Analysis, design, and implementation of the AFZ converter applied to photovoltaic systems

Grid-tied photovoltaic (PV) installations with Distributed Maximum Power Point Tracking (DMPPT) architectures include a DC-DC Module Integrated Converter (MIC) for managing each PV panel, isolating it from the others, reducing the mismatching effect and maximizing the harvested power. In this paper, the Autotransformer Forward converter with type-Zeta resonant reset (AFZ) is proposed as a DMPPT architecture’s MIC candidate. The main characteristics of the AFZ converter are the high versatility due to its voltage step-up and step-down capability; the use of an optimized autotransformer with only two windings, reducing the complexity and power losses of this component; the good dynamic performances, like the Forward converter ones; the low number of components and the simplicity and high feasibility associated to the use of just one active switch. Besides, soft switching transitions are achieved thanks to the autotransformer type-Zeta resonant reset. The steady-state theoretical analysis, considering the effect of the autotransformer leakage inductance, is presented. The converter is also studied in the frequency domain, obtaining the small-signal transfer functions. A design procedure based on the requirements of a 100 kW grid-tied photovoltaic installation is described, yielding in a 225 W prototype with efficiencies up to 95.6 %. Experimental results validate the theoretical analysis.This work was supported in part by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and FEDER funds through the research project “Storage and Energy Management for Hybrid Electric Vehicles based on Fuel Cell, Battery and Supercapacitors” ELECTRICAR-AG under Grant DPI2014-53685-C2-1-R, in part by the research project CONEXPOT under Grant DPI2017-84572-C2-2-R, and in part by the research project EPIIOT under Grant DPI2017-88062-R

Analysis, design, and implementation of the AFZ converter applied to photovoltaic systems

Grid-tied photovoltaic (PV) installations with Distributed Maximum Power Point Tracking (DMPPT) architectures include a DC-DC Module Integrated Converter (MIC) for managing each PV panel, isolating it from the others, reducing the mismatching effect and maximizing the harvested power. In this paper, the Autotransformer Forward converter with type-Zeta resonant reset (AFZ) is proposed as a DMPPT architecture MIC candidate. The main characteristics of the AFZ converter are the high versatility due to its voltage step-up and step-down capability; the use of an optimized autotransformer with only two windings, reducing the complexity and power losses of this component; the good dynamic performances, like the Forward converter ones; the low number of components and the simplicity and high feasibility associated to the use of just one active switch. Besides, soft switching transitions are achieved thanks to the autotransformer type-Zeta resonant reset. The steady-state theoretical analysis, considering the effect of the autotransformer leakage inductance, is presented. The converter is also studied in the frequency domain, obtaining the small-signal transfer functions. A design procedure based on the requirements of a 100 kW grid-tied photovoltaic installation is described, yielding in a 225 W prototype with efficiencies up to 95.6 %. Experimental results validate the theoretical analysis.Comment: This work was supported in part by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and FEDER funds through the research project: Modeling and Control Strategies for the Stabilization of the Interconnection of Power Electronic Converters CONEXPOT under Grant DPI2017-84572-C2-2-R. copyright: 2020 IEE

Double input DC-DC converter for highly flexible and reliable Battery Storage Systems

Battery storage systems are fundamental in UPS applications. UPSs are exploited when high reliability is required. A DC-DC converter is typically used to interface the battery to the inverter to match the different voltage levels. In normal operation, the battery of the UPS is not used and it intervenes only during grid blackout. However, the battery is subjected to deterioration and UPS intervention could fail. In medium and high power UPS, more battery modules are connected in series. If one battery is damaged, all the series is affected. To prevent this issue, a new double-input DC-DC converter is presented in this paper. The two DC sources can be controlled separately, resulting in a system reliability improvement. In addition, the damaged battery is not bypassed; hence the overall system performance can be maximized, since the deteriorated battery can provide energy at a limited rate. Additionally, the proposed converter allows batteries based on different technologies to be mixed together, achieving the best performances from each technology

Bipolar DC output fed grounded DC-AC converter for photovoltaic application

Introduction. In recent years the usage of electricity has increased tremendously as the electrical needs and loads got increased. Hence the researchers focused on the electricity generation from renewable sources in order to promote sustainable green environment. Owing to the lesser cost and more reliable high efficiency system with reduced use of equipments became prominent for the grid connected photovoltaic single phase systems. The novelty of this proposed converters are to reduce total power loss and to analyze the performance of the converter under various modulation index and to have lesser harmonics using sinusoidal pulse width modulation technique for both T-type and F-type inverter. Interest of the work is to merge two DC-DC converters which have same output voltage in order to have transformer less utilization of power. This has given pathway to develop a new DC-DC converter network by merging the common input nodes of CUK and SEPIC converter. Purpose. This similar structure of both converters made it easy to combine the input stages of and to get bipolar output. Methods. Here we can get bipolar output without the utilization of transformer which minimizes the overall size of the proposed system. In this paper, a combined CUK-SEPIC based grid connected transformerless inverter for photovoltaic application is suggested. Results. The suggested converter is simulated using MATLAB and the results were discussed. Further the circuit is extended with a 1 kW F-type inverter to demonstrate grid connection of the converter. Practical value. This converter can be implemented for photovoltaic applications for obtaining the bipolar DC output from the DC source.Вступ. В останні роки використання електроенергії значно зросло, оскільки потреби в електроенергії та навантаження збільшились. Тому дослідники зосередилися на виробництві електроенергії з відновлюваних джерел, щоб сприяти стійкому зеленому середовищу. Через меншу вартість та більш надійну високоефективну систему зі зменшеним використанням обладнання набули популярності фотоелектричні однофазні системи, підключені до мережі. Новизна пропонованих перетворювачів полягає у зниженні загальних втрат потужності та аналізі характеристик перетворювача при різних індексах модуляції, а також у зменшенні гармонік з використанням методу широтно-імпульсної модуляції синусоїдального типу для інверторів як Т-типу, так і F-типу. Інтерес роботи полягає в об'єднанні двох перетворювачів постійного струму з однаковою вихідною напругою, щоб мати менше використання потужності трансформатора. Це дозволило розробити нову мережу перетворювачів постійного струму шляхом об'єднання загальних вхідних вузлів перетворювача CUK та SEPIC. Мета. Подібна структура обох перетворювачів дозволила легко поєднати вхідні каскади та отримати біполярний вихідний сигнал. Методи. Тут ми можемо отримати біполярний вихід без використання трансформатора, що мінімізує загальний розмір пропонованої системи. У цій статті пропонується комбінований безтрансформаторний інвертор на основі CUK-SEPIC, підключений до мережі, для фотоелектричних застосувань. Результати. Пропонований перетворювач моделюється за допомогою MATLAB, результати обговорюються. Далі схема розширена інвертором F-типу потужністю 1 кВт, щоб продемонструвати підключення перетворювача до мережі. Практична цінність. Цей перетворювач може бути реалізований для фотоелектричних застосувань для отримання біполярного виходу постійного струму джерела постійного струму

Bipolar DC output fed grounded DC-AC converter for photovoltaic application

Introduction. In recent years the usage of electricity has increased tremendously as the electrical needs and loads got increased. Hence the researchers focused on the electricity generation from renewable sources in order to promote sustainable green environment. Owing to the lesser cost and more reliable high efficiency system with reduced use of equipments became prominent for the grid connected photovoltaic single phase systems. The novelty of this proposed converters are to reduce total power loss and to analyze the performance of the converter under various modulation index and to have lesser harmonics using sinusoidal pulse width modulation technique for both T-type and F-type inverter. Interest of the work is to merge two DC-DC converters which have same output voltage in order to have transformer less utilization of power. This has given pathway to develop a new DC-DC converter network by merging the common input nodes of CUK and SEPIC converter. Purpose. This similar structure of both converters made it easy to combine the input stages of and to get bipolar output. Methods. Here we can get bipolar output without the utilization of transformer which minimizes the overall size of the proposed system. In this paper, a combined CUK-SEPIC based grid connected transformerless inverter for photovoltaic application is suggested. Results. The suggested converter is simulated using MATLAB and the results were discussed. Further the circuit is extended with a 1 kW F-type inverter to demonstrate grid connection of the converter. Practical value. This converter can be implemented for photovoltaic applications for obtaining the bipolar DC output from the DC source.Вступ. В останні роки використання електроенергії значно зросло, оскільки потреби в електроенергії та навантаження збільшились. Тому дослідники зосередилися на виробництві електроенергії з відновлюваних джерел, щоб сприяти стійкому зеленому середовищу. Через меншу вартість та більш надійну високоефективну систему зі зменшеним використанням обладнання набули популярності фотоелектричні однофазні системи, підключені до мережі. Новизна пропонованих перетворювачів полягає у зниженні загальних втрат потужності та аналізі характеристик перетворювача при різних індексах модуляції, а також у зменшенні гармонік з використанням методу широтно-імпульсної модуляції синусоїдального типу для інверторів як Т-типу, так і F-типу. Інтерес роботи полягає в об'єднанні двох перетворювачів постійного струму з однаковою вихідною напругою, щоб мати менше використання потужності трансформатора. Це дозволило розробити нову мережу перетворювачів постійного струму шляхом об'єднання загальних вхідних вузлів перетворювача CUK та SEPIC. Мета. Подібна структура обох перетворювачів дозволила легко поєднати вхідні каскади та отримати біполярний вихідний сигнал. Методи. Тут ми можемо отримати біполярний вихід без використання трансформатора, що мінімізує загальний розмір пропонованої системи. У цій статті пропонується комбінований безтрансформаторний інвертор на основі CUK-SEPIC, підключений до мережі, для фотоелектричних застосувань. Результати. Пропонований перетворювач моделюється за допомогою MATLAB, результати обговорюються. Далі схема розширена інвертором F-типу потужністю 1 кВт, щоб продемонструвати підключення перетворювача до мережі. Практична цінність. Цей перетворювач може бути реалізований для фотоелектричних застосувань для отримання біполярного виходу постійного струму джерела постійного струму

Desain Dan Implementasi Konverter Nonisolated Transformerless DC-DC sebagai Catu Daya Listrik untuk Peralatan Ground Control Station

Sel surya merupakan sumber energi terbarukan yang ramah lingkungan. Sel surya mampu mengkonversikan energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Salah satu aplikasi sel surya adalah sebagai sumber energi pada pesawat tanpa awak. Pada penerapannya, pesawat tanpa awak di kontrol melalui GCS (Ground Control Station). GCS merupakan pusat kontrol yang ada di darat sebagai penyedia fasilitas untuk pengendalian pesawat tanpa awak. GCS terdiri atas beberapa peralatan seperti laptop, GPS, dan lain lain. Peralatan tersebut membutuhkan sumber listrik AC. Sedangkan percobaan penerbangan pesawat dilakukan di tanah lapang yang luas dan tentunya tidak ada sumber listrik AC dari PLN. Sementara itu, di tanah lapang terdapat sumber energi berupa sinar matahari yang melimpah. Agar sumber energi tersebut dapat dimanfaatkan, dibutuhkan konverter DC-DC yang memiliki gain tinggi, serta inverter sebagai alat yang mengkonversikan listrik DC-AC untuk digunakan sebagai sumber listrik. Pada penelitian ini akan dirancang dan diimplementasikan konverter DC-DC beserta inverter 1 fasa dengan nilai tegangan 220 V. Konverter yang digunakan merupakan nonisolated dan transformerless yang pada implementasinya mampu menghasilkan rasio konversi sebesar 10 kali dengan duty cycle 78,9%. Dengan menerapkan topologi ini, maka dapat diperoleh tegangan output konverter sebesar 240 V dengan nilai tegangan input sebesar 24 V pada aplikasi PV. Efisiiensi rata – rata hasil pengujian konverter sebesar 89,44%. =============== Solar cells are an environmentally friendly source of renewable energy. Solar cells are able to convert solar light energy into electrical energy. One application of solar cells is as an energy source on unmanned aircraft. Unmanned aircraft are controlled via GCS (Ground Control Station). GCS is an onshore control center providing facilities for unmanned drone control. GCS consists of several utilities such as laptops, GPS, and others. The equipment requires an AC power source. While the flight test aircraft conducted in a vast field and of course there is no AC power source from PLN. Meanwhile, in the field there is a source of energy in the form of abundant sunshine. In order for these energy sources to be utilized, a high-gain DC-DC converter is needed, as well as an inverter as a tool that converts DC-AC power for use as a power source. In this research will be designed and implemented DC-DC converter along with 1 phase inverter with a voltage value of 220 V. The converter used is nonisolated and transformerless which in its implementation can generate a conversion ratio of 10 times with a duty cycle of 78.9%. By applying this topology, we can obtain a 240 V converter output voltage with an input voltage value of 24 V in a PV application. The average efficiency of converter test results was 89.44%