Contribution to Stability Analysis and Stabilization of DC Microgrids: Application of the Concept of Passivity - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2020

Contribution to Stability Analysis and Stabilization of DC Microgrids: Application of the Concept of Passivity

Contribution à l'analyse de stabilité et à la stabilisation des micro-réseaux DC : application du concept de passivité

Abstract

This dissertation focuses on dealing with the stability issues of DC microgrids, especially in electrified transportation applications. The main objective of this dissertation is to solve problems and find improvements related to the stability analysis and stabilization of DC microgrids. In the applications under consideration, stability is still a key issue in the design of DC microgrids. These systems, mainly consisting of multiple cascaded and/or parallel converters and LC filters, can suffer from instability, even when individual converters are stable alone. Moreover, DC microgrids in electrified transportation applications may have a time-varying structure, with highly flexible subsystems and operating modes. Both sources and loads can switch their operation patterns, or even join or quit the microgrid in a plug-and-play manner. This feature makes it difficult to conduct the stability studies, and puts forward higher requirements for controller design. To consider the aforementioned issues, the concept of passivity is studied in this dissertation. Indeed, the general stability study is established using the passivity concept which ensures that a microgrid is stable as long as all its components meet the passivity conditions and are interconnected to each other under certain conditions. In this way, the stabilization objective is localized to avoid investigating the whole microgrid, thereby offering immunity against system variations. Initially, a branch of Passivity-Based Control (PBC), i.e. the Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control (IDA-PBC), is applied to two typical DC/DC converters. This is achieved by designing an adaptive interconnection matrix to establish internal links in Port-Controlled Hamiltonian (PCH) models and to generate a unique control law. Then, the stabilization of DC microgrids is achieved by developing a modified IDA-PBC at the subsystem level. The instability effects caused by the LC filter, and also caused by the interaction between subsystems are taken into account in the controller design. Moreover, a nonlinear observer is added to the PBC controller to solve the effect caused by parameter and model uncertainties. Afterward, a passivation strategy is proposed to stabilize DC microgrids. This is achieved by developing a PBC controller that preserves the passivity property from the interconnection perspective. All the proposed PBC theory and estimation technology can guarantee the large-signal stability of the DC microgrid. In addition to these theoretical backgrounds, the proposed control methods are validated by extensive simulation, experimental, and Hardware-in-the-loop (HIL) results.
Cette thèse se concentre sur le problème de stabilité des micro-réseaux DC, en particulier dans les applications de transport électrifié. L'objectif principal de cette thèse est de résoudre les problèmes de stabilité et de trouver des améliorations liées à l'analyse de stabilité et à la stabilisation des micro-réseaux DC. Dans les applications considérées, la stabilité est toujours un critère clé dans la conception des micro-réseaux DC. Ces systèmes, constitués principalement de plusieurs convertisseurs et filtres LC en cascade et/ou en parallèle, peuvent souffrir d'instabilité, même si chacun des sous-systèmes est stable tout seul. De plus, les micro-réseaux DC dans les applications de transport électrifié peuvent avoir une structure variante dans le temps, avec des modes de fonctionnement très flexibles. En effet, les sources et les charges peuvent changer leurs modes de fonctionnement, ou même rejoindre ou quitter le micro-réseau de manière «plug-and-play». Cette caractéristique rend difficile la réalisation d'études de stabilité et requière un niveau d’exigence très élevé pour la conception des régulateurs. Pour tenter de résoudre ces problèmes, le concept de passivité est appliqué dans cette thèse. En fait, une étude générale de stabilité est proposée à l’aide de la théorie de la passivité qui garantit qu'un micro-réseau est stable tant que les conditions de passivité sont respectées par chacun de ses constituants et que l’interconnexion de ces derniers obéit à des conditions précises. De cette façon, l'objectif de stabilisation peut être traité au niveau des constituants du micro-réseau afin d’éviter d'investiguer l’ensemble du micro-réseau, fournissant ainsi une immunité contre les variations du système. Pour ce faire, une méthode de « Passivity-Based Control » (PBC), dite « Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control » (IDA-PBC), est d'abord appliquée à deux convertisseurs DC/DC typiques. Cet objectif est atteint en concevant une matrice d'interconnexion adaptative pour établir des liaisons internes dans le modèle Hamiltonian du système, appelé « Port-Controlled Hamiltonian » (PCH) et pour générer une loi de commande unique. Ensuite, la stabilisation du micro-réseau DC est obtenue en développant un IDA-PBC modifié au niveau du sous-système. Les effets d'instabilité provoqués par le filtre LC, et également ceux provoqués par l'interaction entre les sous-systèmes sont pris en compte dans la conception du contrôleur. De plus, un observateur est ajouté au contrôleur PBC pour résoudre l'effet provoqué par les incertitudes des paramètres et du modèle. Par la suite, une stratégie de passivation est proposée pour stabiliser les micro-réseaux DC. Celle-ci est réalisée en développant un contrôleur PBC préservant la propriété de passivité du point de vue de l'interconnexion. Toute la théorie et les méthodes proposées peuvent garantir la stabilité du micro-réseau DC au sens large signal. En plus, les méthodes de contrôle proposées sont validées par des résultats extensifs de simulation, expérimentaux et Hardware-in-the-loop (HIL).
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Dates and versions

tel-03022970 , version 1 (25-11-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03022970 , version 1

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Cite

Shengzhao Pang. Contribution to Stability Analysis and Stabilization of DC Microgrids: Application of the Concept of Passivity. Electric power. Université de Lorraine, 2020. English. ⟨NNT : 2020LORR0121⟩. ⟨tel-03022970⟩
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