Design and Advanced Model Predictive Control of Wide Bandgap Based Power Converters

The field of power electronics (PE) is experiencing a revolution by harnessing the superior technical characteristics of wide-band gap (WBG) materials, namely Silicone Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN). Semiconductor devices devised using WBG materials enable high temperature operation at reduced footprint, offer higher blocking voltages, and operate at much higher switching frequencies compared to conventional Silicon (Si) based counterpart. These characteristics are highly desirable as they allow converter designs for challenging applications such as more-electric-aircraft (MEA), electric vehicle (EV) power train, and the like. This dissertation presents designs of a WBG based power converters for a 1 MW, 1 MHz ultra-fast offboard EV charger, and 250 kW integrated modular motor drive (IMMD) for a MEA application. The goal of these designs is to demonstrate the superior power density and efficiency that are achievable by leveraging the power of SiC and GaN semiconductors. Ultra-fast EV charging is expected to alleviate the challenge of range anxiety , which is currently hindering the mass adoption of EVs in automotive market. The power converter design presented in the dissertation utilizes SiC MOSFETs embedded in a topology that is a modification of the conventional three-level (3L) active neutral-point clamped (ANPC) converter. A novel phase-shifted modulation scheme presented alongside the design allows converter operation at switching frequency of 1 MHz, thereby miniaturizing the grid-side filter to enhance the power density. IMMDs combine the power electronic drive and the electric machine into a single unit, and thus is an efficient solution to realize the electrification of aircraft. The IMMD design presented in the dissertation uses GaN devices embedded in a stacked modular full-bridge converter topology to individually drive each of the motor coils. Various issues and solutions, pertaining to paralleling of GaN devices to meet the high current requirements are also addressed in the thesis. Experimental prototypes of the SiC ultra-fast EV charger and GaN IMMD were built, and the results confirm the efficacy of the proposed designs. Model predictive control (MPC) is a nonlinear control technique that has been widely investigated for various power electronic applications in the past decade. MPC exploits the discrete nature of power converters to make control decisions using a cost function. The controller offers various advantages over, e.g., linear PI controllers in terms of fast dynamic response, identical performance at a reduced switching frequency, and ease of applicability to MIMO applications. This dissertation also investigates MPC for key power electronic applications, such as, grid-tied VSC with an LCL filter and multilevel VSI with an LC filter. By implementing high performance MPC controllers on WBG based power converters, it is possible to formulate designs capable of fast dynamic tracking, high power operation at reduced THD, and increased power density

Industrial and Technological Applications of Power Electronics Systems

The Special Issue "Industrial and Technological Applications of Power Electronics Systems" focuses on: - new strategies of control for electric machines, including sensorless control and fault diagnosis; - existing and emerging industrial applications of GaN and SiC-based converters; - modern methods for electromagnetic compatibility. The book covers topics such as control systems, fault diagnosis, converters, inverters, and electromagnetic interference in power electronics systems. The Special Issue includes 19 scientific papers by industry experts and worldwide professors in the area of electrical engineering

High-speed, long-term, 4D in vivo lifetime imaging in intact and injured zebrafish and mouse brains by instant FLIM

Traditional fluorescence microscopy is blind to molecular microenvironment information that is present in the emission decay lifetime. With fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM), physiological parameters such as pH, refractive index, ion concentration, dissolved gas concentration, and fluorescence resonance energy transfer (FRET) can be measured. Despite these benefits, existing FLIM techniques are typically slow, noisy, and hard to implement due to expensive instrumentation and complex post-processing. To overcome these limitations, we present instant FLIM, a method that allows real-time acquisition and display of two-photon intensity, lifetime, and phasor imaging data. Using analog signal processing, we demonstrate in vivo four-dimensional (4D) FLIM movies by imaging mouse and zebrafish glial cell response to injury over 12 hours through intact skulls. Instant FLIM can be implemented as an upgrade to an existing multiphoton microscope using cost-effective off-the-shelf components, requires no data post-processing, and is demonstrated to be compatible with FD-FLIM super-resolution techniques

Modeling and control of stand-alone AC microgrids: centralized and distributed storage, energy management and distributed photovoltaic and wind generation

El aumento de la penetración de energías renovables en la red eléctrica es necesario para el desarrollo de un sistema sostenible. Para hacerlo posible técnicamente, se ha planteado el uso de microrredes, definidas como una combinación de cargas, generadores distribuidos y elementos de almacenamiento controlados gracias a una estrategia global de gestión energética. Además, las microrredes aumentan la fiabilidad del sistema puesto que pueden funcionar en modo aislado en caso de fallo de red. Esta tesis se centra en el desarrollo de microrredes AC en funcionamiento aislado. El objetivo principal es el diseño y la implementación de estrategias de gestión energéticas sin utilizar cables de comunicación entre los distintos elementos, lo que permite reducir los costes del sistema y aumentar su fiabilidad. Para ello, se abordan los siguientes aspectos: • Gestión energética de una microrred AC con generador diesel, almacenamiento centralizado y generación renovable distribuida • Diseño de técnicas de control “droop” para repartir la corriente entre inversores conectados en paralelo • Gestión energética de una microrred AC con almacenamiento distribuido y generación renovable distribuida • Control de la etapa DC/DC de inversores fotovoltaicos con pequeño condensador de entrada en el seno de una microrred • Control de extracción de máxima potencia sin sensores mecánicos para sistemas minieólicos en el seno de una microrred.The introduction of distributed renewable generators into the electrical grid is required for a sustainable system. In order to increase the penetration of renewable energies, microgrids are usually proposed as one of the most promising technologies. A microgrid is a combination of loads, distributed generators and storage elements which behaves as a single controllable unit for the grid operator. Furthermore, microgrids make it possible to improve the system reliability because they are capable of standalone operation in case of grid failure. This thesis is focused on the development of AC microgrids under stand-alone operation. Its main objective is to design and implement overall control strategies which do not require the use of communication cables, thereby reducing costs and improving reliability. For this purpose, the following aspects are tackled: • Energy management of an AC microgrid with diesel generator, centralized storage and distributed renewable generation • Design of droop methods so that the current is shared among parallel-connected inverters • Energy management of an AC microgrid with distributed storage and distributed renewable generation • Control of the DC/DC stage in photovoltaic inverters with small input capacitors within a microgrid • Sensorless MPPT control for small wind turbines within a microgrid.Programa Oficial de Doctorado en Energías Renovables (RD 1393/2007)Energia Berriztagarrietako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007

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

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

Power Converters in Power Electronics

In recent years, power converters have played an important role in power electronics technology for different applications, such as renewable energy systems, electric vehicles, pulsed power generation, and biomedical sciences. Power converters, in the realm of power electronics, are becoming essential for generating electrical power energy in various ways. This Special Issue focuses on the development of novel power converter topologies in power electronics. The topics of interest include, but are not limited to: Z-source converters; multilevel power converter topologies; switched-capacitor-based power converters; power converters for battery management systems; power converters in wireless power transfer techniques; the reliability of power conversion systems; and modulation techniques for advanced power converters