Discrete modelling of the dual active bridge converter

Abstract

Bidirekskjonelle DC-til-DC omformere spiller en meget viktig rolle i dagens elektriske energi infrastruktur. Ettersom distribuerte ressurser har blitt en aktiv del av elnettverket, evnen til å sende kraft til-og fra last muliggjør en mer effektiv og fkeksibel utnyttelse av infrastrukturen i sin helhet, og hovedsakelig av smartgrid konseptet. På grunn av sine mange fordeler sammenlignet med andre omformer-konfigurasjoner, har den "dual active bridge" (DAB) likespenning - til - likespenning omformeren fått stadig økende oppmerksomhet. Den har dog sine ulemper og utfordringer. Det er en av disse utfordringene som denne masteroppgaven setter fokuset på, i form av å fremlegge en velfungerende matematisk model av omformeren.

Avhandlingen studerer og presenterer hovedegenskapene til DAB omformeren, både de postitive, så vel som de negative. Gjennom literaturstudie, tidsromanalyse, og simulering er omformerens ikke-ineare egenskapene belyst. Videre, det presenteres gjennomgangen av en velegnet model, som tar høyde for de ikke-lineare egenskapene til DAB omformeren. Avhandlingens hovedmål er at den skal kunne brukes som fullverdig og tilstrekkelig støttemateriell i fremtidige forsøk på å utvikle, og å implementere en moderne reguleringsmekanisme for DAB omformeren.

Masteroppgavens hovedbidrag er en grunndig undersøkelse av en diskret model for DAB omformeren, som belyser omformerens drift når den blir regulert ved hejlp av enkel faseforskyvning, så vel som forlenget faseforskyvning. Med tanke på å utvikle intuisjon og forståelse for temaet, den diskrete modelen er i tillegg tilpasset en Buck omfomer, som har en mindre komplisert struktur enn DAB omformeren. De ikke-lineare egenskapene til DAB omformeren er belyst ved hjelp av enkel stabilitetsanalyse. Modelen er til slutt validert, og de relevante resultater lagt frem.

The importance of the bidirectional DC-to-DC power converters cannot be exaggerated in the context of today’s power grids. As distributed energy resources become an integral part of electrical energy infrastructure, the ability to send power bidirectionally between source and load provides increased quality and flexibility to the power infrastructure as a whole, and the concept of smart grids in particular. The dual active bridge (DAB) DCto- DC converter has therefore been in the centre of attention due to its advantages over other devices of similar abilities, but it does not come without flaws and challenges. The purpose of this paper is to focus on one of these challenges, namely finding an optimal modelling technique for the converter.

This thesis recounts the main characteristics of the DAB converters, listing both its positive and negative attributes. By the means of literature review, state space modelling, and simulation, the nonlinear nature of the converter is explored, and a suitable modelling technique is presented. The main goal of the present work is to serve as extensive and sufficient support for future work, aimed at developing and implementing a modern, optimal control technique for the DAB converter.

The main contribution of this thesis is the detailed derivation of a discrete time model for the DAB converter, considering its operation both under single phase shift (SPS) and extended phase shift (EPS) modulation. With the purpose of developing the intuition of the reader, the relatively simple example of a Buck converter is covered as well. The nonlinear traits of the DAB converter are demonstrated by performing elementary stability analysis. The model is then tested and the relevant results are presented.