A control concept for highly-dynamic operation of DC converters driving nonlinear loads

Abstract

Diese Dissertation präsentiert die gesammelten Ergebnisse, welche im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen dem Christian Doppler Labor für innovative Regelung und Überwachung von Antriebssystemen an der TU Wien und der AVL List GmbH in Graz entstanden sind. Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung eines hochdynamischen Regelungskonzeptes für DC-Konverter mit nichtlinearen Lasten.Zur Veranschaulichung wird das neuentwickelte Regelungskonzept auf einem DC-Konverter angewendet, welcher in einem Batterie-Emulator für Hardware-in-the-loop (HIL) Prüfstände zum Einsatz kommt.Für die nichtlineare Last wird ein Prüfling mit konstanter Leistungsaufnahme angenommen, was eine zusätzliche Herausforderung darstellt da dies zu Stabilitätsproblemen am DC-Bus führt.Der DC-Konverter in derartigen Emulatoren soll eine möglichst dynamische Ausgangsspannung haben, um die Impedanz einer Batterie genau abbilden zu können.Außerdem sollte diese hohe Ausgangsdynamik über einen möglichst großen Betriebsbereich verfügbar sein, was bei Lasten mit konstanter Leistungsaufnahme aufgrund der Nichtlinearität eine besondere Herausforderung darstellt.Weiters müssen sicherheitsrelevante Komponentenlimits eingehalten werden, um einen problemlosen Betrieb zu gewährleisten.Obwohl in der Fachliteratur mehrere Regelungskonzepte für DC-Konverter beschrieben werden, gehen diese meist von einem einzigen stationären Betriebspunkt aus.Die Realisierung hochdynamischer Sollwertänderungen über einen großen Spannungsbereich ist eine untypische Betriebsart für DC-Konverter.Um die hochdynamischen Anforderungen über einen großen Betriebsbereich zu erfüllen, wurde ein flachheits-basiertes Regelungskonzept entwickelt, welches Rückkopplungsäquivalenz zwischen einem nichtlinearen Systemmodell und einem linearisierten Modell herstellt.Hierbei wird das lineare Modell für die Synthese eines Reglers verwendet, welcher dank der Rückkopplungsäquivalenz in ein nichtlineares Regelgesetzt transformiert werden kann.Dadurch wird der resultierende Regler über einen großen Betriebsbereich anwendbar, was mittels einer Stabilitätsanalyse belegt wird.Das Regelungskonzept wurde weiters auf einem Prototyp einer Hardwareplatine implementiert und mittels Echtzeittests validiert.Zur Einhaltung der sicherheitsrelevanten Limits wird ein modifizierter Referenz-Governor vorgestellt, welcher zusätzlich auftretende Oszillationen während einer Sollwertänderung reduziert.

This dissertation presents the collected results of a research project within the Christian Doppler Laboratory for Innovative Control and Monitoring of Automotive Powertrain Systems at TU Wien in cooperation with AVL List GmbH in Graz.The central topic of this work is the development of a highly-dynamic control concept for DC converters driving nonlinear loads.The newly developed concept is exemplified by applying it to a DC converter used in a battery emulator on a hardware in the loop (HIL) testbed.In this particular setup, a unit under test (UUT) with a constant power draw is assumed as the nonlinear load, which introduces stability issues on the DC bus.The DC converter in such a battery emulator should have a highly dynamic output voltage to accurately emulate the dynamic impedance of a battery.Additionally, there exists a requirement for a large operating region, which is especially challenging for UUTs that behave like a constant power load due to the introduced nonlinearity.Additionally, safety-critical constraints have to be satisfied to ensure proper operation and protection of components.While the literature describes several specialized control concepts for DC converters, they usually assume a single stationary operating point.The realization of large, highly dynamic setpoint changes across a wide range of voltage levels is an unusual operating mode for a DC converter.In order to meet the highly dynamic requirements over a large operating range, a flatness-based control concept was developed, which establishes feedback equivalence between a nonlinear system description and a linearized one.The linearized system is used to synthesize a control law that meets the dynamical requirements, which, thanks to the established feedback equivalence, can be transformed into a nonlinear control law.As a result, the controller becomes applicable over a wide operating range, verified through a stability analysis.The control concept was implemented on a prototype hardware board and validated via real-time tests.In order to meet the safety-critical limits, a modified reference governor is presented that allows for smooth setpoint changes.