Towards DC-microgrids with Stability-Preserving Plug-and-Play Features: Passivity-Based Control Design of DC/DC Converters under Compensated Modulation

Abstract

Målet med denne masteroppgaven er å utvikle et passivitets-basert kontrolldesign for en DC/DC omformer. Det overliggende formålet er at dette kontrolldesignet skal kunne bidra til å oppnå et stabilitetsbevarende DC-mikronett med "plug-and-play" funksjoner, slik at driften er stabil om det skulle oppstå fremtidige endringer i nett-topologien.

Strømnettet gjennomgår store endringer og går fra å være dominert av få men store kraftstasjoner og effektoverføring i en retning, mot mer lokal kraftproduksjon i mindre skala. Dette inkluderer toveis effektoverføring som utnytter informasjons- og kommunikasjonsteknologi til å optimalisere kraftoverføringen, i tillegg til innfasing av fornybare energikilder og energilagring i nettet. En essensiell del av overgangen til et smartere nett er implementeringen av mikronett, dvs. små, kontrollerbare kraftsystemer som inneholder både laster og kraftproduksjon. Siden dynamikken i et så lite kraftsystem er veldig sensitivt med tanke på endringer i last og produksjon, er kontrollen veldig kompleks. Dette gjelder spesielt med tanke på "plug-and-play" funksjonene, noe som medfører store mengder med kraftelektronikk i nettet.

Et ikke-lineært verktøy som passivitet kan typisk være en god løsning for å designe kontrollerne i et mikronett bestående av omformere, siden den dynamiske oppførselen ofte beskrives av ikke-lineære sammenhenger. Passivitet innehar også en veldig fordelaktig egenskap relatert til sammenkoblinger, og kan derfor fungere som et nyttig verktøy for kontroll av mikronett. Denne avhandlingen vil fokusere på DC/DC omformere med toveis effektflyt, som utelukkende opererer under en såkalt kompensert moduleringsstrategi; altså hvor strømdynamikken har blitt linearisert gjennom en tilbakekobling. Dette gir muligheten for en tidsskala-separasjon (TSS) mellom den lineariserte strømdynamikken og den ulineære spenningsdynamikken, noe som vil bli sikret ved å lage et designkriterium. Mens TSS er tilstedeværende, vil analysen av den ulineære spenningsdynamikken bli veldig forenklet ved å benytte passivitets- og Lyapunov-teori. Videre gjorde dette at man kunne designe desentraliserte og passivitetsbaserte ytre kontrollsløyfer for hver enkelt omformer. Til slutt, ved å utnytte sammenkoblings-egenskapen til passivitet, altså "plug-and-play" egenskapen, kan potensielt et stabilitetsbevarende DC mikronett implementeres. Dette vil også gjelde for fremtidige tilkoblinger til mikronettet.

I denne masteroppgaven har matematiske utledninger blitt gjennomført, og simuleringer i dataprogrammer har blitt utført for å verifisere utledningene. Det har blitt bevist at TSS kan garanteres så lenge proporsjonal-leddet er større enn integral-leddet i den indre kontrollsløyfen, med en faktor som avhenger av induktansen og kapasitansen. Deretter har resultatet blitt utvidet ved å legge til en spenningsregulerende ytre sløyfe som er basert på passivitetsteori, hvorav ett nytt PI-kontroll-design har blitt utledet. Integral-leddet i den ytre kontrollsløyfen viser seg å være den mest kritiske parameteren, og resultatet er at denne parameteren må være liten sammenlignet med kontrollparameterne i den indre sløyfa, for å kunne garantere TSS. Til slutt utforskes omformeren sine muligheter til å transportere effekt i begge regninger, slik at den fortsatt bevarer "plug-and-play" funksjonalitetene. Toveis effektflyt i omformeren ble oppnådd. Gode resultater ble oppnådd for positiv effektflyt, mens for negativ effektflyt var det ikke den samme muligheten for enkel og presis regulering av strøm og spenning. Som en erstatning ble det anbefalt å benytte en "droop"-type oppførsel for regulering for negativ kraftretning. Gershgorins sirkel-teorem ble benyttet for å utlede design kriteriene for å sikre TSS. Dette teoremet ledet til en analytisk innsikt i konvergenshastigheten til spenningen og strømmen, samt deres avhengighet av system- og kontrollparameterne som var essensielle for å sikre den ønskede TSS.

The aim of this thesis is to develop a passivity-based control design of DC/DC converters for stability-preserving microgrids with plug-and-play features, for the purpose of a stable DC-microgrid operation in the case of any future topology change in the microgrid.

The electric power grid is going through a major shift from being dominated by a few large-scale power plants and unidirectional power flow, towards a more local and small-scale power generation. This includes a bidirectional distribution-infrastructure using information and communication technology (ICT) to optimize the power flow, and implementing renewable energy sources (RES) and energy storage (ES) units as a part of the grid. An essential part of this smart grid transition is the implementation of microgrids, i.e. small controllable power systems which contain both loads and generation. Since the dynamics of such a small power system is very sensitive to the changes in the loads and generation, the control is very complex, especially when facilitating for plug-and-play features. This is implying a higher share of power electronics in the grid.

The nonlinear tool of passivity is typically useful when designing the controllers in a microgrid consisting of converters, since their dynamical behavior is often described by nonlinear relationships. Passivity has a very advantageous property related to interconnections, and is, therefore, a powerful tool for the development of microgrids with many interconnections. This thesis will focus on DC/DC bidirectional converters that operate exclusively under the so-called compensated modulation strategy; i.e., where the current dynamics have been linearized by means of feedback. This allows for creating a time scale separation (TSS) between the linearized current dynamics and the remaining nonlinear voltage dynamics, which will be ensured by a design criterion. Under this TSS, the analysis of the remaining nonlinear voltage dynamics through passivity and Lyapunov theory is greatly simplified. Furthermore, it allowed for designing decentralized passivity-based outer loops for each converter. Finally, by exploiting the interconnection property of passivity, i.e. plug-and-play features, a stability preserving DC microgrid can be potentially implemented, even for the case of future interconnections.

Mathematical derivations have been conducted, and simulations through computer-programs have been done to verify the derivations. It is proven that TSS can be guaranteed as long as the inner-loop proportional-term is greater than the integral term, by a factor determined by the relationship of the inductance and capacitance. The result is extended by adding a voltage-regulating outer-loop based on passivity-theory. For this converter system, a new PI control design is derived. It was found that the outer-loop integral term is the most critical parameter, and that it must be small compared to the inner-loop tuning parameters to guarantee TSS. At last, the DC/DC converter power transfer bidirectionality is investigated, such that power can be both received and transferred, while preserving the plug-and-play features. Bidirectional power transfer was achieved. Although good results were obtained for the positive power transfer direction, it was found that the negative power transfer direction did not allow a straightforward and precise regulation of current or voltage. Instead it was suggested to settle for a droop-type of behavior for the control in the case of a negative power flow. The mathematical tool of the Gershgorin circle theorem has been applied for deriving the TSS design criteria. The theorem gave an analytical insight into the convergence rate of the voltage and current variables and their dependence on the system and control parameters, which was instrumental for enforcing the desired TSS.