Advanced laboratory testing methods using real-time simulation and hardware-in-the-loop techniques : a survey of smart grid international research facility network activities

The integration of smart grid technologies in interconnected power system networks presents multiple challenges for the power industry and the scientific community. To address these challenges, researchers are creating new methods for the validation of: control, interoperability, reliability of Internet of Things systems, distributed energy resources, modern power equipment for applications covering power system stability, operation, control, and cybersecurity. Novel methods for laboratory testing of electrical power systems incorporate novel simulation techniques spanning real-time simulation, Power Hardware-in-the-Loop, Controller Hardware-in-the-Loop, Power System-in-the-Loop, and co-simulation technologies. These methods directly support the acceleration of electrical systems and power electronics component research by validating technological solutions in high-fidelity environments. In this paper, members of the Survey of Smart Grid International Research Facility Network task on Advanced Laboratory Testing Methods present a review of methods, test procedures, studies, and experiences employing advanced laboratory techniques for validation of range of research and development prototypes and novel power system solutions

Integrated battery chargers for electric vehicle traction drives with synchronous machines

The transport sector is increasingly moving towards more electrification to benefit from enhanced reliability and energy efficiency. The automotive transport sector, which includes passenger and service vehicles, has also jumped on to the bandwagon of electrification. The wave of electrification brings with it challenges that must be resolved to realize its gains. One such challenge is that of ease and speed of charging for the large batteries that are required by electric vehicles to ensure longer range on a single charge. Fast chargers for electric vehicles are often heavy and large in volume because of their high-power rating and therefore cannot be placed on the vehicle. Chargers that can be placed on the vehicle are not fast enough since they need to be smaller in size and weight to be placed on board. The thesis focuses on chargers that provide a compromise between the bulkiness and the power rating of the charger. The thesis proposes to integrate battery chargers into the existing traction drives of electric vehicles. The integration is achieved by using the traction motor windings as the filter inductances to interface the charger to the grid by using minor reconfiguration. Windings that are excited with a current produce a pulsating torque on the rotor shaft, the nature of which varies with the type of machine used. Since most traction drives use synchronous machines, the thesis proposes torque cancellation strategies that can be used for the three most common types of synchronous machines used such as the surface mounted permanent magnet synchronous machine, the interior permanent magnet machine, and the synchronous reluctance machine. Since the winding inductances of synchronous machines depend on the rotor position, they form a set of unequal and unbalanced filter inductance for the charger. Power balance with linear quadratic regulator control strategy that allows the use of such filter inductances is proposed. A modulation strategy to reduce the circulating current in the parallel connected converters of the integrated battery charger is also proposed. Furthermore, the analysis of the machine during charging shows that the charger power rating cannot be designed to have the same rating as the traction motor windings and must be limited to less than that to avoid stator saturation. Validation of the proposed strategies is done by using co-simulation of finite element analysis for machines and time domain transient simulator for the power electronics and control first, then validated on hardware setups.Pour bénéficier d'une efficacité énergétique et d'une fiabilité accrues, le secteur des transports évolue progressivement vers une plus grande électrification. Notamment le secteur de l'automobile, incluant les véhicules de tourisme et de service, qui a pris le train en marche de l'électrification. Pour profiter des avantages de l'électrification, de nombreux défis doivent être résolus. Parmi ces défis on trouve celui de rendre facile et rapide la charge pour les grandes batteries, qui sont nécessaires pour les véhicules électriques afin d'assurer une plus grande autonomie avec une seule charge. Les chargeurs rapides pour véhicules électriques sont souvent lourds et prennent beaucoup de place en raison de leur puissance nominale élevée et ne peuvent donc pas être placés dans le véhicule. Les chargeurs qui respectent les exigences de poids et de volume ne sont pas assez rapides. La thèse se concentre sur les chargeurs qui offrent un compromis entre l'encombrement et la puissance nominale. La thèse propose d'intégrer des chargeurs de batterie dans les systèmes de traction existants des véhicules électriques. L'intégration est réalisée en utilisant les enroulements du moteur de traction comme une inductance de filtre pour connecter le chargeur au réseau en faisant une reconfiguration mineure. L'excitation des enroulements par un courant produit un couple sur l'arbre du rotor, dont la nature varie en fonction du type de machine utilisé. Comme la plupart, des systèmes de traction utilisent des machines synchrones, la thèse propose des stratégies d'annulation de couple pour les trois types de machines les plus courantes, la machine à aimants permanents en surface, la machine à aimants permanents encastrés et la machine synchrone à réluctance. Puisque les inductances d'enroulement des machines synchrones dépendent de la position du rotor, elles forment un ensemble d'inductance de filtre inégale et déséquilibrée pour le chargeur. Un équilibrage de puissance avec une stratégie de contrôle de régulateur quadratique linéaire qui permet l'utilisation de telles inductances de filtre est également proposée. Une stratégie de modulation pour réduire le courant circulant dans les convertisseurs connectés en parallèle du chargeur de batterie intégré est également proposée. De plus, l'analyse de la machine pendant le chargement montre que la puissance nominale du chargeur ne peut pas être dimensionnée de la même manière que les enroulements du moteur de traction et doit être inférieure à celle-ci pour éviter la saturation du stator.La validation des stratégies proposées est réalisée en utilisant d'abord la co-simulation de l'analyse par éléments finis pour les machines et la simulation temporelle transitoire pour l'électronique de puissance et le contrôle. Enfin, une validation sur un banc d'essai a été effectuée