Contributions to Modeling, Simulation, and Analysis of Three-Phase Dual Active Bridge Converters for Dc-Grid Integration

Le convertisseur cc-cc bidirectionnel isolé triphasé à deux ponts actifs (3p-DAB) est largement étudié pour son utilisation dans les réseaux à courant continu de nouvelle génération. Son intégration nécessite une modélisation précise de ses caractéristiques petit et grand signal. De plus, sa caractérisation précise en mode dégradé d'opération est un sujet important pour le développement de réseaux fiables et résilients. L'application de stratégies de modélisation bien connues au convertisseur 3p-DAB, tant en fonctionnement normal que dégradé, n'est pas triviale du fait de sa structure cc-ca-cc, des différentes connexions possibles de transformateurs triphasés et du nombre plus élevé d'interrupteurs par rapport à d'autres topologies connues. L'absence de modèles petits signaux précis ainsi que de modèles grands signaux numériquement efficace du 3p-DAB est la principale motivation des développements présentés dans cette thèse. Trois contributions principales se dégagent de ce travail. Cette thèse contribue d'abord à l'identification des limites de l'approche conventionnelle de moyennage en espace d'état (SSA) pour la détermination des impédances d'entrée ZD et ZN du convertisseur 3p-DAB. Ces deux fonctions de transfert sont nécessaires à l'application du théorème d'éléments supplémentaires (EET) de Middlebrook qui est largement utilisé par les concepteurs en électronique de puissance pour prévenir la dégradation des performances dynamiques ainsi que les conditions d'instabilité lors de l'ajout d'un filtre d'entrée. La détermination précise de ZD et ZN est également importante pour déduire les caractéristiques petit signal en boucle fermée du convertisseur à partir de son modèle en boucle ouverte. Bien qu'il soit démontré que l'approche généralisée de moyennage en espace d'état (GSSA) peut être utilisée pour surmonter les limites de la méthode SSA pour l'évaluation de ZD, un nouveau modèle hybride combinant SSA et GSSA est proposé pour le calcul de ZN. La deuxième contribution de cette thèse est le développement d'un modèle moyenné généralisé (GAM) précis et efficace permettant la simulation de réseaux utilisant des convertisseurs 3p-DAB dans des logiciels d'analyses de transitoires électromagnétiques.

Abstract

The three-phase dual active bridge (3p-DAB) isolated-bidirectional dc-dc converter (IBDC) is widely investigated in next-generation dc-grids. Its successful integration requires an accurate representation of its small- and large-signal characteristics. Furthermore, accurate characterization of converters behavior in degraded-mode is an important topic for the development of reliable and resilient dc-grids. The application of well-known modeling strategies to 3p-DAB converters in both normal and degraded operations is not trivial due to its dc-ac-dc structure, the different possible three-phase transformer connections and the higher number of switches compared to other well-known IBDC topologies. The absence of accurate small-signal models as well as computational efficient large-signal models of the 3p-DAB has motivated the developments presented in this thesis. Three main contributions are emerging from this work. This thesis first contributes to the identification of the limitations of the basic state-space averaging (SSA) approach for the determination of the driving point ZD and null driving point ZN input impedances for 3p-DAB converters. These two transfer functions are necessary for the application of Middlebrook's extra element theorem (EET) which is broadly used by practicing power electronic designers to avoid dynamic performance degradation or instability conditions in the presence of an additional input filter. The accurate determination of ZD and ZN is also important to derive the closed-loop small-signal characteristics of converters from its open-loop characteristics. While it is shown that the generalized state-space averaging (GSSA) approach can be used to overcome SSA limitations to evaluate ZD, a new hybrid SSA and GSSA multi-input multi-output (MIMO) model, which combines SSA and GSSA, is proposed to evaluate ZN. The second contribution of this thesis is the development of an accurate and computational efficient generalized average model (GAM) which enables system-level simulation of dc-grids with 3p-DAB converters in electromagnetic transient type (EMT-type) programs. The proposed model is rigorously compared with alternative modeling techniques: ideal-model, switching-function (SWF) and state-space averaging (SSA). It is concluded that the GAM model provides an optimal solution when accuracy of transient response, reduction in computation time, and wideband response factors are considered.