NPC based dual active bridge topology for integrating battery energy storage to utility gird

Abstract

This paper proposes a new topology for dual active bridge (DAB) for integrating battery energy storage to the utility grid. The transformer plays an essential role in achieving the isolation between the two full bride converters in traditional DAB. In order to integrate the battery energy storage to the existing grid system, the transformer turns ratio should be very high for the traditional DAB. In this paper a bi-directional DC/DC converter with full bridge on low voltage side and a single phase three level neutral point connected (NPC) structure on high voltage side of the dual active bridge is developed. This topology will reduce the turns ratio of the isolation transformer as well as voltage stress on the switches. Along with this zero voltage switching is achieved for all the switches in full bridge and NPC for bi-directional power flow. The NPC based grid side inverter is employed in this paper with current hysteresis control. The overall configuration is suitable for utility application with improved reliability and reduced maintenance.

Control en cuatro cuadrantes de un inversor de puente completo conectado a la red eléctrica

“…Típicamente se utiliza una estructura de control en cascada donde el lazo interno es el control por histéresis y el lazo externo es otro tipo de control para regular la(s) variable(s) de interés en la aplicación particular [12]- [18]. No obstante, en otros casos se utiliza únicamente el control por histéresis [19], [20].…”

“…En la literatura también se encuentran algunos controladores por histéresis para inversores bidireccionales trifásicos [18], [20]. Por un lado, en [18] se propone un control en cascada para un inversor tipo puente completo con filtro L. El lazo externo del controlador regula la tensión en el bus de DC variando la magnitud de la corriente sinusoidal que entra o sale del inversor; mientras que el lazo interno es un control por histéresis de la corriente por el filtro L. Los autores analizan el convertidor en modo rectificador e inversor para definir bandas de histéresis variables para cada fase y en cada modo de operación (i.e.…”

“…Por otro lado, en [20] se utiliza un control por histéresis para un inversor trifásico de tres niveles tipo punto de neutro sujetado (NPC por sus siglas en inglés) para cargar y descargar un banco de baterías. Sin embargo, el artículo se enfoca en el principio de operación del inversor propuesto y en el diseño del convertidor para conmutación en tensión cero (ZVS por sus siglas en inglés).…”

“…Respecto al control por histéresis, los autores mencionan que lo utilizan introduciendo una banda muerta, pero no suministran información sobre el diseño y la implementación que permita reproducir los resultados mostrados en el artículo. Adicionalmente, los controladores propuestos en [18], [20] están definidos para obtener un factor de potencia unitario, por lo tanto, no se propone un método para generar una corriente desfasada respecto a la tensión de la red. Esto hace que los sistemas propuestos en [18], [20] no estén orientados a operar en los cuatro cuadrantes de la potencia compleja.…”

“…Vale la pena notar que, las referencias [12], [15], [17]- [20] no suministran información detallada sobre el PLL utilizado para implementar el sistema de control. Sin embargo, en la literatura existe un gran número de opciones para la implementación de PLLs o de lazos de bloqueo de frecuencia (FLLs) en las diferentes coordenadas (abc, o dq) para sincronizar un inversor a la red [21], [22].…”