Study, modelling and control of bidirectional battery chargers for real-time simulation applications

Sorto-Ventura, Kevin-Rafael (2021). Study, modelling and control of bidirectional battery chargers for real-time simulation applications. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The work done in this project aims to propose a suitable AC-DC converter topology and control method for high power, bidirectional battery chargers. Moreover, another objective is to design equivalent converter models suitable for real-time simulation applications. This research is motivated by the growing presence of electric vehicles and the increasing demand for faster and bidirectional battery chargers. In addition to high power density and bidirectional power flow capability, the converter used in the battery charger should offer good power quality. Therefore, this thesis studies two multilevel converter topologies, which are able to minimize harmonic distortion on the grid due to their high number of output voltage levels. Thus, the single-phase 23-level H-PUC is proposed with a model predictive controller. By implementing this converter in real-time simulation using the RT-LAB software and OP4510 simulator, it is shown that the topology greatly reduces the AC current filtering requirements when compared to conventional converter topologies. Then, a deadbeat predictive controller for bidirectional power flow is developed for the three-phase PM-ANPC 13-level converter. Simulation results obtained in Simulink demonstrate that the proposed controller can effectively regulate the AC current and DC link voltage during both charging and discharging modes of operation. Finally, an equivalent model of the PM-ANPC converter is presented and validated against a reference model that uses blocks from the SimPowerSystems library in Simulink. Then, an OP4510 real-time simulator is used to illustrate the improved simulation performance of the equivalent model with respect to the reference model.

Titre traduit

Étude, modélisation et commande de chargeurs de batterie bidirectionnels pour applications en simulation en temps-réel

Résumé traduit

Le travail réalisé dans ce projet a pour but de proposer une topologie de convertisseur AC-DC et une commande appropriées pour des chargeurs de batterie bidirectionnels à haute puissance. D’autre part, l’objectif est aussi de concevoir des modèles équivalents de ces convertisseurs afin de les implémenter en simulation en temps-réel. Cette recherche est motivée par la présence croissante des véhicules électriques sur les routes ainsi que par la demande accrue pour des stations de charge rapides et bidirectionnelles. En plus d’offrir une densité énergétique élevée et un écoulement de puissance bidirectionnel, les convertisseurs employés dans les chargeurs de batterie devraient assurer une bonne qualité de l’énergie. Par conséquent, ce mémoire étudie deux topologies de convertisseurs multiniveaux qui sont capables de minimiser la distorsion harmonique sur le réseau électrique grâce à leur nombre élevé de niveaux de tension. Donc, le convertisseur monophasé H-PUC à 23 niveaux est proposé avec une commande de type model predictive control. Ce convertisseur est implémenté en simulation en temps-réel avec le logiciel RT-LAB sur le simulateur OP4510 et il est démontré que cette topologie réduit considérablement les exigences de filtrage du courant AC lorsque comparé à des convertisseurs conventionnels. Ensuite, une commande de type deadbeat predictive control pour un écoulement bidirectionnel de la puissance est développé pour le convertisseur triphasé à 13 niveaux PM-ANPC. Des résultats de simulation obtenus dans Simulink confirment que la méthode de commande proposée peut efficacement réguler le courant AC et la tension du lien DC autant lorsque le convertisseur est en mode charge que lorsqu’il est en mode décharge. Finalement, un modèle équivalent du PM-ANPC est présenté et validé à l’aide d’un modèle référence qui utilise des blocs de SimPowerSystems dans Simulink. Puis, un simulateur en temps-réel OP4510 est utilisé afin d’illustrer la performance de simulation supérieure du modèle équivalent proposé par rapport au modèle référence.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 87-93).
Mots-clés libres:	chargeur de batterie, véhicule électrique, convertisseur multiniveaux, qualité de l’énergie, simulation en temps-réel
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Al-Haddad, Kamal
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	25 nov. 2021 18:47
Dernière modification:	25 nov. 2021 18:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2798

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