Διερεύνηση της ασύρματης μεταφοράς ισχύος σε εφαρμογές μικροδικτύων συνεχούς ρεύματος

Abstract

The main objective of this PhD dissertation is to thoroughly investigate the wireless power transfer systems in DC Microgrids. In particular, the PhD dissertation focuses on the incorporation of wireless power transfer (WPT) in DC microgrids by exploiting distributed energy sources (DES), as well as the investigation of an efficient wireless charging scheme for EV charging applications with universal characteristic, which makes it compatible to various wireless charger topologies. As regards the DES exploitation through WPT system incorporation, the analysis of series-series (SS) compensated WP system for power injection into a DC bus is not fulfilled by the relevant literature. Specifically, the analysis of SS-WPT system in the relevant literature is based on the simplified model of equivalent constant resistance, which cannot accurately describe the interconnection of DES to DC buses through WPT systems. In addition, the analysis and modeling of the diode bridge rectifier, as well as the WPT system behavior when injects power to the DC bus are of major research interest.Regarding the EV wireless charging scheme, relevant literature although rich, as an enormous volume of scientific papers has been published on this subject, yet it is not in line with an efficient solution with universal characteristics. It has been found that the existing methods for efficiency optimization of wireless chargers in the relevant literature are not universal solution as they strongly depend on misalignment conditions between primary and secondary sides, the on-board charger, or the EV type. Additionally, the existing methods do not take into account the operational conditions of the system to achieve high efficiency throughout the entire charging. For example, the resistance values of transmitter and receiver side may vary during operation due to temperature rise. These resistance values significantly affect the maximum efficiency tracking for the wireless charging system. Furthermore, the inability to incorporate flexible communication methods to exchange the necessary information between the two sides is also highlighted in the relevant literature. For this purpose, the existing methods are based on real-time communication with increased complexity and compatibility problems.The abovementioned facts have been the motivation to thoroughly investigate not only the DC microgrids but also the wireless power transfer systems.In this context, an overview of DC microgrids as well as wireless power transfer systems found in the scientific literature is initially presented. Following, the incorporation of WPT systems for DES exploitation in DC microgrids is proposed. This incorporation is profound to be advantageous especially in households and commercial buildings applications, as it adds considerable flexibility in the electrical and architectural design, whilst it simplifies the installation process and maintenance works. In the current PhD dissertation, the analysis of the SS-WPT system has been performed with respect to the nature of load, which is a constant voltage source (CVS) representing the DC bus. Based on the aforementioned consideration, the system analysis differs from the usual analysis with the equivalent resistance approximation. Therefore, a more detailed model of the SS-WPT system that considers the non-unity displacement power factor (DPF) of the diode-rectifier is required in order to study its real operational characteristics. For this reason, the complete harmonic analysis is considered in order to define the DPF value accurately. With the aid of the proposed analysis, a constant power mode of operation (CPG) for the SS-WPT system is revealed. The CPG behavior has been verified for various quality factor as well as coupling coefficient values, being an advantageous property for distributed energy sources exploitation in DC microgrid applications.Next, an enhanced control scheme for wireless EV charging applications is proposed, which achieves high efficiency throughout the entire charging process - regardless the misalignment conditions. The proposed control scheme matches the reflected load impedance, by controlling accordingly the front-end dc-dc converter (FEC) of the SS-WPT system and is independent of the receiver side on-board charger topology (single stage or double-stage), technical characteristics or control scheme that implements the charging profile. In this context, an optimization algorithm (with no need for real-time communication) that considers misalignment is developed for the tracking of the optimal load impedance.An important inclusion of current PhD dissertation is the implementation proposal of communication method with the aid of of Internet of Things (IoT), in order to transmit the necessary information from the receiver side to the transmitter one. The proposed incorporation of IoT technology offers a flexible, low-cost, and universal solution whilst avoiding compatibility problems between wireless antennas. In addition, a comparative study of some desirable features of optimizing strategies for wireless EV battery chargers developed so far has been presented, highlighting the contribution of the current PhD dissertation.Following, the stability analysis of the hierarchical control in a residential DC microgrid has been investigated. In particular, the impact of the constant power loads (CPLs), the line impedances, the communication delays as well as other parameters on the control stability has been studied. The study has highlighted an optimal secondary distributed control scheme, which achieves voltage restoration and proportional load sharing. Its advantage over other distributed control schemes is that any communication delays do not result in control failure and voltage instability in DC bus. In addition, the incorporation of a WPT system to the residential DC microgrid as a wireless charger with bidirectional power flow capability has been investigated. In this context, the impact of the WPT system in microgrid stability acting both as CPL and CPG. The effectiveness of the proposed solution has been evaluated and verified through simulation results. From these results it is concluded that the proposed solution contributes to the overall DC microgrid stability.It should be mentioned that the mathematical analysis presented in this dissertation is validated through simulation, as well as extensive experimental results.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη διερεύνηση των συστημάτων ασύρματης μεταφοράς ισχύος σε εφαρμογές μικροδικτύων συνεχούς ρεύματος. Ειδικότερα, η διατριβή εστιάζεται στη μελέτη των συστημάτων ασύρματης μεταφοράς ισχύος (ΑΜΙ), στη δυνατότητα αξιοποίησης αυτών για τη διασύνδεση μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής (ΜΔΠ) σε μικροδίκτυα συνεχούς ρεύματος, καθώς και στη διερεύνηση της μεθοδολογίας επίτευξης ενός αποδοτικού σχήματος ασύρματης φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, το οποίο θα αποτελεί μια λύση γενικού σκοπού με ανεξάρτητα χαρακτηριστικά. Αρχικά, ως προς την αξιοποίηση των ΜΔΠ μέσω συστημάτων ΑΜΙ, διαπιστώθηκε ότι η ανάλυση των συστημάτων AMI με αντιστάθμιση σειράς-σειράς από την υφιστάμενη βιβλιογραφία είναι ελλιπής ως προς την περίπτωση έγχυσης ισχύος σε ένα ζυγό συνεχούς τάσης (ΣΤ). Συγκεκριμένα, η ανάλυση των συστημάτων ΑΜΙ βασίζεται στην απλοποιημένη προσέγγιση της ισοδύναμης αντίστασης, οι οποίες δεν μπορούν να περιγράψουν με ακρίβεια τη διασύνδεση των ΜΔΠ στους ζυγούς ΣΤ μέσω των συστημάτων ΑΜΙ. Στο ίδιο πλαίσιο, ζητήματα όπως η ανάλυση και μοντελοποίηση της ανορθωτικής γέφυρας διόδων κατά τη διασύνδεση με ζυγούς ΣΤ, καθώς και η εν γένει συμπεριφορά του συστήματος ΑΜΙ όταν τροφοδοτεί μικροδίκτυα ΣΤ παρουσιάζουν σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον.Όσον αφορά το ζήτημα του αποδοτικού σχήματος ασύρματης φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, η αντιμετώπισή του στην υφιστάμενη βιβλιογραφία ήταν ελλιπής. Συγκεκριμένα, διαπιστώθηκε ότι οι υφιστάμενες μέθοδοι βελτιστοποίησης της απόδοσης σε ασύρματους φορτιστές της διεθνούς βιβλιογραφίας δεν αποτελούν λύσεις γενικού σκοπού με ανεξάρτητα λειτουργικά χαρακτηριστικά, καθώς δεν λαμβάνουν υπόψιν σημαντικά ζητήματα τα οποία αποτελούν παράγοντες αβεβαιότητας κατά την ασύρματη φόρτιση. Συγκεκριμένα, ένας σημαντικός αριθμός μεθόδων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον ενσωματωμένο στο όχημα φορτιστή, από τα τεχνικά του χαρακτηριστικά, την τοπολογία που αποτελείται και από τον τρόπο ελέγχου του. Επιπρόσθετα, οι υφιστάμενες μέθοδοι ανίχνευσης φαίνεται να μη λαμβάνουν υπόψη τις λειτουργικές συνθήκες των συστημάτων ΑΜΙ. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η διαφοροποίηση των ωμικών αντιστάσεων των πηνίων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος κατά τη διαδικασία της φόρτισης εξαιτίας θερμοκρασιακής αύξησης. Οι εν λόγω τιμές των αντιστάσεων επηρεάζουν σε σημαντικό βαθμό το σημείο ανίχνευσης του βέλτιστου βαθμού απόδοσης για το σύστημα ασύρματης φόρτισης. Προς την ίδια κατεύθυνση, επισημάνθηκε και η αδυναμία ενσωμάτωσης ευέλικτων μεθόδων επικοινωνίας για την ανταλλαγή των απαραίτητων πληροφοριών μεταξύ των δύο πλευρών, η μετάδοση των οποίων έως σήμερα γίνεται με μεθόδους επικοινωνίας πραγματικού χρόνου με αυξημένη πολυπλοκότητα και με προβλήματα συμβατότητας. Τα παραπάνω στοιχεία αποτέλεσαν το βασικό κίνητρο ενασχόλησης της παρούσας διατριβής με το ζήτημα των συστημάτων ΑΜΙ, τόσο για την επίτευξη ενός αποδοτικού σχήματος ασύρματης φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων όσο και για τη μελέτη της δυνατότητας αξιοποίησής τους για τη διασύνδεση ΜΔΠ σε μικροδίκτυα ΣΤ. Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά μελετήθηκε ενδελεχώς η υφιστάμενη κατάσταση τόσο των μικροδικτύων ΣΤ όσο και των συστημάτων ασύρματης μεταφοράς ισχύος. Στη συνέχεια, προτάθηκε η ενσωμάτωση συστημάτων ασύρματης μεταφοράς ισχύος για την αξιοποίηση πολλαπλών ΜΔΠ σε μικροδίκτυα ΣΤ. Τα πλεονεκτήματα της ενσωμάτωσης σε κτηριακές (και όχι μόνο) εφαρμογές, είναι ότι προσθέτει σημαντική ευελιξία στον ηλεκτρολογικό και αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, ενώ παράλληλα απλοποιεί τη διαδικασία εγκατάστασης και τις εργασίες συντήρησης. Σημαντικό τμήμα της παρούσας διατριβής αποτελεί και η πρόταση ανάλυσης του συστήματος AMI με αντιστάθμιση σειράς-σειράς, εστιάζοντας στη φύση του φορτίου, το οποίο θεωρείται ως μία πηγή σταθερής τάσης, αντιπροσωπεύοντας επαρκώς έναν ζυγό ΣΤ. Με βάση την προαναφερθείσα θεώρηση, η ανάλυση του συστήματος διαφέρει από τη συνήθη προσέγγιση με την ισοδύναμη αντίσταση. Επομένως, παρουσιάστηκε ένα λεπτομερές μαθηματικό μοντέλο που προβλέπει με ακρίβεια την τιμή του συντελεστή ισχύος στην πλευρά ΕΤ της γέφυρας διόδων (χρησιμοποιώντας την πλήρη ανάλυση αρμονικών συνιστωσών). Με τη βοήθεια του προτεινόμενου μαθηματικού μοντέλου αναδείχθηκε η συμπεριφορά σταθερής παραγωγής ισχύος. Η συμπεριφορά αυτή επιβεβαιώθηκε για διάφορες τιμές του συντελεστή ποιότητας πηνίων, καθώς και του συντελεστή σύζευξης, αποτελώντας ένα πλεονεκτικό λειτουργικό χαρακτηριστικό για την περαιτέρω αξιοποίηση των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής σε μικροδίκτυα ΣΤ.Στη συνέχεια, προτάθηκε ένα βελτιωμένο σχήμα ελέγχου για ασύρματους φορτιστές ηλεκτρικών οχημάτων, το οποίο μεγιστοποιεί τον βαθμό απόδοσης καθ’ όλον τον κύκλο φόρτισης και για μεγάλο εύρος αστοχίας ευθυγράμμισης. Το προτεινόμενο σχήμα ελέγχου εφαρμόστηκε στον μετατροπέα τροφοδότησης στην πλευρά του πρωτεύοντος και είναι ανεξάρτητο από τον ενσωματωμένο στο όχημα φορτιστή (εάν είναι τοπολογία ενός σταδίου ή δύο σταδίων, τον βρόχο ελέγχου του κ.α.). Σε αυτό το πλαίσιο, προτάθηκε ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης (χωρίς την απαίτηση επικοινωνίας σε πραγματικό χρόνο) για την εύρεση της βέλτιστης εμπέδησης του φορτίου, λαμβάνοντας υπόψιν τις συνθήκες αστοχίας ευθυγράμμισης. Σημαντικό τμήμα της παρούσας διατριβής αποτελεί και η πρόταση υλοποίησης της απαραίτητης επικοινωνίας μεταξύ των πλευρών του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος με την τεχνολογία του Internet of Things (IoT). Τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας αυτής είναι η ευελιξία, το χαμηλό κόστος και η γενικού σκοπού λύση, αποφεύγοντας παράλληλα τα προβλήματα συμβατότητας που αντιμετωπίζουν τα συστήματα ασύρματης ζεύξης που βασίζονται σε κεραίες. Παράλληλα, παρουσιάστηκαν συγκριτικά τα επιθυμητά χαρακτηριστικά των σχημάτων μεγιστοποίησης του βαθμού απόδοσης σε ασύρματους φορτιστές ηλεκτρικών οχημάτων, τα οποία έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία, αναδεικνύοντας τη συμβολή της παρούσας διδακτορικής διατριβής στο συγκεκριμένο ερευνητικό ερώτημα.Στο επόμενο βήμα, αντικείμενο μελέτης αποτέλεσε η ευστάθεια του ιεραρχικού ελέγχου σε ένα οικιακό μικροδίκτυο ΣΤ. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η επίδραση που έχουν τα φορτία σταθερής ισχύος, οι εμπεδήσεις των γραμμών μεταφοράς, οι χρονικές καθυστερήσεις λόγω επικοινωνίας στη μετάδοση των γειτονικών πληροφοριών, καθώς και άλλες παράμετροι του συστήματος. Η μελέτη ανέδειξε ένα βέλτιστο σχήμα δευτερεύοντος κατανεμημένου ελέγχου, ο οποίος επιτυγχάνει αποκατάσταση της τάσης στον ζυγό και αναλογικό διαμοιρασμό του φορτίου. Το πλεονέκτημά του έναντι άλλων σχημάτων κατανεμημένου ελέγχου είναι ότι τυχόν χρονικές καθυστερήσεις λόγω επικοινωνίας δεν οδηγούν σε αστάθεια στον ζυγό τάσης. Επιπρόσθετα, διερευνήθηκε η ενσωμάτωση ενός συστήματος ΑΜΙ στο οικιακό μικροδίκτυο ως ασύρματος φορτιστής ηλεκτρικού οχήματος με δυνατότητα αμφίδρομης ροής της ισχύος. Αντικείμενο μελέτης αποτέλεσε η επίδραση του συστήματος ΑΜΙ στην ευστάθεια του μικροδικτύου τόσο ως φορτίο σταθερής ισχύος, όσο και ως πηγή σταθερής ισχύος. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης λύσης αξιολογήθηκε και επιβεβαιώθηκε μέσω αποτελεσμάτων προσομοίωσης. Από αυτά τα αποτελέσματα συνάγεται το σημαντικό συμπέρασμα ότι η προτεινόμενη λύση συμβάλλει ουσιαστικά στην ευστάθεια του μικροδικτύου ΣΤ.Κλείνοντας, αξίζει να σημειωθεί ότι τα συμπεράσματα και τα θεωρητικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω προσομοιώσεων και πειραματικών αποτελεσμάτων επί εργαστηριακών πρωτοτύπων, τα οποία κατασκευάστηκαν για τον σκοπό αυτόν.