Feasibility study of three-phase modular converter for dual-purpose application in DC and AC microgrids

Abstract

El concepto moderno de un convertidor universal está destinado como un convertidor de energía (PC) adecuado para su aplicación tanto en redes de corriente continua como de corriente alterna utilizando los mismos conectores externos. Esta nueva familia fue propuesta recientemente para permitir una integración más fácil de fuentes de energía renovable y sistemas de almacenamiento de energía (ESSs), interfiriendo con redes de corriente continua/corriente alterna y/o cargas con una redundancia mínima de interruptores de potencia y elementos pasivos. Se espera que este tipo de solución y aplicaciones sean una realidad en la próxima década, ya que las redes de distribución de baja tensión de corriente alterna y corriente continua coexistirán. Sin embargo, las soluciones iniciales propuestas como convertidores universales se centraron en sistemas de conversión de energía de corriente alterna monofásica. En este sentido, este artículo propone y describe un nuevo miembro de la familia de convertidores universales adecuado para la conversión de energía de corriente continua a corriente continua y de corriente continua a corriente alterna (tanto en tres fases trifásicas como en tres fases tetrafásicas). La topología de potencia propuesta se deriva como una extensión modular de la celda bidireccional única buck-boost. Se discuten sus principales modos de operación (buck y boost), y se desarrolla una técnica de modulación por ancho de pulso para generar los patrones de conmutación correspondientes. La solución propuesta se valida con éxito en modo de lazo abierto tanto en simulación como experimentalmente con un prototipo de laboratorio. La eficiencia medida del PC fue superior al 97% en el modo de corriente continua a corriente alterna y alrededor del 99% en el modo de corriente continua a corriente continua.

The modern concept of a universal converter is intended as a power converter (PC) suitable for application in both dc or ac grids using the same external connectors. This novel family was recently proposed to allow easier integration of renewable energy sources and energy storage systems (ESSs), interfacing with dc/ac grids and/or loads with a minimum redundancy of power switches and passive elements. This kind of solution and applications are expected to be a reality in the nearest decade, as ac and dc low voltage distribution networks will coexist. Nevertheless, the initial solutions proposed as universal converters were focused on ac single-phase power conversion systems. In this sense, this article proposes and describes a new member of the universal converter family suitable for dc–dc and dc–ac power conversion (both in three-phase three-wire and in three-phase four-wire). The proposed power topology is derived as a modular extension from the single buck-boost bidirectional cell. Its main operation modes (buck and boost) are discussed, and a pulsewidth-modulation technique is developed to generate the corresponding switching patterns. The proposed solution is successfully validated in open-loop mode both in simulation and experimentally with a laboratory prototype. The measured efficiency of the PC was above 97% in the dc–ac mode and around 99% in the dc–dc mode.