Electric-drive vehicle emulation using advanced test bench

Vehicle electrification is considered to be the most promising approach toward addressing the concerns on climate change, sustainability, and rapid depletion of fossil fuel resources. As a result electric-drive vehicle (EDV) technology is becoming the subject of many research studies, from academia and research laboratories to automotive industries and their suppliers. However, a crucial step toward the success of EDV implementation is developing test platforms that closely emulate the behavior of these vehicles. In this dissertation, a new approach for emulating an EDV system on a motor/dynamometer test bench is investigated. Two different methods of emulation are discussed which are based on predefined drive cycle and unpredictable driving behavior. MATLAB/Simulink is used to model the test bench and simulations are carried out for each case. Experimental test bench results are also presented to validate hardware-in-the-loop (HIL) real-time performance for each method. Furthermore, to provide a more realistic approach towards EDV emulation a braking system suitable for motor/dynamometer architecture is proposed. The proposed brake controller represents a very close model of an actual EDV braking system and takes into account both regenerative and friction braking limitations. Finally, the challenges and restrictions of using a full scale test bench are outlined. To overcome these limitations, the development of an educational small scale hybrid electric vehicle (HEV) learning module is discussed which provides an ideal test platform to simulate and study both electric and HEV powertrains --Abstract, page iv

A wave emulator for ocean wave energy, a Froude-scaled dry power take-off test setup

A dry laboratory environment has been developed to test Power Take-O_ (PTO) systems for Wave Energy Converters. The costs accompanied by testing a wave energy converter and its PTO at sea are high due to the di_cult accessibility of (remote) test locations. Next to easy accessibility, the lab setup provides controllable waves at a relatively lower cost. The setup enables extensive analysis of the dynamics of a PTO during its mechanical towards electrical energy conversion. The scaled setup is designed such that it resembles as close as possible the real system. Froudes similarity law provides easy transformation. The oater and waves are represented by a Wave Emulator, the motion of which is determined by a time series of the wave exciting forces supplemented with the actual hydrodynamic reaction forces due to the motions of the oater. A real-time calculation method is introduced, accounting for the actual PTO actions. Furthermore, the inertia of the oater is represented in the emulators rotary inertia, and a compensation method is proposed enabling an identical normalized PTO load curve as at full scale. Comparison between experimental and simulation results have been performed and good correlation between the movement of setup and simulations has been found

Emulation of Wind Turbines

This chapter presents the modeling, simulation, and emulation for small wind turbine (WT) systems. The main objective of the emulation system is to reproduce the WT torque dynamic behavior in the generator shaft, which must be similar to one of real horizontal WTs used for distributed generation. The aerodynamic, mechanical, and electrical models for horizontal axis wind turbines (HAWTs) are presented in detail. The models are used for simulation analysis and emulation synthesis. The emulator consists a (i) computational platform, which is based on LabVIEW® environment and runs the model of the WT and (ii) an induction motor (IM) with AC power drive with torque control. The IM shaft is directly coupled with the real small wind generator and corresponding load. Experimental waveforms are also presented to demonstrate the functionality of the system

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

Creating solitons by means of spin-orbit coupling

This mini-review collects theoretical results predicting the creation of matter-wave solitons by the pseudo-spinor system of Gross-Pitaevskii equations (GPEs) with the self-attractive cubic nonlinearity and linear first-order-derivative terms accounting for the spin-orbit coupling (SOC). In one dimension (1D), the so predicted bright solitons are similar to their well-known counterparts supported by the GPE in the absence of SOC. Completely novel results were recently obtained for 2D and 3D systems: SOC suppresses the collapse instability of the multidimensional GPE, creating fully stable 2D ground-state solitons and metastable 3D ones of two types: semi-vortices (SVs), with vorticities m = 1 in one spin component and m = 0 in the other, and mixed modes (MMs), with m = 0 and m = (+/-)1 present in both components. With the Galilean invariance broken by SOC, moving solitons exist up to a certain critical velocity, suffering delocalization above it. The newest result predicts stable 2D "quantum droplets" of the MM type in the presence of the Lee-Huang-Yang corrections to the GPE system, induced by quantum fluctuations around the mean-field states, in the case when the inter-component attraction dominates over the self-repulsion in each component.Comment: a slightly shortened version will be published as an invited mini-review (perspective) in EP

Emulation of wind turbine using dc motor

Over the course of the past few decades, there has been a steady rise in the utilization of renewable energy resources. 238GW is the estimated global wind capacity at the end of 2011. India is the 5th largest harnesser of wind power with 16GW production. Wind energy is green and clean compared to non-renewable fossil fuels and thus wind energy based power generation has become a significant contributor to present power systems encouraging works on wind power based research. Since it is troublesome to practice a true wind turbine for research requirements, it gets necessary to create a replica of a genuine wind turbine to be utilized for small scale works. This paper depicts the configuration of a test system working on a wind turbine's power-speed characteristics. It concentrates on the power-speed and torque-speed characteristics and models the wind turbine characteristics reproducing the same utilizing MATLAB-SIMULINK. The work is on mathematical demonstration of test system of the Horizontal Axis Wind turbine. The corresponding static and dynamic characteristics recreations are done. Emulation of the wind turbine is done by working the DC motor to gauge the theoritical rotational velocity of the rotor of the wind turbine. A PI controller is utilized to tune the DC motor characteristics with the Wind Turbine characteristic curves. Taking into account the rotor characteristics of the wind turbine, a particular reference rotor pace is produced and the wind speed gives the mechanical wind power