Direct state of charge balancing control for modular multilevel converters with distributed battery energy storage

Since its proposal in 2003, modular multilevel converters have drawn significant attention from industry and research communities. Its sub-module based conception provides a flexible, redundant and reliable structure that has been exploited in several fields of power electronics and renewable systems. In particular, the integration of distributed battery energy storage requires a balancing system capable of maintaining several cells at the same state of charge to maximize efficiency and power quality. In this thesis, a balancing algorithm based on the batteries' state of charge is proposed. The procedures to tune the controllers, easily adaptable according to the application requirements, are explained in detail. The developed solution was confronted in MATLAB and Simulink environment with other two state-of-the-art balancing algorithms for an automotive application, starting from a moderate unbalanced condition. In these tests, the developed algorithm featured the most efficient circulation current exploitation within the established saturation range, the lowest balancing time and the smallest standard deviation between average arms state of charge. Preliminary arrangements were made to perform real tests in the available small scale converter, and practical validations will be carried out in the near future.

Proposti nel 2003, i convertitori modulari multilivello hanno richiamato in maniera significativa l’attenzione da parte dell'industria e delle comunità di ricerca. La sua struttura basata sui sottomoduli fornisce flessibilità, ridondanza e affidabilità, caratteristiche che possono essere sfruttate in diversi campi dell'elettronica di potenza e dei sistemi impieganti fonti rinnovabili. In particolare, l'integrazione di sistemi di accumulo distribuiti a batteria richiede un sistema di bilanciamento in grado di mantenere le diverse celle allo stesso stato di carica in modo da poter massimizzare l'efficienza e la qualità della potenza prodotta. In questa tesi, viene proposto un algoritmo di bilanciamento basato sullo stato di carica delle batterie. Le procedure per tarare i controllori, facilmente adattabili in base ai requisiti dell'applicazione, sono spiegate in dettaglio. La soluzione sviluppata è stata confrontata, in una condizione di moderato squilibrio, negli ambienti MATLAB e Simulink con altri due algoritmi di bilanciamento allo stato dell'arte, per un'applicazione automotive. In questi test, l'algoritmo sviluppato è in grado di sfruttare in maniera più efficiente la corrente di circolazione all’interno dell'intervallo di saturazione stabilito, ed è caratterizzato dal più basso tempo di bilanciamento e dalla più piccola deviazione standard tra gli stati di carica medi degli arms (bracci) del convertitore. Sono state effettuate le procedure preliminari per poter eseguire i test sperimentali sul convertitore su piccola scala disponibile, e le prove pratiche verranno svolte nel prossimo futuro.