Enhanced design of DC microgrids for more electric transportation means

Abstract

Greenhouse gas (GHG) emissions from the transportation sector are one of the main contributors to climate change. The electrification of aircraft and road vehicles provides an effective means to mitigate this impact by improving the energy efficiency of air and land mobility. In aviation, the transition toward the More Electric Aircraft (MEA) concept—where mechanical, hydraulic, and pneumatic subsystems are replaced by power electronic solutions—enhances energy efficiency and system reliability, while it reduces fuel consumption. In parallel, electric vehicles (EVs), including passenger cars and heavy-duty vehicles (buses and trucks), achieve substantially higher efficiency across the energy conversion chain, than internal combustion engine (ICE) vehicles, resulting in lower GHG emissions and reduced operating costs.The advancements of MEA and EV technologies rely heavily on the progress in power electronics systems, as increasingly higher power levels must be processed on-board within strict limits of size, weight, and thermal handling. Consequently, only converter topologies with ultra-high efficiency and power density can meet the stringent requirements of these industries. In this context, wide bandgap (WBG) semiconductor devices have emerged as key enablers of this technological shift. Their ability to operate at higher switching frequencies allows the downsizing of filter components, while maintaining manageable cooling needs and enabling scalability and fault tolerance. WBG-based power converters form the backbone of the power distribution networks, i.e., microgrids (MGs) in MEA and EV systems. Modern transportation MGs increasingly incorporate diverse energy generation and storage sources, as well as new types of electronic loads such as pulsed-power, constant-power. As a result, advanced MG architectures and cooperative energy management strategies are essential for achieving high efficiency, power quality, safety, and reliability.Since most on-board loads and subsystems feature inherently DC operation, hybrid MG structures comprising both DC and AC buses are gaining traction, with purely DC architectures regarded as the most promising for future MEA and EV platforms. The rapid progress in electrified transportation also drives the modernization of on-board power generation, conversion, and distribution systems Simultaneously, it encourages the development of upgraded charging infrastructures that integrate renewable energy sources (RES) and energy storage systems (ESSs), supporting bidirectional power flow, energy recovery, and vehicle-to-grid (V2G) operation. Such advancements contribute to enhanced grid flexibility and resilience, with optima utilization of renewable energy.In this light, the primary objective of this dissertation is to advance transportation electrification through the optimal design of power electronic systems and the development of suitable architectures for power quality enhancement and effective energy management. The work focuses on reducing energy consumption and fossil fuel use in MEA and EV applications by adopting high-efficiency, high-power-density converter topologies and exploiting the renewable energy potential available in transportation environments. Within this framework, the dissertation proposes an innovative and optimal design for a power conditioning system intended for on-board DC MGs. The system includes a fast-response supercapacitor (SC) bank and a bidirectional DC-DC converter, capable of integrating the SCs into the DC bus. This power conditioner effectively compensates for DC bus voltage transients, such as sags, swells, pulsed-load events, and engine-related disturbances, thus supporting high power quality and reliable MG performance. The proposed design provides two major enhancements. First, an effective control loop based on the peak current control (PCC) method is combined with a detailed converter average model, to improve the dynamic response. Second, the converter gravimetric power density is improved through an innovative inductor design. A comprehensive sensitivity analysis identifies the significant influence of inductor resistance on the control loop control performance. Based on this insight, a multi-objective optimization is conducted across a wide dataset of E-shape ferrite cores, targeting minimized resistance while maintaining acceptable power density. The resulting Pareto front highlights the inherent trade-offs and limitations. Extensive simulations confirm the findings of the sensitivity analysis, whereas the proposed controller is experimentally validated on a developed hardware prototype.Building upon those results, the study explores an expanded configuration; a series-stacked modular bidirectional DC-DC converter, derived from the bidirectional buck-boost topology, enhanced with phase-shifted pulse-width modulation (PWM). This modular approach enables a compact, lightweight, and fault-tolerant design, reduces voltage stress on semiconductor devices, and allows the use of low-voltage SC cells or modules. Phase-shifted PWM achieves a virtual increase in switching frequency without raising switching losses, thereby reducing the output current ripple and minimizing the need for bulky low-pass filters. Simulation results across various operating scenarios demonstrate improved performance, dynamic behavior, and fault tolerance. Next, the focus of the thesis if shifted to road transportation, which remains a major source of air pollution in densely populated urban areas. A detailed literature review is performed to identify state-of-the-art technologies, performance indicators, and design criteria for environmentally friendly urban transport, particularly thermal city-buses. Replacing ICEs with electric propulsion systems and hybridizing buses using ESSs are highly effective measures for reducing fuel consumption and CO2 emissions. Significant advancements have also been achieved in on-board renewable harvesting, regenerative braking, and other energy saving mechanisms. A key topic investigated is Vehicle Integrated and Applied Photovoltaics (VIAPVs), which offer attractive opportunities for city-buses due to their large rooftop area and high solar energy potential. The energy yield of VIAPVs is heavily dependent on the bus route, shading conditions, traffic patterns, and the Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm used. Four commercial MPPT algorithms are experimentally evaluated through emulation, under realistic driving scenarios, revealing substantial differences in performance between terrestrial PV systems and mobile VIAPV applications. The findings highlight the critical importance of MPPT optimization in transportation environments.Although the aforementioned PV integration offers clear environmental and energy saving benefits, it presents challenges for the PV interfacing converter, particularly regarding MPPT under partial shading and dynamic operating conditions. To address those issues, the research work investigates PV cell-level inverters, which have recently gained attention due to their ability to minimize mismatch losses caused by partial shading, degradation, and cell-to-cell variations. Each solar cell is interfaced with a dual-stage power converter (step-up DC-DC and H-bridge DC-AC), while the inverters are connected in a cascaded H-bridge (CHB) configuration. This system can operate in standalone mode, supplying the MG buses, or in grid-tied mode, enabling V2G operation during off-duty hours. The study develops a fully decentralized control scheme for grid-connected CHB PV cell-level inverters. The proposed approach eliminates communication needs between cell controllers and central units, whereas the control concept for grid-tied operation is analytically formulated, identifying challenges in synchronization, power regulation, and cell adjustment. Two alternative schemes are investigated; (a) Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM)-based control, evaluated in active power maximization, reactive power regulation, and reactive power minimization configurations, and (b) a multilevel-based self-synchronized/self-adjusted scheme that reduces switching losses and supports power line communication, albeit with power curtailment at cell level. Experimental results on a laboratory prototype validate the practical feasibility, as well as the advantages, and limitations of both approaches. Finally, it is worth noting that the theoretical investigation and mathematical modeling of the proposed MEA and EV power conversion systems are supported through comprehensive co-simulation using MATLAB/Simulink (for control design) and PLECS (for high-fidelity power-stage modeling) simulation platforms. Furthermore, the functionality and performance of the converters and control strategies are experimentally validated using laboratory-scale hardware prototypes and microcontroller units.

Οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου από τον τομέα των μεταφορών αποτελούν έναν από τους βασικούς παράγοντες που συμβάλλουν στην κλιματική αλλαγή. Ο σταδιακός εξηλεκτρισμός των αεροσκαφών και των οχημάτων οδικής μεταφοράς αποτελεί έναν ιδιαίτερα αποτελεσματικό τρόπο περιορισμού αυτού του φαινομένου, καθώς βελτιώνει σημαντικά τον βαθμό απόδοσης τόσο των εναέριων, όσο και των επίγειων μέσων μεταφοράς. Στον κλάδο της αεροναυπηγικής, η μετάβαση στη φιλοσοφία του εξηλεκτρισμένου αεροσκάφους—όπου τα μηχανικά, υδραυλικά και πνευματικά συστήματα αντικαθίστανται από αντίστοιχα υποσυστήματα που βασίζονται σε ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος—οδηγεί σε αύξηση της συνολικής ενεργειακής απόδοσης, σε υψηλότερη αξιοπιστία και σε αισθητή μείωση της κατανάλωσης καυσίμου. Παράλληλα, τα ηλεκτρικά οχήματα, είτε πρόκειται για επιβατικά αυτοκίνητα είτε για βαρέα οχήματα όπως λεωφορεία και φορτηγά, επιτυγχάνουν σημαντικά υψηλότερη απόδοση σε ολόκληρη την αλυσίδα μετατροπής ενέργειας, συγκριτικά με τα συμβατικά οχήματα με μηχανές εσωτερικής καύσης (ICE), με αποτέλεσμα τη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, καθώς και του λειτουργικού κόστους. Η ανάπτυξη των τεχνολογιών των εξηλεκτρισμένων αεροσκαφών και των ηλεκτρικών οχημάτων είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την πρόοδο στον τομέα των ηλεκτρονικών ισχύος, καθώς ολοένα και μεγαλύτερα επίπεδα ισχύος πρέπει να μετατραπούν επί του οχήματος υπό αυστηρούς περιορισμούς μάζας, όγκου και θερμικής διαχείρισης. Για τον λόγο αυτό, μόνο τοπολογίες μετατροπέων με εξαιρετικά υψηλή απόδοση και πυκνότητα ισχύος είναι σε θέση να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις των συγκεκριμένων βιομηχανικών κλάδων. Στο πλαίσιο αυτό, οι ημιαγωγοί ευρέος ενεργειακού χάσματος διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο. Η δυνατότητά τους να λειτουργούν σε υψηλές διακοπτικές συχνότητες καθιστά δυνατή τη σημαντική μείωση του όγκου φίλτρων, χωρίς αύξηση των θερμικών απαιτήσεων, ενώ παράλληλα επιτρέπουν ευκολότερη διαστασιολόγηση των συστημάτων ψύξης και χαρακτηρίζονται από αυξημένη ανοχή σε σφάλματα. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος που βασίζονται σε τέτοιους ημιαγωγούς αποτελούν τον πυρήνα των μικροδικτύων διανομής ισχύος στα σημερινά εξηλεκτρισμένα μέσα μεταφοράς. Τα σύγχρονα μικροδίκτυα ενσωματώνουν μεγάλο εύρος μονάδων παραγωγής ενέργειας, υβριδικών συστημάτων αποθήκευσης και ηλεκτρονικά ελεγχόμενων φορτίων με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά (δυναμικά και μη γραμμικά), γεγονός που απαιτεί περισσότερο εξελιγμένες αρχιτεκτονικές και συνεργατικά συστήματα ενεργειακής διαχείρισης, ώστε να διασφαλίζονται υψηλή απόδοση, ποιότητα ισχύος, ασφάλεια και αξιοπιστία. Δεδομένου ότι η πλειονότητα των επιμέρους συστημάτων και φορτίων λειτουργεί εγγενώς με συνεχή τάση, οι υβριδικές αρχιτεκτονικές μικροδικτύων που συνδυάζουν ζυγούς τόσο συνεχούς, όσο και εναλλασσόμενης τάσης κερδίζουν συνεχώς έδαφος, ενώ οι αρχιτεκτονικές αμιγώς συνεχούς τάσης θεωρούνται ιδιαίτερα υποσχόμενες για μελλοντικές εφαρμογές εξηλεκτρισμένων μέσων μεταφοράς. Επίσης, η ταχεία εξέλιξη της ηλεκτροκίνησης επιβάλλει τον εκσυγχρονισμό των συστημάτων παραγωγής, μετατροπής και διανομής ισχύος των οχημάτων, ενώ παράλληλα, ενισχύει την ανάγκη δημιουργίας προηγμένων υποδομών φόρτισης που ενσωματώνουν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και συστήματα αποθήκευσης, επιτρέποντας αμφίδρομη ροή ισχύος, δυνατότητες ανάκτηση ενέργειας, καθώς και τη λειτουργία Vehicle-to-Grid. Οι τεχνολογίες αυτές ενισχύουν την ευελιξία, την προσαρμοστικότητα και την ανθεκτικότητα του ηλεκτρικού δικτύου, επιτρέποντας ταυτόχρονα τη βέλτιστη αξιοποίηση των ανανεώσιμων πόρων. Υπό αυτό το πρίσμα, ο κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η συμβολή στην πρόοδο του εξηλεκτρισμού των μέσων μεταφοράς μέσω του βέλτιστου σχεδιασμού ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και της ανάπτυξης κατάλληλων στρατηγικών ελέγχου που ενισχύουν την ποιότητα ισχύος και βελτιώνουν την ενεργειακή διαχείριση. Η έρευνα επικεντρώνεται στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και της χρήσης ορυκτών καυσίμων σε εφαρμογές εξηλεκτρισμένων αεροσκαφών και ηλεκτρικών οχημάτων, χρησιμοποιώντας μετατροπείς υψηλής απόδοσης και πυκνότητας ισχύος, καθώς και μέσω της αξιοποίησης του διαθέσιμου δυναμικού ανανεώσιμης ενέργειας στα μέσα μεταφοράς. Στο πλαίσιο αυτό προτείνεται ένα καινοτόμο σύστημα διασφάλισης υψηλής ποιότητας ισχύος κατάλληλο για ενσωμάτωση στους ζυγούς συνεχούς τάσης των μικροδικτύων, το οποίο αποτελείται από μία συστοιχία υπερπυκνωτών και έναν δικατευθυντήριο μετατροπέα ισχύος. Το σύστημα αυτό αντισταθμίζει αποτελεσματικά τα μεταβατικά φαινόμενα της τάσης του ζυγού, π.χ. βυθίσεις, υπερτάσεις, δυναμικές καταστάσεις λόγω παλμικών φορτία ή εκκαθαρίσεων σφαλμάτων, εξασφαλίζοντας έτσι υψηλή ποιότητα ισχύος και αξιόπιστη λειτουργία του μικροδικτύου. Η προτεινόμενη λύση χαρακτηρίζεται από δύο σημαντικές βελτιώσεις. Πρώτον, χρησιμοποιείται ένας βελτιωμένος βρόχος ελέγχου βασισμένος στη μέθοδο ελέγχου μέγιστου ρεύματος, σε συνδυασμό με ένα λεπτομερές μέσο μέσης τιμής του μετατροπέα, επιτυγχάνοντας ταχεία και ακριβή δυναμική απόκριση. Δεύτερον, βελτιώνεται η πυκνότητα ισχύος του συστήματος μέσω της ανάπτυξης μίας μεθόδου βέλτιστου σχεδιασμού του πηνίου του μετατροπέα. Η ενδελεχής ανάλυση ευαισθησίας των παραμέτρων καταδεικνύει τη σημαντική επίδραση της ωμικής αντίστασης του πηνίου στην απόκριση του βρόχου ελέγχου. Με βάση το συμπέρασμα αυτό, πραγματοποιείται μία πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση για ένα ευρύ σύνολο πυρήνων φερρίτη, τύπου «Ε», προκειμένου να επιτευχθεί ελαχιστοποίηση της αντίστασης του πηνίου, χωρίς να υποβαθμίζεται η πυκνότητα ισχύος. Το αντίστοιχο σύνολο Pareto αναδεικνύει τα όρια και τους συμβιβασμούς μεταξύ των δύο κρίσιμων παραμέτρων του σχεδιασμού. Τα συμπεράσματα του σχεδιασμού επιβεβαιώνονται μέσω εκτεταμένων προσομοιώσεων, ενώ η αποτελεσματική λειτουργία του προτεινόμενου σχήματος ελέγχου επαληθεύεται πειραματικά σε εργαστηριακό πρωτότυπο. Στη συνέχεια, η μελέτη επεκτείνεται σε μια αρθρωτή (modular) αρχιτεκτονική, με δικατευθυντήριους μετατροπείς ισχύος εν σειρά διασυνδεδεμένους στην έξοδο (series-stacked). Η προσέγγιση αυτή βασίζεται στην τοπολογία του αμφίδρομου μετατροπέα ανύψωσης / υποβιβασμού συνεχούς τάσης, με παλμοδότηση μετατόπισης φάσης (phase-shifted) και οδηγεί στον σχεδιασμό ενός περισσότερο συμπαγούς συστήματος, με μειωμένο βάρος, αυξημένη ανοχή σε σφάλματα και μειωμένη ηλεκτρική καταπόνηση για τους ημιαγωγικούς διακόπτες. Παράλληλα δε επιτρέπει τη χρήση μονάδων υπερπυκνωτών χαμηλότερων ονομαστικών τάσεων, ενώ μέσω της συγκεκριμένης μεθόδου διαμόρφωσης των παλμών οδήγησης επιτυγχάνει ο πολλαπλασιασμός της διακοπτικής συχνότητας, με εικονικό τρόπο, χωρίς αυτό να συνεπάγεται αύξηση των απωλειών, μειώνοντας έτσι τη διακύμανση του ρεύματος εξόδου και περιορίζοντας τις απαιτήσεις σε φίλτρα. Αποτελέσματα προσομοιώσεων για διάφορα σενάρια λειτουργίας επιβεβαιώνουν τον βελτιωμένο βαθμό απόδοσης, την αυξημένη αξιοπιστία και πυκνότητα ισχύος, καθώς και την ανοχή σε σφάλματα. Στη δεύτερη θεματική ενότητα της διατριβής, η έρευνα στρέφεται στις οδικές μεταφορές, οι οποίες παραμένουν μία βασική πηγή ατμοσφαιρικής ρύπανσης στα αστικά κέντρα. Πραγματοποιείται εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση για τον εντοπισμό προηγμένων τεχνολογιών, δεικτών απόδοσης και κριτηρίων σχεδιασμού για φιλικά προς το περιβάλλον μέσα μεταφοράς, με έμφαση στην υβριδοποίηση των θερμικών αστικών λεωφορείων. Η αντικατάσταση των κινητήρων εσωτερικής καύσης από συστήματα ηλεκτροκίνησης και η υβριδοποίηση με συστήματα αποθήκευσης ενέργειας έχουν αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματικές μέθοδοι για τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και των εκπομπών CO₂. Παράλληλα, έχουν σημειωθεί σημαντικές εξελίξεις στην αξιοποίηση ανανεώσιμων πηγών επί των οχημάτων, στην τεχνολογία της αναγεννητικής πέδησης και σε άλλους μηχανισμούς ανάκτησης και εξοικονόμησης ενέργειας. Κεντρικό αντικείμενο της μελέτης αποτελεί η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών συστημάτων που ενσωματώνονται στα μέσα μεταφοράς, η οποία παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τα αστικά λεωφορεία λόγω των μεγάλων διαθέσιμων επιφανειών. Η ενεργειακή απόδοση των φωτοβολταϊκών αυτών συστημάτων εξαρτάται έντονα από τις συνθήκες σκίασης, τη μορφολογία της διαδρομής, τις κυκλοφοριακές συνθήκες (ταχύτητα κίνησης), καθώς και τον χρησιμοποιούμενο αλγόριθμο ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος. Τέσσερις εμπορικά διαθέσιμοι αλγόριθμοι αξιολογούνται πειραματικά μέσω εξομοίωσης υπό ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας, αναδεικνύοντας σημαντικές αποκλίσεις στη συνολική ποσότητα της συλλεγόμενης ενέργειας, σε σχέση με τα επίγεια φωτοβολταϊκά συστήματα, υπογραμμίζοντας την ανάγκη βελτιστοποίησης των στρατηγικών ενεργειακής διαχείρισης στα μέσα μεταφοράς σε αστικό περιβάλλον. Παρότι η ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών συστημάτων προσφέρει σημαντικά περιβαλλοντικά και ενεργειακά οφέλη, δημιουργεί ταυτόχρονα απαιτήσεις για τον μετατροπέα διασύνδεσης, ιδιαίτερα όσον αφορά τη λειτουργία στο σημείο μέγιστης ισχύος, υπό μερική σκίαση και δυναμικά μεταβαλλόμενες συνθήκες. Για τον σκοπό αυτό, η εργασία εξετάζει τη χρήση αντιστροφέων σε επίπεδο φωτοβολταϊκού στοιχείου (PV cell-level inverters), οι οποίοι έχουν προσελκύσει σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον χάρη στη δυνατότητά τους να μειώνουν τις απώλειες που οφείλονται σε μερική σκίαση, υποβάθμιση λόγω γήρανσης και διαφοροποιήσεις μεταξύ των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Έτσι, κάθε στοιχείο συνδέεται σε έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος δύο σταδίων (ανύψωσης συνεχούς τάσης και αντιστροφέα πλήρους γέφυρας), ενώ η έξοδος κάθε μετατροπέα συνδέεται σε σειρά με την έξοδο του επόμενου (cascaded). Το σύστημα μπορεί να λειτουργήσει είτε αυτόνομα, τροφοδοτώντας τα φορτία του μικροδικτύου (συνεχούς ή εναλλασσόμενης τάσης), ή σε διασυνδεδεμένη λειτουργία με το δίκτυο, ανταλλάσσοντας ενέργεια και παρέχοντας επικουρικές υπηρεσίες. Στην παρούσα διατριβή προτείνεται μία πλήρως αποκεντρωμένη στρατηγική ελέγχου για τη διασυνδεδεμένη λειτουργία, η οποία εξαλείφει την ανάγκη επικοινωνίας μεταξύ των επιμέρους ελεγκτών σε κάθε αντιστροφέα φωτοβολταϊκού στοιχείου ή με τον κεντρικό ελεγκτή. Το σχήμα ελέγχου αναλύεται θεωρητικά, αναδεικνύοντας ζητήματα συγχρονισμού, ρύθμισης ισχύος και προσαρμογής μεταξύ των αντιστροφέων. Εξετάζονται δύο εναλλακτικές προσεγγίσεις: (α) μέθοδος ελέγχου βασισμένη στην ημιτονοειδή διαμόρφωση του εύρους των παλμών με τρεις διαφορετικές παραλλαγές για μεγιστοποίηση ενεργού ισχύος, ρύθμιση αέργου ισχύος και ελαχιστοποίηση αέργου ισχύος και (β) μέθοδος ελέγχου βασισμένη σε μία πολυεπίπεδη (multilevel) προσέγγιση με αυτόματο συγχρονισμό και προσαρμογή μεταξύ των αντιστροφέων, μειωμένες διακοπτικές απώλειες και υποστήριξη της επικοινωνίας μέσω των γραμμών ισχύος. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την πρακτική εφαρμογή και την αποτελεσματική λειτουργία των προτεινόμενων σχημάτων ελέγχου, ενώ παράλληλα αναδεικνύουν τα πλεονεκτήματα και τις προκλήσεις της κάθε προσέγγισης. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι η θεωρητική διερεύνηση και η μαθηματική μοντελοποίηση των προτεινόμενων συστημάτων ηλεκτρονικών ισχύος για εφαρμογές εξηλεκτρισμένων μέσων μεταφοράς, υποστηρίζεται από υποστηρίζονται από συν-προσομοίωση στις πλατφόρμες MATLAB/Simulink (υλοποίηση των σχημάτων ελέγχου) και PLECS (υλοποίηση των βαθμίδων ισχύος, με ρεαλιστικά μοντέλα ημιαγωγικών διακοπτών και παθητικών στοιχείων). Επιπλέον, η ορθή και αποδοτική λειτουργία των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και των στρατηγικών ελέγχου που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής επαληθεύονται πειραματικά μέσω πρωτοτύπων εργαστηριακής κλίμακας, τα οποία ελέγχονται ψηφιακά με τη χρήση μικροελεγκτών.