Akter, Md. Parvez;Mekhilef, Saad;Tan, Nadia Mei Lin;Akagi, Hirofumi
Journal of Electrical Engineering and Technology
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제10권1호
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pp.165-175
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2015
Energy storage system has been widely applied in power distribution sectors as well as in renewable energy sources to ensure uninterruptible power supply. This paper presents a model predictive algorithm to control a bidirectional AC-DC converter, which is used in an energy storage system for power transferring between the three-phase AC voltage supply and energy storage devices. This model predictive control (MPC) algorithm utilizes the discrete behavior of the converter and predicts the future variables of the system by defining cost functions for all possible switching states. Subsequently, the switching state that corresponds to the minimum cost function is selected for the next sampling period for firing the switches of the AC-DC converter. The proposed model predictive control scheme of the AC-DC converter allows bidirectional power flow with instantaneous mode change capability and fast dynamic response. The performance of the MPC controlled bidirectional AC-DC converter is simulated with MATLAB/Simulink(R) and further verified with 3.0kW experimental prototypes. Both the simulation and experimental results show that, the AC-DC converter is operated with unity power factor, acceptable THD (3.3% during rectifier mode and 3.5% during inverter mode) level of AC current and very low DC voltage ripple. Moreover, an efficiency comparison is performed between the proposed MPC and conventional VOC-based PWM controller of the bidirectional AC-DC converter which ensures the effectiveness of MPC controller.
This paper proposes a new method for the current ripple reduction of a three-phase interleaved bidirectional DC-DC converter. Usually, the three-phase interleaved bidirectional DC-DC converter is used for battery charging and discharging to reduce battery current ripple. In V2G application, a PWM AC-DC converter is used to connect the AC power grid and three-phase interleaved bidirectional DC-DC converter for battery charging and discharging. The magnitude of DC link voltage affects the battery current ripple magnitude. Therefore, the magnitude of the battery ripple current is analyzed with variations of battery and DC link voltages. The ripple current magnitude is found to be minimized by controlling the DC link voltage. Simulation and experimental results show the usefulness of the proposed method.
This paper proposes a single-phase bidirectional AC/DC converter topology applied in V2G systems, which consists of an inverter and a bidirectional non-inverting buck-boost converter. This topology can operate in four modes: buck charging, boost charging, buck discharging and boost discharging with high input current quality and unity input power factor. The inverter switches at line frequency, which is different from conventional voltage source inverters. A bidirectional buck-boost converter is utilized to adapt to a wider charging voltage range. The modulation and control strategy is introduced in detail, and the switching patterns are optimized to reduce the current ripple. In addition, the semiconductor losses are analyzed. Simulation and experimental results demonstrate the validity and effectiveness of the proposed topology.
This paper deals with a bidirectional ac-dc converter used in ups system application. We propose a Voltage-Source-Charge-Pump-Power-Factor-Correction(VS-CPPFC) ac-dc converters. First of all, we propose a charge pump power-factor-correction converter. Secondly, we derive and analyse a unity power factor condition. The proposed topology is based on a half-bridge for the primary and a current-fed push pull for the secondary side of a high frequency isolation transformer. The advantage of bidirectional flow of power achieved by using the same power components is that the circuit is simple and efficient. And the galvanically isolated topology is specially attractive in battery charge/discharge circuits in ups system. We design equivalent model for the steady-state circuit and analyse operation waveforms for each mode. We show that the proposed model can be applied to ups system by simulation processes.
This paper presents a novel type soft switching PWM power frequency AC-AC converter using bidirectional active switches or single phase utility frequency AC-high frequency AC matrix converter. This converter can directly convert utility frequency AC (UFAC, 50Hz/60Hz) power to high frequency AC (HFAC) power ranging more than 20kHz up to 100kHz. A novel soft switching PWM prototype of high frequency multi-resonant PWM controlled UFAC-HFAC matrix converter using antiparallel one-chip reverse blocking IGBTs manufactured by IXYS corp. is based on the soft switching resonance with asymmetrical duty cycle PWM strategy. This single phase UFAC-HFAC matrix converter has some remarkable features as electrolytic capacitor DC busline linkless topology, unity power factor correction and sine-wave line current shaping, simple configuration with minimum circuit components, high efficiency and downsizing. This series load resonant UFAC-HFAC matrix converter, incorporating bidirectional active power switches is developed and implemented for high efficiency consumer induction heated food cooking appliances in home uses and business-uses. Its operating performances as soft switching operating ranges and high frequency effective power regulation characteristics are illustrated and discussed on the basis of simulation and experimental results.
In this paper, bidirectional AC-DC converter using dual half-bridge converter is proposed. A transformer leakage inductance in the dual half-bridge converter is used for making resonance with the capacitor of the voltage-doubler, which can help the switched current to be sinusoidal without extra inductive component and also the switching loss can be reduced through operation such as ZVS, ZCS. Both circuit analysis and design guideline are described, and also the feasibility for the proposed converter is shown through the hardware implementation and the experimental results.
The electronic products such as laptop PC, cellular phone, robots and etc. need the DC power source. Recently, the secondary battery is frequently used as the portable DC power source and it needs forming process. In this paper, we proposed the bidirectional converter that the battery can be charged with high power factor and the discharged energy is regenerated into AC power source. In the charging mode, the converter acts as the boost rectifier. And the AC input current is controlled in phase with the AC input voltage. As a result, the power factor is improved nearly to unity. In the discharging mode, the DC power of battery wasted in resistor is regenerated to the AC bus line. Finally, the validity of the proposed bidirectional converter is verified by computer simulations and experimentation.
A novel topology generation method for the no dead-time three-phase AC/DC converter is proposed in this study. With this method, a series of no dead time topologies are generated and their operation principles are analyzed. The classic three-phase bridge AC/DC converter can realize a bidirectional operation. However, dead-time should be inserted in the driving signals to avoid the shoot-through problem, which would cause additional harmonics. Compared with the bridge topology, the proposed topologies lack the shoot-through problem. Thus, dead time can be avoided. All of the no dead time three-phase AC/DC converters can realize bidirectional operation. The operating principles of the converters are analyzed in detail, and the corresponding control strategies are discussed. Comparisons of waveform distortion and efficiency among the converters are provided. Finally, 9 KW DSP-based principle prototypes are established and tested. Simulation and experimental results verify the theoretical analysis.
Nowadays, bidirectional DC-DC converters are becoming more into picture for different applications especially electric vehicles. There are many bidirectional DC-DC converters topologies; however, voltage-fed Dual Half-Bridge (DHB) topology has less number of switches as compared to other isolated bidirectional DC-DC converters. Furthermore, voltage fed DHB has galvanic isolation, high power density, reduced size, high efficiency and hence cost effective. Electrolytic capacitors always have problem regarding size and reliability in DC-AC single phase inverters. Therefore, voltage-fed DHB converter is proposed for the purpose of power decoupling to replace electrolytic capacitor by film capacitors. A new control strategy has been developed for 120Hz ripple rejection, and it was verified by simulation.
This study proposes a small-signal model and control design for a two-stage DC-DC-AC converter to investigate its dynamic characteristics in relation to battery energy storage system. When the circuit analysis of the two-stage DC-DC-AC converter is attempted simultaneously, the mathematical procedure of deriving the dynamic equation is complex and difficult. The main idea of modeling the two-stage DC-DC-AC converter states that this topology is separated into a bidirectional DC-DC converter and a single-phase inverter with an equivalent current source corresponding to that of the inverter or converter. The dynamic equations for the separated converter and inverter are then derived using the state-space averaging technique. The procedures of building the small-signal model of the two-stage DC-DC-AC converter are described in detail. Based on the derived small-signal model, the individual controllers are designed through a frequency-domain analysis. The simulation and experimental results verify the validity of the proposed modeling approach and controller design.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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