System level control of DC microgrids in hybrid vessels

Abstract

DC grids are becoming more popular in the maritime industry due to stricter environmental regulations and increasing possibilities for savings in running costs. In addition, the number of parallel connected power converters increases in DC grids. This causes cross-effects between the converter controllers, which may further cause poor system performance and load sharing error between power sources. Previous research has primarily analyzed system control on a higher level, without taking primary level control into account. Thus, neglecting the cross-effect between lower-level controllers, such as current and DC voltage control.

This thesis analyzes the issues in DC microgrids caused by primary level controller architecture and controller tuning for parallel connected converters. In addition, the different characteristics of power sources and their effect on controller design and tuning is discussed. The thesis consists of a thorough literature review, an analysis, and a simulation part conducted in Simulink. It can be concluded that a major issue with current system control is the non-similarities of controllers between different power converters. Based on the analysis, it can also be stated that it is very difficult to tune the converters separately, since all converters affect each other. The simulation results show that the more aggressively the controller is tuned, the more power it will supply in transient conditions.

Lastly, the thesis introduces the use of a rate limiter between the DC voltage controller and the current controller in cascaded control systems. This additional feature allows the fuel cells to run in droop mode without the risk of overloading.

DC microgrids för användning i fartyg växer i popularitet på grund av striktare utsläppskrav och möjlighet till besparingar i driftkostnader. I och med ökningen av antalet DC-nätverk, har mängden parallellkopplad kraftelektronik också vuxit rejält. Det här har lett till viss oönskad samverkan mellan kraftelektronikenheter kopplade till samma DC-nätverk, vilket kan leda till sämre prestanda och ojämn lastfördelning. Tidigare forskning har främst fokuserat på systemkontroll på en högre nivå, och inte beaktat ström- och spänningsregulatorerna i kraftelektroniken.

Avhandlingen analyserar hur olika regulatorer påverkar lastfördelning och hur energikällornas karakteristik påverkar regulatordesign och -parametrisering. Denna avhandling består av en litteraturstudie och en simuleringsdel. Resultaten visar att den största utmaningen i dagens system är olikheter mellan regulatorer i form av arkitektur och parametrisering. Den matematiska analysen visar också att det är omöjligt att enskilt parametrisera regulatorer, eftersom all annan parallellkopplad kraftelektronik påverkar systemets prestanda och lastfördelning.

Avhandlingen introducerar också användning av en rampfunktion mellan spänningsregulatorn och strömregulatorn i ett kaskadkontrollsystem. Den här nya funktionentillåter användning av bränsleceller i ”droop”-kontroll, utan risken för överbelastning.