Sliding Mode Control for Active Stabilization of Shipboard DC Microgrids

Abstract

I de senere år har fokuset på fornybar energi i maritim sektor fått stor interesse, da det har vist seg å være et levedyktig alternativ når det kommer til drivstoffreduksjon, reduserte vedlikeholdskostnader og reduserte klimagassutslipp. Kraftsystemer med fornybare energikilder er ofte sammensatt av flere kraftelektronikkomformere mot en felles DC fordelingsskinne. For å modellere slike kraftelektronikkomformere, brukes ofte begrepet konstant effekt-last, som er en forenklet representasjon av omformere med kontrollsystem med høy båndbredde. I tillegg er slike omformere utstyrt med et filter som også har dårlige dempeegenskaper. Slike filtre er plasskrevende, øker totalvekten på skipet og fører gjerne til økte installasjonskostnader. Konstant effekt-laster kan potensiellt destabilisere systemet og i verste fall forårsake blackout. For å fjerne dette problemet kan sliding modekontrollere brukes for å stabilisere systemet over et større operasjonsspekter enn lineære PI-kontrollere. I denne masteroppgaven analyseres et DC-mikronett bestående av et batteri, en toveis DC-DC omformer og en konstant effekt-last, med parametre fra et virkelig system fra Kongsberg Maritimes laboratorium ved å bruke gjennomsnittsmodellering av systemet. Et litteraturstudie har vist at det finnes muligheter for å forenkle eller modifisere implementasjonen av konvensjonelle sliding mode-kontrollere som brukes til slike systemer. Den modifiserte kontrolleren innehar de sterke transiente egenskapene og klarer samtidig å tvinge busspenningen til referanseverdi uten at denne delen av reguleringen påvirker de transiente egenskapene gjennom tidsskala-separasjonsprinsippet. På denne måten integreres referansespenning over en mye lengre tidshorisont enn den transiente reaksjonstiden, og man kan derfor neglisjere effekten av integratoren i analysefasen. I tillegg er regionen for eksistens kartlagt basert på batterispenningens lastavhengighet, parametrene for kontrolleren- og kraftsystemetssystemets innvirkning på systemet evaluert. Det viser seg at kontrollerens kontrollerbarhet, eksistens, stabilitet og konvergenstid er sterkt påvirket av parametrene til omformeren og den lineære relasjonen mellom tilstandsvariablene i sliding-overflaten. I tillegg viser en empirisk analyse at DNV GL sine krav til spenningsavvik og rippel blir oppfyllt ved å bruke den foreslåtte sliding modekontrolleren. Resultatene kan antyde at man kan redusere eller fjerne filtrene og dermed spare vekt og kostnad.

In recent years, the focus on renewable energy in the maritime sector has gained much interest as it has proven to increase efficiency in terms of fuel reduction, reduced maintenance costs and lowered greenhouse gas emissions. These renewable energy systems are usually composed of multiple converters interfaced at a common DC bus. The constant power load is a simplified representation of power electronic converters with highbandwidth controllers. Moreover, these converters are usually equipped with input filters with poor damping for increased efficiency. These filters require valuable installation space and also adds to the overall weight of the vessel. Furthermore, the constant power load can potentially destabilize the bus voltage and cause a blackout. In order to mitigate this instability issue, sliding mode control can provide stability over a vast operating region. In this thesis, a selected DC microgrid consisting of a battery, bidirectional DCto-DC converter, and a constant power load with no input filter with real-world parameters from Kongsberg Maritime is investigated using average value modeling. Also, a literature study reveals the possibility of simplifying existing sliding mode controllers for this type of system. The constant power load instability issue is addressed by the use of a modified sliding mode controller with a linear sliding surface. The modified sliding mode controller inherits the strong transient response of a conventional sliding mode but is also equipped with an integrator for securing zero steady-state deviation of the bus voltage. This is achieved by applying the time-scale separation. Therefore, the motion of integrating bus voltage error is assumed to be much slower than the control action of the conventional sliding mode controller. An estimated region of existence using the load dependency of the battery voltage and the parameters of the sliding surface is presented and validated for the derived average value model. The findings indicate an intricate relationship between the convergence rate, the existence condition, transversality condition, and the closed loop response on the manifold. Moreover, a simulation of the bus voltage transient and bus voltage ripple requirements of DNV GL is demonstrated to be well within limits using the proposed modified sliding mode controller. The findings indicate that one could either reduce or remove the filters all together, and therefore reduce weight and space.