Massive Parallel Current Power Amplifier Concept for Power Hardware in the Loop Applications

The development of the smartgrid increases the complexity of the current electric grid. To verify and validate the operation of the systems involved in it, Power Hardware-In-theLoop (PHIL) technique allows to test the complete system in an exhaustive way. But the reduced bandwidth of the overall test system can cause inaccuracies and instabilities, which can be harmful for the Hardware Under Test (HUT) or the people who are performing the test. To increase PHIL performance and tackle these problems, this paper proposes a new concept of high bandwidth current amplifier. It is based on a topology of massive parallel interleaved buck-boost converter, which distribute in an equal manner the total current in all the branches. This current reduction allows to use transistors with better switching behaviour, which increase the bandwidth of the converter. Furthermore, a Discontinuous Conduction Mode (DCM) is used, obtaining the nominal output current in only one switching cycle. Description of the concept and the design parameters are provided. Finally, the behaviour of the proposed Power Amplifier (PA) at high frequency setpoint currents is shown in a Matlab/Simulink simulation. © 2022, European Association for the Development of Renewable Energy, Environment and Power Quality (EA4EPQ). All rights reserved

A high-speed microturbine PMA-SYnRg emulation using power hardware-in-the-loop for wind energy conversion systems

In this paper, a high-speed microturbine (MT) permanent magnet assisted synchronous reluctance generator (PMa-SynRG) real-time emulation based on linear impedance regulator (LIR) using power hardware-in-the-loop (PHIL) for wind energy generation tests is presented. The LIR is designed without any feedback control loop for reshaping the s-domain performances of the current filter along with the converter inside the PMa-SynRG emulated system. The PHIL platform not only provides a method for eliminating the high cost of using real renewable energy hardware but also it enables the developers to create new, rapid, and reliable controllers for renewable energy testing. This platform can be used in investigating the performance of energy system under various conditions even if the generator prototype is not yet developed or unavailable. PMa-SynRG mathematical model is emulated in the real-time using PHIL platform while the output voltage of the proposed emulator imitates the generated voltage through the simulated model. In addition, a voltage source converter is employed as a voltage amplifier for imitating the PMa-SynRG performance when supplying nonlinear/linear loads. In this paper, the proportional-integral resonant (PIR) controller is utilized at the voltage control loop for tracking the distorted output reference signal voltage. In order to investigate the performance of the proposed PMa-SynRG emulator, it has been simulated and compared with MATLAB/SIMULINK environment

Interface compensation for more accurate power transfer and signal synchronization within power hardware-in-the-loop simulation

Power hardware-in-the-loop (PHIL) simulation leverages the real-time emulation of a large-scale complex power system, while also enabling the in-depth investigation of novel actual power components and their interactions with the emulated power grid. The dynamics and non-ideal characteristics (e.g., time delay, non-unity gain, and limited bandwidth) of the power interface result in stability and accuracy issues within the PHIL closed-loop simulations. In this paper, a compensation method is proposed to compensate for the non-ideal power interface by maximizing its bandwidth, maintaining its unity-gain characteristic, and compensating for its phase-shift over the frequencies of interest. The accuracy of power signals synchronization and the transparency of power transfer within the PHIL configuration are assessed by employing the error metrics. In conjunction with the frequency-domain stability analysis and the time-domain simulations, a case study is made to validate the proposed compensation method

Advancements in Real-Time Simulation of Power and Energy Systems

Modern power and energy systems are characterized by the wide integration of distributed generation, storage and electric vehicles, adoption of ICT solutions, and interconnection of different energy carriers and consumer engagement, posing new challenges and creating new opportunities. Advanced testing and validation methods are needed to efficiently validate power equipment and controls in the contemporary complex environment and support the transition to a cleaner and sustainable energy system. Real-time hardware-in-the-loop (HIL) simulation has proven to be an effective method for validating and de-risking power system equipment in highly realistic, flexible, and repeatable conditions. Controller hardware-in-the-loop (CHIL) and power hardware-in-the-loop (PHIL) are the two main HIL simulation methods used in industry and academia that contribute to system-level testing enhancement by exploiting the flexibility of digital simulations in testing actual controllers and power equipment. This book addresses recent advances in real-time HIL simulation in several domains (also in new and promising areas), including technique improvements to promote its wider use. It is composed of 14 papers dealing with advances in HIL testing of power electronic converters, power system protection, modeling for real-time digital simulation, co-simulation, geographically distributed HIL, and multiphysics HIL, among other topics

Hydrodynamics-Biology Coupling for Algae Culture and Biofuel Production

International audienceBiofuel production from microalgae represents an acute optimization problem for industry. There is a wide range of parameters that must be taken into account in the development of this technology. Here, mathematical modelling has a vital role to play. The potential of microalgae as a source of biofuel and as a technological solution for CO2 fixation is the subject of intense academic and industrial research. Large-scale production of microalgae has potential for biofuel applications owing to the high productivity that can be attained in high-rate raceway ponds. We show, through 3D numerical simulations, that our approach is capable of discriminating between situations where the paddle wheel is rapidly moving water or slowly agitating the process. Moreover, the simulated velocity fields can provide lagrangian trajectories of the algae. The resulting light pattern to which each cell is submitted when travelling from light (surface) to dark (bottom) can then be derived. It will then be reproduced in lab experiments to study photosynthesis under realistic light patterns

Integration of Flywheel Energy Storage Systems in Low Voltage Distribution Grids

Mit dem Ziel, den Stromsektor zu dekarbonisieren und dem Klimawandel zu begegnen, steigt der Anteil erneuerbarer Energieressourcen in den Energiesystemen rund um den Globus kontinuierlich an. Aufgrund des intermittierenden Charakters dieser Ressourcen kann die Aufrechterhaltung des momentanen Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch und damit der Netzfrequenz ohne angemessene Maßnahmen jedoch eine Herausforderung darstellen. Da erneuerbare Energiequellen mit Umrichterschnittstellen dem System selbst keine Trägheit verleihen, nimmt gleichzeitig die kumulative Systemträgheit ab, was zu schnelleren Änderungen der Netzfrequenz und Bedenken hinsichtlich der Netzstabilität führt. Ein Schwungrad-Energiespeichersystem (Flywheel Energy Storage System, FESS) kann schnell große Leistungsmengen einspeisen oder aufnehmen, um das Netz nach einer abrupten Änderung der Erzeugung oder des Verbrauchs zu unterstützen. Neben der schnellen Reaktionszeit hat ein FESS den Vorteil einer hohen Leistungsdichte und einer großen Anzahl von Lade- und Entladezyklen ohne Kapazitätsverlust während seiner gesamten Lebensdauer. Diese Eigenschaften machen das FESS zu einem gut geeigneten Kandidaten für die Frequenzstabilisierung des Netzes oder die Glättung kurzfristiger Leistungsschwankungen auf lokaler Ebene. In dieser Dissertation wird die Netzintegration eines Hochgeschwindigkeits-FESS auf der Niederspannungsebene aus mehreren Perspektiven untersucht. Zunächst wird das Problem der Platzierung und Dimensionierung eines FESS in Niederspannungsverteilnetzen für Leistungsglättungsanwendungen behandelt. Um den am besten geeigneten Standort für ein FESS zu finden, wird eine datengetriebene Methode zur Abschätzung der relativen Spannungsempfindlichkeit vorgestellt, die auf dem Konzept der Transinformation basiert. Der Hauptvorteil der vorgeschlagenen Methode besteht darin, dass sie kein Netzmodell erfordert und nur Messwerte an den interessierenden Punkten verwendet. Messergebnisse aus einem realen Netz in Süddeutschland zeigen, dass mit dem vorgeschlagenen Ansatz die Netzanschlusspunkte mit einer höheren Spannungsempfindlichkeit gegenüber Wirkleistungsänderungen, welche am meisten von einem durch FESS ermöglichten, glatteren Leistungsprofil profitieren können, erfolgreich zugeordnet werden können. Darüber hinaus wird eine neue Methode zur Dimensionierung von Energiespeichersystemen unter Verwendung von Messdaten eingeführt. Der vorgeschlagene Ansatz erkennt wiederkehrende Verbrauchsmuster in aufgezeichneten Leistungsprofilen mit Hilfe des "Motif Discovery"-Algorithmus, die dann zur Dimensionierung verschiedener Speichertechnologien, einschließlich eines FESS, verwendet werden. Anhand von gesammelten Messdaten aus mehreren Niederspannungsnetzen in Deutschland wird gezeigt, dass die Speichersysteme mit den aus den detektierten Mustern abgeleiteten Charakteristika während der gesamten Messperiode effektiv für ihre Anwendungen genutzt werden können. Als nächstes wurde ein dynamisches Modell eines Hochgeschwindigkeits-FESS entwickelt und mit experimentellen Ergebnissen in mehreren Szenarien, unter Berücksichtigung der Verluste und des Hilfsenergiebedarfs des Systems, validiert. In den untersuchten Szenarien wurde eine maximale Differenz von nur 0,8 % zwischen dem Ladezustand des Modells und dem realen FESS beobachtet, was die Genauigkeit des entwickelten Modells beschreibt. Nach Festlegung des erforderlichen Aufbaus wurde die Leistungsfähigkeit eines 60 kW Hochgeschwindigkeits-FESS während mehrerer Frequenzabweichungsszenarien mit Hilfe von Power Hardware-in-the-Loop-Tests beurteilt. Die Ergebnisse der PHIL-Tests zeigen, dass das Hochgeschwindigkeits-FESS sehr schnell nach einer plötzlichen Frequenzabweichung reagiert und in knapp 60 ms die erforderliche Leistung erreicht, wobei die neuesten Anforderungen der Anwendungsregeln für die Frequenzunterstützung auf der Niederspannungsebene erfüllt werden. Um schließlich die Vorteile des schnellen Verhaltens des FESS für Energiesysteme mit geringer Trägheit zu demonstrieren, wurde ein neuartiger adaptiver Trägheits-Emulationsregler für das Hochgeschwindigkeits-FESS eingeführt und seine Leistung in einem Microgrid mit geringer Trägheit durch Simulationen und Experimente validiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Verwendung des FESS mit dem vorgeschlagenen Trägheits-Emulationsregler die maximale Änderungsrate der Frequenz um 28 % und die maximale Frequenzabweichung um 44 % während der Inselbildung des untersuchten Microgrid reduzieren kann und mehrere zuvor vorgestellte adaptive Regelungskonzepte übertrifft. Der vorgeschlagene Regler wurde auch auf einem realen 60 kW FESS mit dem Konzept des Rapid Control Prototyping implementiert, und die Leistungsfähigkeit des FESS mit dem neuen Regelungsentwurf wurde mit Hilfe von PHIL-Tests des FESS validiert. Die PHIL-Ergebnisse, die die allererste experimentelle Validierung der Trägheitsemulation mit einem FESS darstellen, bestätigen die Simulationsergebnisse und zeigen die Vorteile des vorgeschlagenen Reglers

Integration of Flywheel Energy Storage Systems in Low Voltage Distribution Grids

A Flywheel Energy Storage System (FESS) can rapidly inject or absorb high amounts of active power in order to support the grid, following abrupt changes in the generation or in the demand, with no concern over its lifetime. The work presented in this book studies the grid integration of a high-speed FESS in low voltage distribution grids from several perspectives, including optimal allocation, sizing, modeling, real-time simulation, and Power Hardware-in-the-Loop testing

Integration of Flywheel Energy Storage Systems in Low Voltage Distribution Grids

A Flywheel Energy Storage System (FESS) can rapidly inject or absorb high amounts of active power in order to support the grid, following abrupt changes in the generation or in the demand, with no concern over its lifetime. The work presented in this book studies the grid integration of a high-speed FESS in low voltage distribution grids from several perspectives, including optimal allocation, sizing, modeling, real-time simulation, and Power Hardware-in-the-Loop testing

Digital-Based Analog Processing in Nanoscale CMOS ICs for IoT Applications

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Enhancement of Controllability in Distribution Grid by Means of Power Electronics Components based Distributed and Centralized Solutions

The contemporary distribution grid is undergoing evolutions for the increased penetration of distributed generation and new types loads. Innovative operation schemes and components should be adopted to cope with the emerging grid issues. Exploiting power electronics (PE) components, operation approaches can address the issues. In this thesis, fast charging station (FCS), energy storage static synchronous compensator (ES-STATCOM), and smart transformer (ST), have been analyzed in the development of solutions to enhance grid controllability. A load-leveling approach has been proposed, using reactive power from the spare capacity of the FCSs, to regulate the grid voltage, eventually to shape the power demand of voltage-sensitive loads, tracking the demand forecast, reducing the mismatch, and keeping a satisfactory charging. This approach is a distributed solution since it coordinates the actuators spread geographically in the grid. A PE based approach employing voltage-correlation coefficients has been proposed to cope with voltage violation. For PE components such as ES-STATCOM and ST, the applied correlation coefficients must be adapted accordingly. Corresponding voltage regulation schemes have been developed. The analysis has illustrated the effectiveness of the proposed schemes and distinguished some significant differences between ES-STATCOMs and STs. The meshed grid configuration can offer more flexibility respecting the radial grid configuration. This work has proposed an ST based meshed grid operation approach as a centralized solution. An operation scheme has been developed, employing a multi-objective operation algorithm to address the emerging issues. Besides, a power quality conditioning scheme has been developed to condition the harmonics in current