Hierarchical Control Scheme for Three-Port Multidirectional DC-DC Converters in Bipolar DC Microgrids

Taha Ahmadi; Mohsen Hamzeh; Esmaeel Rokrok

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자료유형: 학술저널

저자정보: Taha Ahmadi (Lorestan University) Mohsen Hamzeh (University of Tehran) Esmaeel Rokrok (Lorestan University)

저널정보: 전력전자학회 JOURNAL OF POWER ELECTRONICS JOURNAL OF POWER ELECTRONICS Vol.18 No.5

발행연도: 2018.9

수록면: 1,595 - 1,607 (13page)

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In this paper, a hierarchical control strategy is introduced to control a new three-port multidirectional DC-DC converter for integrating an energy storage system (ESS) to a bipolar DC microgrid (BPDCMG). The proposed converter provides a voltage-balancing function for the BPDCMG and adjusts the states of charge (SoC) of the ESS. Previous studies tend to balance the voltage of the BPDCMG buses with active sources or by transferring power from one bus to another. Furthermore, the batteries available in BPDCMGs were charged equally by both buses. However, this power sharing method does not guarantee efficient operation of the whole system. In order to achieve a higher efficiency and lower energy losses, a triple-layer hierarchical control strategy, including a primary droop controller, a secondary voltage restoration controller and a tertiary optimization controller are proposed. Thanks to the multi-functional operation of the proposed converter, its conversion stages are reduced. Furthermore, the efficiency and weight of the system are both improved. Therefore, this converter has a significant capability to be used in portable BPDCMGs such as electric DC ships. The converter modes are analyzed and small-signal models of the converter are extracted. Comprehensive simulation studies are carried out and a BPDCMG laboratory setup is implemented in order to validate the effectiveness of the proposed converter and its hierarchical control strategy. Simulation and experimental results show that using the proposed converter mitigates voltage imbalances. As a result, the system efficiency is improved by using the hierarchical optimal power flow control.

#Bipolar-type DC microgrid #Burst-mode control #Efficiency optimization #Hierarchical control #Multidirectional converters #Three-port converter (TPC) #Voltage balancer

Abstract
I. INTRODUCTION
II. DESCRIPTION OF THE PROPOSED THREE-PORTMULTIDIRECTIONAL CONVERTER
III. CONTROL SYSTEM OF THE PROPOSED THREE-PORT MULTIDIRECTIONAL CONVERTER
IV. HIERARCHICAL CONTROL ARCHITECTURE FOR LIGHT LOAD CONDITIONS
Ⅴ. OPTIMIZATION PROBLEM FORMULATION AND ANALYSIS
Ⅵ. SIMULATION RESULTS
VII. EXPERIMENTAL RESULTS
VIII. CONCLUSION
REFERENCES

참고문헌 (36)

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C. Jiang, G. Zeng, X. Wu, and J. Yang, “Droop control of current-source converters in bipolar-type DC microgrid,” in 2015 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2015, pp. 1-5. P. Prabhakaran and V. Agarwal, “Mitigation of voltage unbalance in a low voltage bipolar DC microgrid using a boost-SEPIC type interleaved DC-DC compensator,” in 2016 IEEE 2nd Annual Southern Power Electronics Conference, SPEC, pp. 1-6, 2016 . M. Lakshmi and S. Hemamalini, “Nonisolated high gain DC-DC converter for DC microgrids,” IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 65, No.2, pp. 1205-1212, Feb 2018. P. Prabhakaran, Y. Goyal, and V. Agarwal, “Novel nonlinear droop control techniques to overcome the load sharing and voltage regulation issues in DC microgrid,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 33, No. 5, pp. 4477- 4487, May 2018. T. Dragi?evi?, X. Lu, J. C. Vasquez, and J. M. Guerrero, “DC microgrids?Part II: A review of power architectures, applications, and standardization issues,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 31, No. 5 pp. 3528-3549, May 2016.

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