Modeling and Optimal Control of a Multi-Active Bridge (MAB) Converter
Modélisation et Commande Optimale d'un Convertisseur Multi-Active Bridge (MAB)
Résumé
A Multi-Active Bridge (MAB) converter is an interesting energy hub topology that has emerged in recent years. In an energy hub, the production, consumption and storage of electrical energy all take place within the same structure. In addition, MAB converters are multiport converters with intrinsic galvanic isolation. This is achieved by connecting the ports of this topology through a high-frequency (HF) transformer. Galvanic isolation is crucial for applications where different power sources/loads with important voltage dissimilarities and power ratings need to be connected together. Consequently, a MAB converter can connect several energy sources, loads and energy storage systems together, allowing multidirectional power flow between them. For these reasons, MAB converters are attracting great attention in many applications, especially those requiring energy storage and/or integration of renewable energy sources.In general, the main objective of controlling a MAB converter is to manage the active power flows between its ports based on each port's requirements. However, optimizing the control of this converter can be achieved by adding another constraint, aiming to minimize the system’s losses for example.In this thesis, the mathematical modelling of a selected MAB converter topology is first developed to represent its steady-state and dynamic behaviour. This developed model is then used to elaborate a method for calculating the conduction and switching losses of the MAB converter at any operating point and for any combination of its control parameters. After that, an optimized control strategy is proposed with the aim of minimizing the total system losses over the entire operating range of the MAB converter. The proposed control strategy uses the developed mathematical model and the loss calculation method to predict the optimal combination of the control parameters resulting in minimum losses, and therefore an increased efficiency for any desired operating point.A four-port 4×500 W prototype of a MAB converter (Quadruple Active Bridge) is built and experimental results are presented to demonstrate the reliability of the mathematical model and to prove the effectiveness of the proposed control strategy.In general, MAB structures are based on voltage converters. However, in some applications, it may be useful to have a current-fed input port due to load characteristics or operational constraints. This leads to a hybrid MAB structure that mixes both current and voltage-fed bridges. In the final part of the manuscript, a novel hybrid-fed MAB converter topology is presented and evaluated. Its mathematical model is developed and a control strategy is proposed. Simulation results are provided in order to validate the presented theoretical study.
Un convertisseur à multiples ponts actifs, appelé aussi convertisseur MAB (pour Multi-Active Bridge converter en anglais), est une topologie intéressante de « Hub Energétique » qui a apparu récemment. Dans un Hub Energétique, la production, la consommation et le stockage de l'énergie électrique ont lieu au sein de la même structure. De plus, les convertisseurs MAB sont des convertisseurs multiports dotés d'une isolation galvanique intrinsèque. Celle-ci est obtenue en connectant les ports de cette topologie par l'intermédiaire d'un transformateur haute fréquence (HF). L'isolation galvanique est nécessaire pour les applications où différentes sources d'alimentation/charges présentant d'importantes dissimilitudes de tensions et de puissances nominales doivent être connectées ensemble. Par conséquent, un convertisseur MAB peut connecter plusieurs sources d'énergie, charges et systèmes de stockage d'énergie électrique ensemble, permettant un flux d'énergie multidirectionnel entre eux. Pour toutes ces raisons, les convertisseurs MAB ont dernièrement attiré beaucoup l'attention, notamment pour les applications sollicitant des sources d'énergie renouvelables et des systèmes de stockage d'énergie.En général, l'objectif principal du contrôle d'un convertisseur MAB est de gérer les flux de puissance active entre ses ports en fonction des besoins de chacun d'entre eux. Cependant, l'optimisation du contrôle de ce convertisseur peut être réalisée en ajoutant des contraintes, visant à minimiser les pertes du système par exemple.Dans cette thèse, le modèle mathématique d'un convertisseur MAB est développé pour représenter son comportement en régime transitoire et en régime permanent. Ce modèle est ensuite utilisé pour élaborer une méthode de calcul des pertes de conduction et de commutation du convertisseur MAB à n'importe quel point de fonctionnement. Une stratégie de commande optimisée est proposée dans le but de minimiser les pertes totales du système sur toute sa plage de fonctionnement. Cette stratégie de commande utilise le modèle mathématique et la méthode de calcul des pertes développés pour prédire la combinaison optimale des paramètres de contrôle aboutissant à des pertes minimales pour tout point de fonctionnement désiré.Un prototype d'un convertisseur MAB à quatre ports (Quadruple Active Bridge) est construit et des résultats expérimentaux sont présentés dans le manuscrit pour démontrer la fiabilité du modèle mathématique et l'efficacité de la stratégie de commande proposée dans cette thèse.En général, les structures MAB sont basées sur des convertisseurs alimentés en tension. Cependant, dans certaines applications, il peut être utile d'avoir un port alimenté en courant en raison des caractéristiques de la charge ou des contraintes opérationnelles. Cela conduit à une structure MAB hybride qui mélange à la fois des ponts alimentés en courant et des ponts alimentés en tension. Dans la dernière partie du manuscrit, une nouvelle topologie de convertisseur MAB à alimentation hybride est présentée et étudiée. Son modèle mathématique est développé et une stratégie de commande est proposée. Des résultats de simulation sont fournis afin de valider l'étude théorique présentée.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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