Modellazione di convertitori COTS per applicazioni di microrete

Negli ultimi anni, ci sono stati molti progressi nell'elettronica di potenza, portando a nuovi tipi di convertitori. Questi convertitori sono spesso prodotti già pronti disponibili sul mercato, noti come convertitori Commercial Off-The-Shelf (COTS). Purtroppo, i produttori di solito non condividono dettagli sui loro progetti a causa di preoccupazioni legate alla sicurezza e alla proprietà intellettuale. Di conseguenza, creare modelli precisi per rappresentare questi convertitori è piuttosto difficile.

I metodi di controllo convenzionali, come il controllo gerarchico, sono comunemente applicati nelle microreti. Una microrete è una rete di energia a piccola scala che può operare in modo indipendente o insieme alla rete elettrica principale. Questi sistemi di controllo spesso separano i diversi livelli di controllo in base ai loro tempi di risposta. Questo articolo presenta un metodo di base per creare un modello che imita il comportamento dei convertitori COTS controllati a droop per capire meglio le loro prestazioni di controllo.

#Comprendere il Controllo a Droop

Il controllo a droop è un metodo ampiamente accettato nella gestione della distribuzione di energia nelle microreti DC. Aiuta a garantire che più fonti di energia condividano il carico in modo equo. Di solito, il controllo a droop viene categorizzato come basato su potenza o su corrente. Il droop basato sulla potenza si riferisce a tensione e potenza, mentre il droop basato sulla corrente si riferisce a corrente e tensione. I ricercatori hanno anche esaminato metodi di droop più avanzati per migliorare la stabilità della tensione e la condivisione di potenza tra queste risorse.

Il controllo a droop lineare è semplice e non comporta dinamiche complesse. Quando il carico cambia, la tensione di uscita segue direttamente la risposta a droop. Per gestire le fluttuazioni, si può prendere in prestito un concetto chiamato inerzia virtuale dai sistemi a corrente alternata (AC). Ci sono due modi principali per applicare l’inerzia virtuale nei sistemi DC: utilizzare filtri passa-basso o creare modelli di macchine virtuali. Entrambi i metodi possono essere progettati per funzionare in modo simile se vengono scelti i parametri giusti.

#Controllo nelle Microreti

Le microreti utilizzano il controllo gerarchico per coordinare il flusso di energia a diversi livelli. Il controllo di inseguimento è il livello di controllo più veloce, focalizzandosi sulla gestione di tensione e corrente. Nella progettazione di sistemi di controllo per i convertitori, è essenziale separare i loop di controllo in base alla loro risposta in frequenza. Di solito, il loop di controllo più veloce opera a una frequenza più lenta rispetto alla frequenza di commutazione del convertitore, in modo che il controllore possa concentrarsi sulle prestazioni complessive senza essere disturbato dalle azioni di commutazione rapida.

I produttori spesso non rivelano i dettagli dei loro convertitori, rendendo difficile creare modelli precisi. Un approccio è eseguire scansioni di impedenza per raccogliere dati sulle prestazioni del convertitore e creare un modello a piccolo segnale. Tuttavia, determinare la struttura di controllo e le larghezze di banda solo attraverso scansioni di impedenza può essere impegnativo.

#Approccio di Modellazione Proposto

L'obiettivo principale di questo lavoro è presentare un metodo semplice per identificare le larghezze di banda dei loop di controllo nei convertitori COTS. Facendo questo, si può creare un modello che rappresenta il comportamento dei convertitori reali. Questo modello può servire come strumento di ricerca a basso costo in diversi scenari, come cambiamenti di carico e potenziali guasti.

Per questo studio è stato scelto il convertitore CE+T Stabiliti 30C3 come rappresentante dei convertitori COTS per la valutazione. L'articolo è organizzato in sezioni che descrivono l'approccio di modellazione, la verifica del modello e casi d'uso che dimostrano la sua efficacia.

#Strategia di Modellazione

Il convertitore COTS selezionato è un'unità multi-porta con varie opzioni di controllo. Per questa analisi, l'attenzione è rivolta alla sua funzione come bus DC controllato a droop. Per semplificare il modello, si ignora una porta DC e si escludono anche le dinamiche sul lato AC. Un convertitore DC-DC boost è scelto per rappresentare il convertitore CE+T.

Questo approccio presume che il comportamento di controllo sia la principale preoccupazione e che le dinamiche del convertitore possano essere considerate secondarie. Capire i parametri del modello equivalente è cruciale per garantire una rappresentazione accurata del comportamento di controllo. I diagrammi di Bode, che mostrano graficamente la risposta in frequenza dei sistemi, saranno utilizzati per verificare il design del controllo.

#Progettazione del Loop di Controllo

#Loop di Controllo della Corrente

Per la progettazione del loop interno della corrente, una funzione di trasferimento collega la corrente dell'induttore al ciclo di lavoro. I parametri del controllore della corrente saranno determinati utilizzando l'analisi di Bode, che fornisce informazioni sulla stabilità e sul tempo di risposta del sistema. La larghezza di banda selezionata per il controllore della corrente è di circa 20 kHz, basata sulle osservazioni del convertitore CE+T reale.

#Loop di Controllo della Tensione

Allo stesso modo, il loop esterno di tensione seguirà un processo di design standard. La funzione di trasferimento del loop interno della corrente sarà utilizzata per stabilire le caratteristiche del loop esterno di tensione. I test sul convertitore CE+T indicano che utilizza un controllore a tasso di accelerazione per regolare in modo efficiente i cambiamenti di tensione. La larghezza di banda scelta per il loop di tensione è di 200Hz, consentendo al sistema di adattarsi efficacemente alle variazioni delle impostazioni di tensione.

#Modellazione delle Caratteristiche di Droop

Il convertitore CE+T può gestire un coefficiente di droop massimo, che sarà testato in condizioni stazionarie. Vari coefficienti di droop saranno valutati per osservare il loro impatto sulle prestazioni del sistema. I test confermano che il comportamento a droop del convertitore COTS agisce in modo simile a un filtro passa-basso, che sarà incluso nel modello equivalente.

#Processo di Verifica

Una volta stabilito lo schema di controllo, viene implementato in MATLAB Simulink per creare una simulazione nel dominio del tempo del modello equivalente. I test hardware vengono condotti insieme alla simulazione, collegando il convertitore CE+T a un carico elettronico per confrontare le prestazioni.

#Verifica del Controllore della Corrente

Le prestazioni del controllore della corrente vengono valutate analizzando la risposta a gradino sia nella simulazione che nel convertitore reale. I dati risultanti mostreranno quanto bene il modello si allinei con il comportamento reale del convertitore CE+T.

#Verifica del Controllore di Tensione e Droop

Allo stesso modo, il controllore a tasso di accelerazione e le caratteristiche di droop del convertitore CE+T saranno valutati per assicurarsi che corrispondano ai parametri progettati nel modello. Le prestazioni stazionarie e il comportamento dinamico saranno confrontati tra il modello equivalente e il dispositivo reale.

#Casi d'Uso per il Modello Equivalente

Una volta verificato, il modello può essere testato in scenari reali per valutarne le prestazioni. Verranno investigati due casi chiave: prestazioni sotto diversi coefficienti di droop e valutazione della stabilità quando vengono applicati carichi di potenza costante.

#Prestazioni Sotto Diversi Coefficienti di Droop

Variando i coefficienti di droop nel modello equivalente, sarà possibile osservare diverse tensioni stazionarie. Questo test verificherà se il modello riflette accuratamente le prestazioni del convertitore CE+T reale in condizioni simili.

#Stabilità con Carichi di Potenza Costante

In un altro caso d'uso, verrà testata l'instabilità nella microrete DC a causa di carichi di potenza costante. Il modello equivalente fornirà informazioni su come il convertitore risponde alle condizioni di carico crescente, mimando il comportamento del convertitore reale. Le osservazioni confronteranno le oscillazioni nella tensione e altri parametri.

#Conclusione

Questo articolo evidenzia un approccio semplice per creare un modello equivalente per i convertitori controllati a droop COTS. Il metodo proposto dimostra la sua efficacia confrontando il comportamento del modello con quello di un convertitore reale. Tali modelli possono servire come strumenti preziosi per i ricercatori, aiutandoli ad analizzare le prestazioni del convertitore in vari scenari senza la necessità di informazioni dettagliate sul design.

Questo approccio può essere esteso a diversi tipi di convertitori, consentendo maggiore flessibilità nella ricerca e nell'applicazione all'interno dei sistemi di microrete DC.