/CC a CC/CC mediante la transformada de Park y luego, utilizando los datos de entrada/salida, se identifica un modelo de pequeña señal. En los modelos de pequeña señal su validez está limitada a pequeñas perturbaciones en las entradas del convertidor alrededor del punto de operación. La validez de este modelo se ha expresado con un circuito eléctrico equivalente y matemáticamente mediante las funciones de transferencia, siendo ésta una de las principales aportaciones de esta tesis. El enfoque del modelo lineal está validado por pruebas virtuales y experimentales. En la parte virtual, con la ayuda del simulador PSIM, se crea un convertidor CA/CC. Se supone que este modelo de convertidor es una representación precisa de un convertidor CA/CC real y, por lo tanto, su comportamiento dinámico se compara con los resultados de los modelos de caja negra. Los resultados obtenidos por las pruebas virtuales y experimentales muestran la precisión de la representación del comportamiento dinámico de cargadores de baterías monofásicos y trifásicos en las condiciones de operación de pequeña señal. Después de la operación de pequeña señal, se aplicaron grandes perturbaciones a las variables de entrada del convertidor y se observó una clara pérdida de precisión que condujo a un enfoque de caja negra de gran señal en caso de grandes perturbaciones. La técnica empleada se basa en los modelos politópicos, que ya se emplea en convertidores CC/DC y CC/CA. En esta tesis se utilizará por primera vez en un convertidor CA/CC bidireccional monofásico y trifásico de dos etapas como cargador de batería. Los modelos politópicos están compuestos de un grupo de diferentes modelos lineales en diferentes puntos de operación, combinados con funciones de ponderación no lineales que dependen de los valores instantáneos de las variables de entrada para crear una única estructura no lineal. La precisión en la selección del modelo local junto con las funciones de ponderación es esencial para la precisión del sistema. Teniendo esto en cuenta y mirando hacia atrás en la bibliografía, se puede concluir que Double Sigmoid es la función de ponderación más adecuada para modelos de cargador de baterías CA/CC. Estos modelos no lineales de gran señal representan otra de las contribuciones de esta tesis. De la misma manera que en los modelos en caja negra de pequeña señal, los modelos en caja negra de gran señal, se han probado experimentalmente. En la parte experimental, las pruebas se realizaron para convertidores bidireccionales en ambos modos de funcionamiento: V2G y G2V. Los resultados de las pruebas en gran señal muestran, sin sorpresa, una mayor precisión que en los modelos de pequeña señal en caso de grandes perturbaciones en las variables de entrada. Esta conclusión valida, en caso de grandes perturbaciones de las variables de entrada, los modelos politópicos en caja negra, en gran señal, para la representación del comportamiento dinámico de cargadores de batería monofásicos y trifásicos de dos etapas, unidireccionales y bidireccionales.

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Item ID: 66421
DC Identifier: http://oa.upm.es/66421/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:66421
DOI: 10.20868/UPM.thesis.66421
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 16 Mar 2021 06:53
Last Modified: 16 Mar 2021 06:53
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