This thesis proposes three types of three-port electrical energy converters integrated with storage for photovoltaic (PV) systems with partial power regulation (PPR).
In the first type, the proposed energy storage integrated three-port converter (TPC) consists of a buck-boost converter, interposed between the battery energy storage system (BESS) and the DC-AC inverter, in series with PV modules. The buck-boost converter in the proposed TPC is utilized for maximum power point tracking (MPPT) by regulating two power switches. The output power of the proposed converter is regulated by controlling the DC-AC converter.
In the second type, an efficient battery-integrated topology is proposed for PV systems with a wide operation range. The proposed circuit comprises a battery integrated buck converter and a buck-boost converter that share a power flow path. The load voltage could be higher or lower than the PV voltage, depending on the operation mode.
In the third type, an architecture with several partial power TPCs is proposed, with a series connection of distributed PV systems. Each TPC, connected to a PV panel and BESS, not only can be operated individually to achieve MPPT, utilizing solar energy in an efficient way, but also can work together to fulfil the load voltage and power requirements. In these three topologies, during the battery-charging mode, PPR is employed with a direct power flow path (the series-connection of the PV panel, the battery and the output). As resistances in this path are almost negligible, the power conversion efficiency is higher than existing topologies.
The TPC proposed in the first type uses less components, compared to the topologies of the second and third proposals, resulting in higher power conversion efficiency and power density, lower costs and smaller size. Due to employment of load voltage regulator, the output of the proposed topology in the second TPC is regulated at constant voltage during all operation modes. For the third topology, since each PV panel is attached to an individual energy storage integrated TPC, each PV panel can supply its maximum power by implementing an MPPT algorithm, using the solar energy in an efficiency way.
The thesis includes simulation and experimental tests to demonstrate circuit operation, effectiveness of control strategies and power conversion efficiencies.
RESUMEN
Esta tesis propone tres tipos de convertidores de energía eléctrica de tres puertos integrados con almacenamiento para sistemas fotovoltaicos (FV) con regulación parcial de potencia (RPP).
En el primer tipo, el convertidor de tres puertos (CTP) integrado con almacenamiento de energía propuesto consiste en un convertidor reductor-elevador, interpuesto entre el sistema de almacenamiento de energía de la batería y el inversor CC-CA, en serie con módulos fotovoltaicos. El convertidor reductor-elevador en el CTP propuesto se utiliza para el seguimiento del punto de máxima potencia (SPMP) mediante el control de dos interruptores. La potencia de salida del convertidor propuesto se regula controlando el convertidor DC-AC.
En el segundo tipo, se propone una topología eficiente con batería integrada para sistemas fotovoltaicos con un amplio rango de operación. El circuito propuesto comprende un convertidor reductor con batería integrada y un convertidor reductor-elevador que comparten un camino para el flujo de energía. La tensión de la carga puede ser mayor o menor que la tensión del panel fotovoltaico, dependiendo del modo de operación.
En el tercer tipo, se propone una arquitectura con varios CTPs con regulación parcial de potencia, con la conexión en serie de varios sistemas fotovoltaicos distribuidos. Cada CTP, conectado a un panel fotovoltaico y un almacenamiento de energía, no solo puede operarse individualmente para lograr SPMP, utilizando la energía solar de manera eficiente, sino que también puede trabajar complementariamente para cumplir con los requisitos de tensión y potencia de la carga. En estas tres topologías, en el modo de carga de la batería, el RPP utiliza un camino directo para flujo de energía (la conexión en serie del panel fotovoltaico, la batería y la salida). Como las resistencias en este camino son casi insignificantes, la eficiencia de conversión de energía es mayor que la de las topologías existentes.
El CTP propuesto en el primer tipo utiliza menos componentes, en comparación con las topologías de las propuestas segunda y tercera, lo que resulta en una mayor eficiencia de conversión de energía y densidad de potencia, menores costos y menor tamaño. Debido al empleo del regulador de tensión de la carga, en la salida de la topología propuesta en el segundo CTP se mantiene la tensión constante en todos los modos de operación. Para la tercera topología, dado que cada panel fotovoltaico está conectado a un CTP integrado con almacenamiento de energía individual, cada panel fotovoltaico puede suministrar su potencia máxima implementando un algoritmo de SPMP, utilizando la energía solar de manera eficiente.
La tesis incluye simulaciones y pruebas experimentales para demostrar la operación del circuito, la efectividad de las estrategias de control y las eficiencias de conversión de energía.
This thesis proposes three types of three-port electrical energy converters integrated with storage for photovoltaic (PV) systems with partial power regulation (PPR).
In the first type, the proposed energy storage integrated three-port converter (TPC) consists of a buck-boost converter, interposed between the battery energy storage system (BESS) and the DC-AC inverter, in series with PV modules. The buck-boost converter in the proposed TPC is utilized for maximum power point tracking (MPPT) by regulating two power switches. The output power of the proposed converter is regulated by controlling the DC-AC converter.
In the second type, an efficient battery-integrated topology is proposed for PV systems with a wide operation range. The proposed circuit comprises a battery integrated buck converter and a buck-boost converter that share a power flow path. The load voltage could be higher or lower than the PV voltage, depending on the operation mode.
In the third type, an architecture with several partial power TPCs is proposed, with a series connection of distributed PV systems. Each TPC, connected to a PV panel and BESS, not only can be operated individually to achieve MPPT, utilizing solar energy in an efficient way, but also can work together to fulfil the load voltage and power requirements. In these three topologies, during the battery-charging mode, PPR is employed with a direct power flow path (the series-connection of the PV panel, the battery and the output). As resistances in this path are almost negligible, the power conversion efficiency is higher than existing topologies.
The TPC proposed in the first type uses less components, compared to the topologies of the second and third proposals, resulting in higher power conversion efficiency and power density, lower costs and smaller size. Due to employment of load voltage regulator, the output of the proposed topology in the second TPC is regulated at constant voltage during all operation modes. For the third topology, since each PV panel is attached to an individual energy storage integrated TPC, each PV panel can supply its maximum power by implementing an MPPT algorithm, using the solar energy in an efficiency way.
The thesis includes simulation and experimental tests to demonstrate circuit operation, effectiveness of control strategies and power conversion efficiencies.
RESUMEN
Esta tesis propone tres tipos de convertidores de energía eléctrica de tres puertos integrados con almacenamiento para sistemas fotovoltaicos (FV) con regulación parcial de potencia (RPP).
En el primer tipo, el convertidor de tres puertos (CTP) integrado con almacenamiento de energía propuesto consiste en un convertidor reductor-elevador, interpuesto entre el sistema de almacenamiento de energía de la batería y el inversor CC-CA, en serie con módulos fotovoltaicos. El convertidor reductor-elevador en el CTP propuesto se utiliza para el seguimiento del punto de máxima potencia (SPMP) mediante el control de dos interruptores. La potencia de salida del convertidor propuesto se regula controlando el convertidor DC-AC.
En el segundo tipo, se propone una topología eficiente con batería integrada para sistemas fotovoltaicos con un amplio rango de operación. El circuito propuesto comprende un convertidor reductor con batería integrada y un convertidor reductor-elevador que comparten un camino para el flujo de energía. La tensión de la carga puede ser mayor o menor que la tensión del panel fotovoltaico, dependiendo del modo de operación.
En el tercer tipo, se propone una arquitectura con varios CTPs con regulación parcial de potencia, con la conexión en serie de varios sistemas fotovoltaicos distribuidos. Cada CTP, conectado a un panel fotovoltaico y un almacenamiento de energía, no solo puede operarse individualmente para lograr SPMP, utilizando la energía solar de manera eficiente, sino que también puede trabajar complementariamente para cumplir con los requisitos de tensión y potencia de la carga. En estas tres topologías, en el modo de carga de la batería, el RPP utiliza un camino directo para flujo de energía (la conexión en serie del panel fotovoltaico, la batería y la salida). Como las resistencias en este camino son casi insignificantes, la eficiencia de conversión de energía es mayor que la de las topologías existentes.
El CTP propuesto en el primer tipo utiliza menos componentes, en comparación con las topologías de las propuestas segunda y tercera, lo que resulta en una mayor eficiencia de conversión de energía y densidad de potencia, menores costos y menor tamaño. Debido al empleo del regulador de tensión de la carga, en la salida de la topología propuesta en el segundo CTP se mantiene la tensión constante en todos los modos de operación. Para la tercera topología, dado que cada panel fotovoltaico está conectado a un CTP integrado con almacenamiento de energía individual, cada panel fotovoltaico puede suministrar su potencia máxima implementando un algoritmo de SPMP, utilizando la energía solar de manera eficiente.
La tesis incluye simulaciones y pruebas experimentales para demostrar la operación del circuito, la efectividad de las estrategias de control y las eficiencias de conversión de energía. Read More
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