Estudo da Controlabilidade do Conversor Dual-Active Bridge em Estruturas de Conversores em Cascata

Tadeu Vargas; Samuel S. Queiroz; Guilherme S. da Silva; Cassiano Rech

doi:10.18618/REP.2019.1.0012

Authors

Tadeu Vargas Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC), Santa Maria – RS, Brasil
Samuel S. Queiroz Universidade Federal do Ceará (UFC), Fortaleza – CE, Brasil
Guilherme S. da Silva Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA), Centro de Tecnologia de Alegrete (CTA), Alegrete – RS, Brasil
Cassiano Rech Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC), Santa Maria – RS, Brasil

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2019.1.0012

Keywords:

Controlabilidade, Conversor Dual-Active Bridge, Conversores em Cascata, estabilidade

Abstract

Este trabalho avalia a controlabilidade do conversor Dual-Active Bridge (DAB), sob perturbações de carga, considerando que este conversor compõe um sistema com conversores em cascata. Mais especificamente, este artigo analisa o sistema de controle de um módulo de potência composto por um conversor CC-CC DAB conectado em série com um conversor CC-CA em ponte completa monofásico. A análise envolve o estudo da estabilidade através do critério das impedâncias para conversores em cascata e da controlabilidade do conversor DAB através da sua capacidade de transferência de potência sob a ocorrência de um afundamento de tensão do barramento CC, produzido por uma variação de carga na saída do módulo de potência (saída do conversor CC-CA). Um modelo equivalente em malha fechada do conversor DAB é apresentado, que representa o comportamento do afundamento de tensão CC para perturbações de carga com potência constante. Algumas restrições do projeto de controle são definidas para obter um sistema estável e controlável, e obter uma região de operação segura. Resultados experimentais são incluídos para validar a análise teórica proposta.

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Author Biographies

Tadeu Vargas, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC), Santa Maria – RS, Brasil

nasceu em Tenente Portela, RS, Brasil, em 1989. Possui graduação em Engenharia Elétrica pela UNIJUÍ (2011) e Mestrado em Engenharia Elétrica pela UFSM (2013). Atualmente é aluno de Doutorado em Engenharia Elétrica da UFSM junto ao Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC) e professor do curso de Engenharia Elétrica na URI-FW. Tem interesse nas seguintes áreas: conversores multiníveis, transformador de estado sólido e controle de conversores estáticos. Atualmente, é membro da SOBRAEP e IAS.

Samuel S. Queiroz , Universidade Federal do Ceará (UFC), Fortaleza – CE, Brasil

possui Graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Ceará (2014) e mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (2016). Atualmente, é aluno de doutorado no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará. Suas áreas de interesse são: Eletrônica de Potência, Qualidade de Energia e Filtragem Ativa. Samuel S. Queiroz é membro da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência (SOBRAEP) desde 2014.

Guilherme S. da Silva, Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA), Centro de Tecnologia de Alegrete (CTA), Alegrete – RS, Brasil

nasceu em Cruz Alta, RS, Brasil, em 1986. Possui Graduação em Engenharia Elétrica (2011) pela Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA), Mestrado e Doutorado em Engenharia Elétrica (2013 e 2017) pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). Desde março de 2014 é professor do quadro permanente do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA). Possui experiência em Eletrônica de Potência com interesse nas seguintes áreas: conversores multiníveis, modelagem e controle de conversores estáticos, controle sensorless e geração distribuída. Atualmente, é membro da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência (SOBRAEP), da IEEE Power Electronics Society (PELS) e da IEEE Industrial Electronics Society (IES).

Cassiano Rech, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC), Santa Maria – RS, Brasil

possui graduação (1999), mestrado (2001) e doutorado (2005) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria – RS, Brasil. De 2005 a 2007, atuou como professor da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUÍ). Em 2008 e 2009, atuou como professor da Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC). Desde 2009, é professor da UFSM. Em 2014 e 2015 foi Editor Geral da revista Eletrônica de Potência. Em 2016 e 2017 foi Presidente da Associação Brasileira de Eletrônica de Potência (SOBRAEP). Desde 2018, atua como Editor Associado da IEEE Transactions on Industrial Electronics. Suas áreas de interesse incluem conversores multiníveis, geração distribuída de energia, assim como modelagem e controle de conversores estáticos.

References

M. Khazraei, V. A. K. Prabhala, R. Ahmadi, M. Ferdowsi, "Solid-state transformer stability and control considerations", in Proc. of APEC, pp. 2237-2244, 2014.https://doi.org/10.1109/APEC.2014.6803615 DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2014.6803615

X. Wang, J. Liu, S. Ouyang, T. Xu, F. Meng, S. Song, "Control and experiment of an H-Bridge-based three-phase three-stage modular power electronic transformer", in IEEE Trans. Power Electron., vol. 31,nº 3, pp. 2002-2011, March 2016.https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2434420 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2434420

S. Madhusoodhanan, A. Tripathi, D. Patel, K. Mainali, S. Bhattacharya, "Stability analysis of the high voltage DC link between the FEC and DC-DC stage of a transformer-less intelligent power substation", in Proc. of ECCE, pp. 3702-3709, 2014.https://doi.org/10.1109/ECCE.2014.6953904 DOI: https://doi.org/10.1109/ECCE.2014.6953904

H. Krishnamurthy, R. Ayyanar, "Stability analysis of cascaded converters for bidirectional power flow applications", in Proc. of INTELEC, pp. 1-8, 2008.https://doi.org/10.1109/INTLEC.2008.4664032 DOI: https://doi.org/10.1109/INTLEC.2008.4664032

S. Abe, M. Hirokawa, T. Zaitsu, T. Ninomiya, "Design consideration of full-regulated bus converter for system stability of on-board distributed power system", in Proc. of SPEEDAM, pp. 629-633, 2006.

M. Florez-Lizarraga, A. F. Witulski, "Input filter design for multiple-module DC power systems", in IEEE Trans. Power Electron., vol. 11,nº 3, pp. 472-479, May 1996.https://doi.org/10.1109/63.491641 DOI: https://doi.org/10.1109/63.491641

A. Emadi, A. Khaligh, C. H. Rivetta, G. A. Williamson, "Constant power loads and negative impedance instability in automotive systems: definition, modeling, stability, and control of power electronic converters and motor drives", in IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 55,nº 4, pp. 1112-1125, July 2006.https://doi.org/10.1109/TVT.2006.877483 DOI: https://doi.org/10.1109/TVT.2006.877483

Q. Ye, R. Mo, H. Li, "Low-frequency resonance suppression of a Dual Active Bridge (DAB) DC/DC converter enabled DC microgrid with Constant Power Loads (CPLs) based on reduced-order impedance models", inIEEE J. Emerg. Sel. Topics Power Electron., vol. PP,nº 99, pp. 1-1, May 2017.https://doi.org/10.1109/JESTPE.2017.2700258 DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2017.2700258

Y. Tian, P. C. Loh, F. Deng, Z. Chen, X. Sun, Y. Hu, "Impedance coordinative control for cascaded converter in bidirectional application", in IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 52,nº 5, pp. 4084-4095, Sept./Oct. 2016.https://doi.org/10.1109/TIA.2016.2564359 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2016.2564359

S. S. Queiroz, "Análise e projeto do sistema de controle de um módulo de potência com conversores em cascata aplicado a transformadores de estado sólido," Dissertação de Mestrado, UFSM, Santa Maria, 201611] B. Zhao, Q. Song, W. Liu, Y. Sun, "Overview of Dual-Active-Bridge isolated bidirectional DC-DC converter for high-hrequency-link power-conversion system", inIEEE Trans. Power Electron., vol. 29,nº 8, pp. 4091-4106, Aug. 2014.https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2289913 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2289913

K. Vangen, T. Melaa, S. Bergsmark, R. Nilsen, "Efficient high-frequency soft-switched power converter with signal processor control", in Proc. of INTELEC, pp. 631-639, 1991.

M. N. Gitau, G. Ebersohn, J. G. Kettleborough, "Power processor for interfacing battery storage system to 725V DC bus", in Energy Conversion and Management, vol. 48,nº 3, pp. 871-881, 2007/03/01 2007.https://doi.org/10.1016/j.enconman.2006.08.019 DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2006.08.019

W. M. d. Santos, "Estudo e implementação do conversor tab (triple active bridge) aplicado a sistemas renováveis solares fotovoltaicos", in Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis, 2011.

A. L. Kirsten, F. G. Carloto, T. H. D. Oliveira, J. G. P. Roncalio, M. A. D. Costa, "Metodologia de projeto do ângulo de defasagem nominal para o conversor DAB", Eletrônica de Potência, vol. 19,nº 3, pp. 231-240, Aug. 2014.https://doi.org/10.18618/REP.2014.3.231240 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2014.3.231240

P. T. Krein, R. S. Balog, M. Mirjafari, "Minimum energy and capacitance requirements for single-phase inverters and rectifiers using a ripple port", in IEEE Trans. Power Electron., vol. 27,nº 11, pp. 4690-4698, Nov. 2012.https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2186640 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2186640

Y. Tian, F. Deng, Z. Chen, X. Sun, Y. Hu, "Impedance interaction modeling and analysis for bidirectional cascaded converters", in Proc. of ICPE-ECCE Asia, pp. 2064-2071, 2015.https://doi.org/10.1109/ICPE.2015.7168062 DOI: https://doi.org/10.1109/ICPE.2015.7168062

M. N. Kheraluwala, R. W. Gascoigne, D. M. Divan, E. D. Baumann, "Performance characterization of a high-power dual active bridge DC-to-DC converter", in IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 28,nº 6, pp. 1294-1301, Nov/Dec. 1992.https://doi.org/10.1109/28.175280 DOI: https://doi.org/10.1109/28.175280

W. M. d. Santos, D. C. Martins, "Introdução ao conversor dab monofásico", Eletrônica de Potência, vol. 19,nº 1, pp. 36-46, Dez. 2013.https://doi.org/10.18618/REP.2014.1.036046 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2014.1.036046

R. W. A. A. D. Doncker, D. M. Divan, M. H. Kheraluwala, "A three-phase soft-switched high-power-density DC/DC converter for high-power applications", in IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 27,nº 1, pp. 63-73, Jan/Feb 1991.https://doi.org/10.1109/28.67533 DOI: https://doi.org/10.1109/28.67533