MA – Untersuchungen zur Implementierung von Droop-Regelungen bei zweistufiger Anbindung bidirektionaler Lasten an ein bipolares DC-Netz

Untersuchungen zur Implementierung von Droop-Regelungen bei zweistufiger Anbindung bidirektionaler Lasten an ein bipolares DC-Netz

Zusammenfassung

In den letzten Jahren hat sich die Nutzung von Elektrofahrzeugen zunehmend verbreitet. Auch die Ladetechnik für Elektrofahrzeuge ist ein wichtiges Thema geworden. In dieser Arbeit wird eine bidirektionale Ladesäule an einem bipolaren DC-Netz untersucht. Die Ladesäule besteht aus einer zweistufigen Anbindung von einer Dual Active Bridge (DAB) und einer H-Brücke. Dabei wird die Droop-Control angewendet und in Simulationen werden ein vereinfachtes Modell der DAB sowie ein Mittelwertmodell der H-Brücke benutzt. Zwei Strategien der Regelungen werden dann für die DAB und die H-Brücke vorschlagen. In erster Strategie wird die Ansteuerung der DAB durch eine Spannungsregelung erreicht, während in zweiter Strategie die DAB mit einer Droop-Control geregelt wird. Bei den beiden Strategien wird die H-Brücke immer mit einer Droop-Control geregelt.
In beiden Strategien wird dann die Auswirkung der Regelungen für die DAB und die H-Brücke auf die Stabilität und die Dynamik am DC-Netz untersucht. Die Stabilität des Systems wird durch das Passivitätskriterium bewertet und das dynamische Verhalten wird durch die Simulation beobachtet. Außerdem wird eine Parameterstudie der Kapazität der Anbindung durchgeführt, um eine minimale Kapazität zu erhalten. Die Verzögerung im System, die von der DAB verursacht wird, wird auch durch den Vergleich der beiden Strategien studiert. Darüber hinaus wird eine Parameterstudie der virtuellen Droop-Widerstände für die H-Brücke durchgeführt, um einen stabilen Ladestrom um die Nennspannung zu erreichen.
Schließlich sind die beiden Strategien hauptsächlich mit der Nennspannung von 380 V in PLECS implementiert. In erster Strategie kann das Verhältnis zwischen der Eingangskapazität und der Eingangsimpedanz für die DAB nicht einfach durch eine mathematische Beschreibung hergeleitet werden, deshalb ist es nicht leicht, eine gute Dynamik des Systems durch die Einstellung der Regelschleife der DAB zu erzielen. Die durch die DAB verursachte Resonanzspitze der Eingangsimpedanz am DC-Netz kann jedoch durch die Vergrößerung der Eingangskapazität gut unterdrückt werden. Für die Droop-Control der beiden Strategien können die Stabilität und die Dynamik für die DAB oder die H-Brücke bei einer bestimmten Regelschleife durch den Anstieg der Eingangskapazität einfach verbessert werden. Die minimale Eingangs- oder Zwischenkreiskapazität kann bei der zweiten Strategie durch die Formel der optimierten Kapazität erreicht werden. Die Stabilität des Ladestroms kann auch durch eine gute Einstellung des virtuellen Widerstands für die H-Brücke verbessert werden. Mit dem Vergleich der beiden Strategien hat zusammengefasst die zweite Strategie eine bessere Charakteristik.

Abstract

The use of electric vehicles has become more common in recent years. Charging technology for electric vehicles has also become a hot topic. In this paper, a bidirectional charging station on a bipolar DC grid will be investigated. The charging station consists of a two-stage connection from a Dual Active Bridge (DAB) and a H-bridge. The droop control will be also applied in this connection. Furthermore a simplified model of the DAB and an average model of the H-bridge will be used in the simulation. Two control strategies are proposed for the DAB and the H-bridge. In the first strategy, the control of the DAB is realized by a voltage control, while in the second strategy, the DAB is controlled with a droop control. In both strategies, the H-bridge is always controlled with the droop control.
Then the influence of the controls for the DAB and the H-bridge on the stability and the dynamics on the DC grid will be investigated in both strategies. The stability of the system is evaluated by the passivity criterion and the dynamic behavior is observed by the simulation. A parameter study of the capacitance in the connection is carried out to obtain a minimum capacitance. The delays caused by the DAB in the system are also studied by comparing the two strategies. In addition, a parameter study of the virtual droop resistors for the H-bridge is carried out to obtain a stable charging current around the nominal voltage.
Finally, the two strategies are implemented mainly with the nominal voltage of 380 V in PLECS. In the first strategy, the relationship between the input capacitance and the input impedance for the DAB cannot be easily derived with a mathematical description, so it is not easy to achieve good dynamics of the system by adjusting the control loop of the DAB. However, the resonance peak caused by the DAB in the input impedance on the DC network can be well suppressed by increasing the input capacitance. For the droop controls of two strategies, the stability and the dynamic behavior for the DAB or the H-bridge can be easily improved for a given control loop by increasing the input capacitance. The minimum input capacitance or the minimum DC link capacitance can be acquired via the formula of the optimized capacitance. The stability of the charging current can also be improved with a good setting of the virtual resistance for the H-bridge. Comparing the two strategies, in summary the second strategy has a better characteristic.

Bearbeiter: Jiekun Song

Betreuer: Nico Schleippmann, Thomas Eberle

Für Studienfächer: EEI, Mechatronik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März