Grid Integration of DC Buildings: Standards, Requirements and Power Converter Topologies

Residential dc microgrids and nanogrids are the emerging technology that is aimed to promote the transition to energy-efficient buildings and provide simple, highly flexible integration of renewables, storages, and loads. At the same time, the mass acceptance of dc buildings is slowed down by the relative immaturity of the dc technology, lack of standardization and general awareness about its potential. Additional efforts from multiple directions are necessary to promote this technology and increase its market attractiveness. In the near-term, it is highly likely that the dc buildings will be connected to the conventional ac distribution grid by a front-end ac-dc converter that provides all the necessary protection and desired functionality. At the same time, the corresponding requirements for this converter have not been yet consolidated. To address this, present paper focuses on various aspects of the integration of dc buildings and includes analysis of related standards, directives, operational and compatibility requirements as well as classification of voltage levels. In addition, power converter configurations and modulation methods are analyzed and compared. A classification of topologies that can provide the required functionality for the application is proposed. Finally, future trends and remaining challenges pointed out to motivate new contributions to this topic

Convertidores de potencia para microrredes y sistemas de generación distribuidos

This paper presents an overview and critical discussion about the utilization of power converters in several microgrid configurations that incorporate non-conventional renewable energy sources and energy storage. The methodology is developed over 69 works published in this research topic. The papers are selected from databases in electrical engineering, e.g., IEEExplore, ScienceDirect, Springer, MDPI, etc. Then, the papers are classified depending on its focus, i.e., power converters in microgrids or power converters in distribution systems. At least, three classifications are proposed and one of them is made over more than 40 papers about power converters used in microgrids and electric distribution systems. Given the wide variety of microgrids and their configurations, the selection of appropriate power converters for every scenario is not trivial; therefore, this work also classifies the converters in their most common application, their advantages and disadvantages, and also point out the study domain, i.e., simulation or physical implementation. One of the main conclusions made from the overview is a gap identified in the study of direct current/ direct current microgrids despite being the simplest configuration among the three analyzed configurations. This is because hybrid and alternate current microgrids are more widely used since they allow taking advantage of the infrastructure of the current electrical systems.Este artículo presenta una visión general y una discusión crítica sobre la utilización de convertidores de potencia en varias configuraciones de microrredes que incorporan fuentes de energía renovable no convencionales y almacenamiento de energía. La metodología se desarrolla sobre 69 trabajos publicados en este tema de investigación. Los documentos se seleccionan de bases de datos en ingeniería eléctrica, p. ej. IEEExplore, ScienceDirect, Springer, MDPI, etc. Luego, los artículos se clasifican según su enfoque, es decir, convertidores de potencia en microrredes o convertidores de potencia en sistemas de distribución. Se proponen al menos tres clasificaciones y una de ellas se realiza sobre más de 40 artículos sobre convertidores de potencia utilizados en microrredes y sistemas de distribución eléctrica. Dada la gran variedad de microrredes y sus configuraciones, la selección de convertidores de potencia apropiados para cada escenario no es trivial; por lo tanto, este trabajo también clasifica a los convertidores en su aplicación más común, sus ventajas y desventajas, y también señala el dominio de estudio, es decir, simulación o implementación física. Una de las principales conclusiones extraídas de la visión general es una brecha identificada en el estudio de las microrredes de corriente continua / corriente continua a pesar de ser la configuración más simple entre las tres configuraciones analizadas. Esto se debe a que las microrredes híbridas y de corriente alterna son las más utilizadas ya que permiten aprovechar la infraestructura de los sistemas eléctricos actuales

Conversor Interlink Multiportas: conversor flyback multidirecional multi-enrolamentos

This work aims to present a new topology of a multiport converter DC-DC. Entitled as multi-winding multidirectional Flyback converter of n port (inputs/outputs) operating as an interface between photovoltaic system, DC load, battery energy storage system, wind system, electric vehicle (EV) and utility grid. Therefore, there are several possibilities to connect, once it can group up to n systems, different or not, in the proposed topology. This interface is known as an Interlink Multi-Port Converter (IMPC), which supply power in any direction and centralized control of the flow between the converter ports. Furthermore, it is possible to connect the systems directly to the IMPC, as a consequence, ensuring that the sources are not connected to the same bus, as well as, reducing the need for additional DC-DC converters and the systems can operate at different rated voltages and current. Due to its multidirectional functioning, a port can be responsible for supplying or receiving energy, demanding, however, the observance of the duty-cycle control when providing it or the phase-shift control when collecting energy. Thus, control strategies are elaborated using techniques, such as selective control, uncoupling the operation modes of the IMPC converter (supplying/receiving energy) through the hybrid predictive current controller. At last, the simulations are implemented in the PSIM® software, in order to evaluate the robustness of the control and validate the performance of the IMPC in managing the power flow between the ports.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorDissertação (Mestrado)Este trabalho tem como finalidade apresentar uma nova topologia de conversor multiporta CC-CC. Intitulado de flyback multidirecional multi-enrolamentos de n portas (entradas/saídas); operando como uma interface de ligação entre sistema fotovoltaico, carga CC, sistema de armazenamento/fornecimento em baterias, sistema de energia eólica, veículo elétrico (Electric vehicle - EV) e rede de distribuição. Portanto, há várias possibilidades de combinações, uma vez que pode-se agrupar até n sistemas, distintos ou não, para conectar na estrutura proposta. Essa interface é conhecida como conversor interlink multiporta (Interlink Multiport Converter - IMPC) com a capacidade de fluxo de potência multidirecional e controle centralizado do fluxo entre as portas do conversor. Além disso, é possível conectar os sistemas diretamente ao IMPC, assim, assegura-se que as fontes não estejam conectadas no mesmo barramento, além do mais, reduz-se a necessidade de conversores CC-CC adicionais e podem operar em tensões e correntes nominais diferentes. Em decorrência do seu funcionamento multidirecional, uma porta pode ser responsável pelo fornecimento ou recebimento de energia, exige-se, entretanto, a observância do controle da razão cíclica na hora de fornecê-la ou do controle por phase-shift, defasagem dos pulsos dos interruptores, na coleta de energia. Assim, elaboram-se estratégias de controle utilizando de técnicas, como o controle seletivo, desacoplando os modos de operação do conversor IMPC (fornecimento/recebimento de energia) por meio de um controlador preditivo de corrente híbrido. Por fim, as simulações são implementadas no software PSIM® com a finalidade de avaliar a robustez do controle e validar o desempenho do IMPC em gerenciar o fluxo de potência entre as portas

CASCADED VOLTAGE STEP-UP CANONICAL ELEMENTS FOR POWER PROCESSING IN PV APPLICATIONS

En aquesta tesis, es proposarà, com a solució per al disseny d’etapes d’elevat guany en aplicacions fotovoltaiques, la connexió en cascada d’elements canònics per al processat de potència basats en el convertidor elevador boost treballant sota un control en mode lliscant. Els tres elements canònics per al processat de potència són el transformador de corrent continu (CC), el girador de CC i el Loss-Free Resistor (LFR) o resistor lliure de pèrdues. La connexió en cascada de dos convertidors elevadors s’ha realitzat mitjançant diferents enfocs: dos elements canònics idèntics, dos elements canònics diferents i també mitjançant una única superfície de lliscament per controlar els dos convertidors. Les diferents connexions s’han comparat en termes de prestacions dinàmiques, estabilitat y temps d’establiment. Es podrà veure que la connexió en cascada de dos LFR és la millor opció per les aplicacions citades en termes de prestacions dinàmiques i estabilitat. La connexió en cascada de dos LFR s’aplicarà per la implementació d’una etapa d’adaptació d’impedàncies entre un generador fotovoltaic i un bus de tensió continua de 380 V. Per fer-ho s’utilitzarà un sistema MPPT basat en un algoritme de control extremal. Es modelarà la dinàmica ideal en mode lliscant d’ordre reduït a partir del model complet commutat tenint en compte les restriccions del mode lliscant, la característica no lineal del generador fotovoltaic i la dinàmica del control MPPT. A més a més, la connexió en cascada de dos LFR s’utilitzarà per inyectar la potència provinent d’un generador PV a una xarxa de corrent altern . A continuació, es durà a terme una comparació entre la connexió en cascada de dos LFR i dos convertidors amb guany elevat: el convertidor Z-source i un convertidor basat amb inductors acoblats. Aquests convertidors s’analitzaran per tal d’identificar els avantatges i els desavantatges de cada topologia en front a la connexió en cascada de dos LFR. La comparació es farà en termes de volum, nombre de components, prestacions dinàmiques, estabilitat i rendiment. Finalment, els dos LFR connectats en cascada s’utilitzaran per dissenyar una nanoxarxa formada per n LFR connectats en paral•lel que actuaran com etapa adaptadora entre n generadors fotovoltaics i un bus de CC de 380 V. Cada generador fotovoltaic es connectarà al bus de CC utilitzant dos LFR en cascada de forma que els n sistemes tindran els seus ports de sortida connectats en paral•lel. A més a més, es connectarà una bateria al sistema a través d’un convertidor bidireccional que serà l’encarregat de regular la tensió del bus de CC de la nanoxarxa. En el marc d’aquesta tesis s’han implementat diferents prototipus experimentals per tal de validar els anàlisis teòrics i les simulacions numèriques efectuades.En esta tesis, se propondrá, como solución para el diseño de etapas de elevada ganancia en aplicaciones fotovoltaicas, la conexión en cascada de elementos canónicos para el procesado de potencia basados en el convertidor elevador boost trabajando bajo un control en modo deslizante. Los tres elementos canónicos para el procesado de potencia son el transformador de corriente continua (CC), el girador de CC y el Loss-Free Resistor (LFR) o resistor libre de pérdidas. La conexión en cascada de dos convertidores elevadores se ha realizado mediante diferentes enfoques: dos elementos canónicos idénticos, dos elementos canónicos diferentes y también mediante una única superficie de deslizamiento para controlar los dos convertidores. Las diferentes conexiones se han comparado en términos de prestaciones dinámicas, estabilidad y tiempo de establecimiento. Se podrá ver que la conexión en cascada de dos LFR es la mejor opción para las aplicaciones citadas en términos de prestaciones dinámicas y estabilidad. La conexión en cascada de dos LFR se utilizará en la implementación de una etapa de adaptación de impedancias entre un generador fotovoltaico y un bus de CC de 380 V. Para ello se utilizará un sistema MPPT basado en un algoritmo de control extremal. Se modelará la dinámica ideal deslizante de orden reducido a partir del modelo completo conmutado teniendo en cuenta les restricciones del modo deslizante, la característica no lineal del generador fotovoltaico y la dinámica del control MPPT. Además, la conexión en cascada de dos LFR se utilizará para inyectar la potencia proporcionada por un generador PV a una red de corriente alterna. A continuación, se llevará a cabo una comparación entre la conexión en cascada de dos LFR y dos convertidores con ganancia elevada: el convertidor Z-source y un convertidor basado en inductores acoplados. Estos convertidores se analizarán para identificar las ventajas y desventajas de cada topología frente a la conexión en cascada de dos LFR. La comparación se hará en términos de volumen, número de componentes, prestaciones dinámicas, estabilidad y rendimiento. Finalmente, los dos LFR conectados en cascada se utilizarán para diseñar una nano-red formada por n LFR conectados en paralelo que actuarán como etapa adaptadora entre n generadores fotovoltaicos y un bus de CC de 380 V. Cada generador fotovoltaico se conectará al bus de CC utilizando dos LFR conectados en cascada de forma que los n sistemas tendrán sus puertos de salida conectados en paralelo. Además, se conectará una batería al sistema a través de un convertidor bidireccional que será el encargado de regular la tensión del bus de CC de la nano-red. En el marco de esta tesis se han implementado diferentes prototipos experimentales para validar los análisis teóricos y las simulaciones numéricas efectuadas.In this thesis, cascaded boost converters based on canonical elements under Sliding Mode Control (SMC) will be used as a solution for the high gain conversion ratio in PV applications. The three basic canonical elements for power processing are the DC-transformer, the DC-gyrator and the Loss Free resistor (LFR). Two cascaded boost converters will be synthesized based on one or two canonical elements using single or double sliding surfaces respectively. Different connections will be compared in terms of dynamic performance, stability, and settling time. It will be shown that the two cascaded LFRs is the best candidate for these kinds of applications in terms of dynamic performance and stability. The two cascaded LFRs will be applied to make an impedance matching between a PV generator and a DC voltage bus of 380 V. Maximum Power Point Tracker (MPPT) that employs an extremum-seeking control algorithm will be used. The ideal reduced-order sliding-mode dynamics model will be derived from the full-order switched model taking into account the sliding constraints, the nonlinear characteristic of the PV module and the dynamics of the MPPT controller. Moreover, the two cascaded LFRs will be used to connect a PV panel and AC distribution system. A comparison with other alternative converters for high gain conversion ratio will be carried out. The Z-source converter and the high step-up converter based on coupled-inductor are selected in order to make this comparison. These converters will be analyzed in order to address the advantages and disadvantages of each topology to be compared with the two cascaded LFRs in terms of volume, number of components, dynamic performance, stability and efficiency. Then, the two cascaded LFRs system will be used to synthesize a nanogrid consisting of n output paralleled two-stage boost converters which are used to connect n PV panels to a DC voltage bus of 380 V. Each PV panel is connected to the DC bus using two-stage cascaded LFRs and the n systems are connected in parallel at the output side which is then used as an interface between the panels and the DC grid. Moreover, a storage battery will be connected to the grid as a backup for the DC bus through a bidirectional converter and also for regulating the voltage of the DC bus. The thesis includes experimental implementations for validating the theoretical analysis and the numerical simulations

Advances in Supercapacitor Technology and Applications Ⅱ

Energy storage is a key topic for research, industry, and business, which is gaining increasing interest. Any available energy-storage technology (batteries, fuel cells, flywheels, and so on) can cover a limited part of the power-energy plane and is characterized by some inherent drawback. Supercapacitors (also known as ultracapacitors, electrochemical capacitors, pseudocapacitors, or double-layer capacitors) feature exceptional capacitance values, creating new scenarios and opportunities in both research and industrial applications, partly because the related market is relatively recent. In practice, supercapacitors can offer a trade-off between the high specific energy of batteries and the high specific power of traditional capacitors. Developments in supercapacitor technology and supporting electronics, combined with reductions in costs, may revolutionize everything from large power systems to consumer electronics. The potential benefits of supercapacitors move from the progresses in the technological processes but can be effective by the availability of the proper tools for testing, modeling, diagnosis, sizing, management and technical-economic analyses. This book collects some of the latest developments in the field of supercapacitors, ranging from new materials to practical applications, such as energy storage, uninterruptible power supplies, smart grids, electrical vehicles, advanced transportation and renewable sources