Огляд двонаправлених перетворювачів постійної напруги з широкими діапазонами вхідних та вихідних напруг для автономних систем генерації електричної енергії на основі фотоелектричних перетворювачів
DOI:
https://doi.org/10.25140/2411-5363-2025-4(42)-382-413Ключові слова:
автономні електричні мережі; автономні системи генерації; двонаправлені перетворювачі; напівпровідникові перетворювачі; перетворювачі постійної напруги; порівняльний аналіз; топології перетворювачів; реверсування перетворювача; системи автоматичного керування; фотоелектричні панеліАнотація
У роботі виконано аналітичний огляд та класифікацію напівпровідникових двонаправлених перетворювачів постійної напруги, які є важливою складовою частиною автономних систем генерації електричної енергії на основі фотоелектричних перетворювачів. Розглянуто основні топології силової частини двонаправлених перетворювачів без гальванічної розв’язки між сторонами обміну енергією та з гальванічною розв’язкою за допомогою високочастотного силового трансформатора. Сформульовано оригінальний підхід до вибору схеми резонансної ланки в складі резонансних ізольованих двонаправлених перетворювачів. Розглянуто принципи та алгоритми, що лежать в основі побудови систем автоматичного керування двонаправленими перетворювачами, узагальнено переваги та недоліки основних підходів до керування та область їх застосування. Висвітлені базові засади побудови багатонаправлених/багатопортових перетворювачів, а також специфічні прийоми з’єднання елементів силової частини та керування для них. Окрема увага приділена питанням підвищення вхідної та вихідної напруги, циркулюючого струму та розширення діапазону перетворення шляхом застосування методів каскадування, а також процесу реверсування двонаправлених перетворювачів.
Посилання
Yakushkin, T., Yershov, R., & Stepenko, S. (2023). Comparative analysis of topologies and algorithms for maximum power point trackers in photovoltaic systems. Technical Sciences and Technologies, (2(32)), 321–339. https://doi.org/10.25140/2411-5363-2023-2(32)-321-339.
Fesenko, A., Yershov, R., & Stepenko, S. (2017). Overview and reasoning of storage bat-teries selection for autonomous power supply system based on photovoltaic converters. Technical Sciences and Technologies, (1(7)), 177–186. https://doi.org/10.25140/2411-5363-2017-1(7)-177-186.
Veligorskyi, O., Husev, O., Shevchenko, V., Tytelmaier, K., Yershov, R., Kosenko, R., & Vinnikov, D. (2018). A novel hysteresis power point optimizer for distributed solar power gener-ation. Electrical, Control and Communication Engineering, 14(1), 12–22. https://doi.org/10.2478/ecce-2018-0002.
Karshenas, H. R., Daneshpajooh, H., Safaee, A., Jain, P., & Bakhshai, A. (2011). Bidirec-tional dc-dc converters for energy storage systems. Energy Storage in the Emerging Era of Smart Grids, 161–178. https://doi.org/10.5772/23494.
Tytelmaier K., Husev O., Veligorskyi O., & Yershov R. (2016). A review of non-isolated bidirectional dc-dc converters for energy storage systems 2016 II International Young Scientists Forum on Applied Physics and Engineering (YSF), 22¬¬–28. https://doi.org/10.1109/YSF.2016.7753752.
Tuluhong, A., Xu, Z., Chang, Q., & Song, T. (2025). Recent developments in bidirec-tional dc-dc converter topologies, control strategies, and applications in photovoltaic power generation systems: a comparative review and analysis. Electronics, 14(2), 389. https://doi.org/10.3390/electronics14020389.
Alatai, S., Salem, M., Ishak, D., Das, H. S., Alhuyi Nazari, M., Bughneda, A., & Kama-rol, M. (2021). A review on state-of-the-art power converters: bidirectional, resonant, multilevel converters and their derivatives. Applied Sciences, 11(21), 10172. https://doi.org/10.3390/app112110172.
Singh, K. A., Prajapati, A., & Chaudhary, K. (2021). High gain compact interleaved boost converter with reduced voltage stress for PV application. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 1. https://doi.org/10.1109/jestpe.2021.3120802.
Alghaythi, M. L., O'Connell, R. M., Islam, N. E., Khan, M. M. S., & Guerrero, J. M. (2020). A high step-up interleaved dc-dc converter with voltage multiplier and coupled inductors for renewable energy systems. IEEE Access, 8, 123165–123174. https://doi.org/10.1109/access.2020.3007137.
Wang, Z., Su, X., Zeng, N., & Jiang, J. (2024). Overview of isolated bidirectional dc–dc converter topology and switching strategies for electric vehicle applications. Energies, 17(10), 2434. https://doi.org/10.3390/en17102434.
Junming Zhang, Xiucheng Huang, Xinke Wu & Zhaoming Qian. (2010). A high effi-ciency flyback converter with new active clamp technique. IEEE Transactions on Power Elec-tronics, 25(7), 1775–1785. https://doi.org/10.1109/tpel.2010.2042302.
Konar, S., & Saha, S. S. (2020). Efficient energy recovery and boosting the voltage gain of a soft-switched flyback converter. У 2020 IEEE International Conference on Power Electron-ics, Drives and Energy Systems (PEDES). IEEE. https://doi.org/10.1109/pedes49360.2020.9379458.
Lagap, T., Dimopoulos, E., & Munk-Nielsen, S. (2015). An RCDD snubber for a bidi-rectional flyback converter. У 2015 17th European Conference on Power Electronics and Appli-cations (EPE'15 ECCE-Europe). IEEE. https://doi.org/10.1109/epe.2015.7309439.
Kheraluwala, M. N., Gascoigne, R. W., Divan, D. M., & Baumann, E. D. (1992). Per-formance characterization of a high-power dual active bridge DC-to-DC converter. IEEE Trans-actions on Industry Applications, 28(6), 1294–1301. https://doi.org/10.1109/28.175280.
Muhammetoglu, B., & Jamil, M. (2024). Dual active bridge converter with interleaved and parallel operation for electric vehicle charging. Energies, 17(17), 4258. https://doi.org/10.3390/ en17174258.
Huiqing Wen. (2013). Determination of the optimal sub-mode for bidirectional dual-active-bridge DC-DC converter with multi-phase-shift control. У 2013 IEEE ECCE Asia Downunder (ECCE Asia 2013). IEEE. https://doi.org/10.1109/ecce-asia.2013.6579159.
Iqbal, M. T., Maswood, A. I., Dehghani Tafti, H., Tariq, M., & Bingchen, Z. (2020). Ex-plicit discrete modelling of bidirectional dual active bridge dc–dc converter using multi‐time scale mixed system model. IET Power Electronics, 13(18), 4252–4260. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2020.0293.
Kwak, B., Kim, M., & Kim, J. (2020). Inrush current reduction technology of DAB converter for low‐voltage battery systems and DC bus connections in DC microgrids. IET Power Electronics, 13(8), 1528–1536. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2019.0506.
Peng, F. Z., Li, H., Su, G. J., & Lawler, J. S. (2004). A New ZVS Bidirectional DC–DC Converter for Fuel Cell and Battery Application. IEEE Transactions on Power Electronics, 19(1), 54–65. https://doi.org/10.1109/tpel.2003.820550.
Zupan, I., Lasic, A., Kruselj, D., Sunde, V., & Ban, Z. (2019). Power converter circuits for recuperation of the regenerative braking energy in rail vehicles. У 2019 42nd International Convention on Information and Communication Technology, Electronics and Microelectronics (MIPRO). IEEE. https://doi.org/10.23919/mipro.2019.8757124.
Salem, M., Jusoh, A., Idris, N. R. N., & Alhamrouni, I. (2015). A Review of an Induc-tive Power Transfer System for EV Battery Charger. European Journal of Scientific Research, 134(1), 41–56.
Salem, M., Jusoh, A., Nik Idris, N. R., Sutikno, T., & Buswig, Y. M. Y. (2017). Phase-shifted Series Resonant Converter with Zero Voltage Switching Turn-on and Variable Frequency Control. International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS), 8(3), 1184. https://doi.org/ 10.11591/ijpeds.v8.i3.pp1184-1192.
Deshmukh (Gore), S., Iqbal, A., Islam, S., Khan, I., Marzband, M., Rahman, S., & Al-Wahedi, A. M. A. B. (2022). Review on classification of resonant converters for electric vehicle application. Energy Reports, 8, 1091–1113. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.12.013.
Liu, J., Sheng, L., Shi, J., Zhang, Z., & He, X. (2009). LCC Resonant Converter Operat-ing under Discontinuous Resonant Current Mode in High Voltage, High Power and High Fre-quency Applications. У 2009 Twenty-Fourth Annual IEEE Applied Power Electronics Confer-ence and Exposition (APEC). IEEE. https://doi.org/10.1109/apec.2009.4802862.
Jain, A., & Massimiani, I. C. (2021). LCC Resonant Converter Design and Transfer Function Computation Using FHA Analysis. У 2021 4th Biennial International Conference on Nascent Technologies in Engineering (ICNTE). IEEE. https://doi.org/10.1109/icnte51185.2021.9487672.
Geddam, K. K., & Devaraj, E. (2022). Real Time Hardwarein-Loop Implementation of LLC Resonant Converter at Worst Operating Point Based on Time Domain Analysis. Energies, 15(10), 3634. https://doi.org/10.3390/en15103634.
Jin, N.-Z., Feng, Y., Chen, Z.-Y., & Wu, X.-G. (2023). Bidirectional CLLLC Resonant Converter Based on Frequency-Conversion and Phase-Shift Hybrid Control. Electronics, 12(7), 1605. https://doi.org/10.3390/electronics12071605.
Li, B., Lee, F. C., Li, Q., & Liu, Z. (2017). Bi-directional on-board charger architecture and control for achieving ultra-high efficiency with wide battery voltage range. У 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). IEEE. https://doi.org/10.1109/apec.2017.7931228.
Wu, H., Xu, P., Hu, H., Zhou, Z., & Xing, Y. (2014). Multiport Converters Based on Integration of Full-Bridge and Bidirectional DC–DC Topologies for Renewable Generation Systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61(2), 856–869. https://doi.org/10.1109/tie.2013.2254096.
Venmathi, M., & Ramaprabha, R. (2013). A comprehensive survey on multi-port bidi-rectional dc-dc converters for renewable energy systems. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 8(5), 348–356.
Lee, J.-P., Cha, H., Shin, D., Lee, K.-J., Yoo, D.-W., & Yoo, J.-Y. (2013). Analysis and Design of Coupled Inductors for Two-Phase Interleaved DC-DC Converters. Journal of Power Electronics, 13(3), 339–348. https://doi.org/10.6113/jpe.2013.13.3.339.
Zhao, Y., Li, W., Deng, Y., & He, X. (2011). High step-up boost converter with passive lossless clamp circuit for non-isolated high step-up applications. IET Power Electronics, 4(8), 851. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2010.0232.
Mayer, R., Kattel, M. B. E., & Oliveira, S. V. G. (2021). Multiphase Interleaved Bidirec-tional DC/DC Converter With Coupled Inductor for Electrified-Vehicle Applications. IEEE Transactions on Power Electronics, 36(3), 2533–2547. https://doi.org/10.1109/tpel.2020.3015390.
Goel, M., Joshi, D., & Mulenga, J. (2024). Performance Analysis of Input Parallel Out-put Series Full Bridge Converter Considering Parasitic Effects. У 2024 IEEE Region 10 Sympo-sium (TENSYMP) (с. 1–6). IEEE. https://doi.org/10.1109/tensymp61132.2024.10752111.
Xinbo Ruan, Wu Chen, Lulu Cheng, Tse, C. K., Hong Yan & Tao Zhang. (2009). Control Strategy for Input-Series–Output-Parallel Converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 56(4), 1174–1185. https://doi.org/10.1109/tie.2008.2007980.
Kawauchi, K., Higa, H., Kusaka, K., & Itoh, J.-i. (2018). Dead-time Compensation Method for Dual Active Bridge Converter with Three-level Operation. IEEJ Transactions on Industry Applications, 138(12), 944–945. https://doi.org/10.1541/ieejias.138.944.
Pawar, D. N., & Singh, N. M. (2017). MPC based controller for dual active bidirectional DC-DC converter driving inverter using dynamic phasor approach. У 2017 IEEE International Conference on Power, Control, Signals and Instrumentation Engineering (ICPCSI). IEEE. https://doi.org/10.1109/ icpcsi.2017.8391795.
Yakushkin, T. V., Yershov, R. D., & Gordienko, V. V. (2025). Analytical Model of Quasi-Z-Source DC-DC Converter Using Nodal Admittance Matrix in Laplace-Domain. У Lecture Notes in Networks and Systems (с. 408–433). Springer Nature Switzer-land. https://doi.org/10.1007/978-3-031-90735-7_31.
Figueres, E., Garcera, G., Benavent, J. M., Pascual, M., & Martinez, J. A. (2006). Adap-tive two-loop Voltage-mode control of DC-DC switching converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 53(1), 239–253. https://doi.org/10.1109/tie.2005.862254.
Truntic, M., Rodic, M., & Milanovic, M. (2013). Voltage and current-mode control for a multiphase bi-directional DC-DC converter. У 2013 International Conference on Compatibility and Power Electronics (CPE). IEEE. https://doi.org/10.1109/cpe.2013.6601144.
Jin, C., Wang, P., Xiao, J., Tang, Y., & Choo, F. H. (2014). Implementation of Hierar-chical Control in DC Microgrids. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61(8), 4032–4042. https://doi.org/10.1109/tie.2013.2286563.
Dragicevic, T., Lu, X., Vasquez, J., & Guerrero, J. (2015). DC Microgrids–Part I: A Review of Control Strategies and Stabilization Techniques. IEEE Transactions on Power Electronics, 1. https://doi.org/10.1109/tpel.2015.2478859
Agarwal, A., Deekshitha, K., Singh, S., & Fulwani, D. (2015). Sliding mode control of a bidirectional DC/DC converter with constant power load. У 2015 IEEE First International Conference on DC Microgrids (ICDCM). IEEE. https://doi.org/10.1109/icdcm.2015.7152056.
Wu, L., Liu, J., Vazquez, S., & Mazumder, S. K. (2022). Sliding Mode Control in Power Converters and Drives: A Review. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, 9(3), 392–406. https://doi.org/10.1109/jas.2021.1004380.
Postlethwaite, I., & Skogestad, S. (1993). Robust Multivariable Control Using H ∞ Methods: Analysis, Design and Industrial Applications. У Essays on Control (с. 269–337). Birkhäuser Boston. https://doi.org/10.1007/978-1-4612-0313-1_9.
Kemin, Z. (1998). Essentials of robust control (D. J. Comstock, Ed.). Prentice Hall.
Khomenko, M., Veligorskyi, O., Husev, O., Tytelmaier, K., & Yershov, R. (2017). Model predictive control of photovoltaic bidirectional DC-DC converter with coupled inductors. У 2017 IEEE First Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON). IEEE. https://doi.org/10.1109/ukrcon.2017.8100308.
Wu, F., Fan, S., & Luo, S. (2020). Small-Signal Modeling and Closed-loop Control of Bidirectional Buck-Boost Current-Fed Isolated DC-DC Converter. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1. https://doi.org/10.1109/tie.2020.2984448.
Biswas, I., Kastha, D., & Bajpai, P. (2021). Small Signal Modeling and Decoupled Controller Design for a Triple Active Bridge Multiport DC–DC Converter. IEEE Transactions on Power Electronics, 36(2), 1856–1869. https://doi.org/10.1109/tpel.2020.3006782.
Guerrero, J. M., Vasquez, J. C., Matas, J., de Vicuna, L. G., & Castilla, M. (2011). Hier-archical Control of Droop-Controlled AC and DC Microgrids—A General Approach Toward Standardization. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 58(1), 158–172. https://doi.org/10.1109/ tie.2010.2066534.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
