СИСТЕМА ДВУНАПРАВЛЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СЕТЯХ ОГРАНИЧЕННОЙ МОЩНОСТИ

Статья посвящена модельному исследованию системы двунаправленных полупроводниковых преобразователей электрической энергии для зарядных станций электротранспорта, функционирующих в условиях ограниченной мощности городских электрических сетей переменного тока. Отмечается, что ограничение мощности может возникать в связи с устареванием электроинфраструктуры, а также с историческими, архитектурными или экономическими особенностями инфраструктуры города или его районов. Для применения в такой инфраструктуре зарядных устройств, выполненных в соответствии с последними стандартами и обеспечивающих высокие скорости заряда батарей электротранспорта, такого как электромобили или суда на электротяге, требуется преодолеть эти ограничения, что представляется возможным с помощью использования внешних по отношению к сети накопителей энергии, доставляемых на зарядную станцию. Обращается внимание на то, что в общем случае энергия из накопителей может использоваться как для обеспечения максимальной мощности нагрузки, так и для передачи мощности в сеть. Функция балансирования потребления между сетью и внешними накопителями возлагается на рассматриваемую систему двунаправленных преобразователей, состоящую из трехфазного активного двунаправленного мостового преобразователя со стороны накопителя и активного выпрямителя напряжения со стороны сети переменного тока, работающих на общее звено постоянного тока. Для реализации такой системы необходима гальваническая изоляция между терминалами преобразователя и внешним накопителем, которая обеспечивается за счет наличия высокочастотного силового трансформатора в трехфазном активном двунаправленном мостовом преобразователе, согласующего напряжения между терминалами. Отмечается, что трехфазный активный двунаправленный мостовой преобразователь управляется алгоритмом фазовой модуляции с коммутацией фазным сдвигом. Активный выпрямитель напряжения управляется алгоритмом пространственной векторной модуляции. Исследованы режимы работы системы, предполагающие передачу энергии из сети в звено постоянного тока через активный выпрямитель напряжения, передачу энергии из внешнего накопителя в звено постоянного тока через трехфазный активный двунаправленный мостовой преобразователь, совместную передачу энергии из сети и внешнего накопителя в общее звено постоянного тока и передачу энергии из накопителя в сеть. Проведенное модельное исследование показало работоспособность предложенной системы двунаправленных преобразователей и позволило выявить особенности работы при совместной передаче преобразователями энергии в общее звено постоянного тока, потребовавшие внедрения дополнительной перекрестной обратной связи между преобразователями.

двунаправленный полупроводниковый преобразователь, энергосистема, фазово-импульсная модуляция, коммутация фазным сдвигом, двунаправленный мостовой преобразователь, активный выпрямитель напряжения

1. SMART ELECTRIC URBAN LOGISTICS [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://crossriverpartnership.org/projects/smart-electric-urban-logistics/ (дата обращения: 01.07.2020).

2. Karimi S. Evaluation of Energy Transfer Efficiency for Shore-to-Ship Fast Charging Systems / S. Karimi, M. Zadeh, J. A. Suul // 2020 IEEE 29th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE). - IEEE, 2020. - Pp. 1271-1277. DOI: 10.1109/ISIE45063.2020.9152219.

3. Poliakov N. Three Phase Dual Active Bridge Power Converter Implementation in Power Supply System of Telescope Rotary Support Device / N. Poliakov, K. Vorobev // 2019 IEEE 60th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON). - IEEE, 2019. - Pp. 1-5. DOI: 10.1109/RTUCON48111.2019.8982360.

4. Zhao Z. Bus Voltage Control Strategy for Low Voltage DC Microgrid Based on AC Power Grid and Battery / Z. Zhao, J. Hu, H. Chen // 2017 IEEE International Conference on Energy Internet (ICEI). - IEEE, 2017. - Pp. 349-354. DOI: 10.1109/ICEI.2017.68.

5. Baek S. Isolation Transformer for 3-Port 3-Phase Dual-Active Bridge Converters in Medium Voltage Level / S. Baek, S. Bhattacharya // IEEE Access. - 2019. - Vol. 7. - Pp. 19678-19687. DOI: 10.1109/ ACCESS.2019.2895818.

6. De Doncker R. W. A. A. A three-phase soft-switched high-power-density DC/DC converter for high-power applications / R. W. A. A. De Doncker, D. M. Divan, M. H. Kheraluwala // IEEE transactions on industry applications. - 1991. - Vol. 27. - Is. 1. - Pp. 63-73. DOI: 10.1109/28.67533.

7. Walter J. High-power galvanically isolated DC/DC converter topology for future automobiles / J. Walter, R.W. De Doncker // IEEE 34th Annual Conference on Power Electronics Specialist. - IEEE, 2003. - Vol. 1. - Pp. 27-32. DOI: 10.1109/PESC.2003.1218269.

8. Yazdani F. Analysis of a three-phase dual active bridge converter during the deadband / F. Yazdani, S. Haghbin, T. Thiringer, M. Zolghadri // 2017 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2017 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC/I&CPS Europe). - IEEE, 2017. - Pp. 1-6. DOI: 10.1109/EEEIC.2017.7977811.

9. Albatran S. Hybrid 2D-3D Space Vector Modulation Voltage Control Algorithm for Three Phase Inverters / S. Albatran, Y. Fu, A. Albanna, R. Schrader, M. Mazzola // IEEE Transactions on Sustainable Energy. - 2013. - Vol. 4. - Is. 3. - Pp. 734-744. DOI: 10.1109/TSTE.2013.2245689.

10. Albatran S. A hybrid 2D-3D SVM control algorithm for three phase voltage source inverters / S. Albatran, Y. Fu, A. Albanna // 2012 IEEE Power Electronics and Machines in Wind Applications. - IEEE, 2012. - Pp. 1-6. DOI: 10.1109/PEMWA.2012.6316357.

11. Neacsu D.O. Switching Power Converters: Medium and High Power / D. O. Neacsu. - Second Edition. - New York: CRC Press, 2014. - 592 p.

12. Jimichi T. Comparison of single-phase and three-phase dual-active bridge DC-DC converters with various semiconductor devices for offshore wind turbines / T. Jimichi, M. Kaymak, R. W. De Doncker // 2017 IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017 - ECCE Asia). - IEEE, 2017. - Pp. 591-596. DOI: 10.1109/IFEEC.2017.7992105.

13. Segaran D. Comparative analysis of single-and Three-Phase Dual Active Bridge Bidirectional DC-DC Converters / D. Segaran, D. G. Holmes, B. P. McGrath // Australian Journal of Electrical and Electronics Engineering. - 2009. - Vol. 6. - Is. 3. - Pp. 329-337. DOI: 10.1080/1448837X.2009.11464251.

14. Van Hoek H. Comparison of a single-phase and a three-phase dual active bridge with low-voltage, high-current output / H. van Hoek, M. Neubert, A. Kroeber, and R. W. De Doncker // 2012 International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA). - IEEE, 2012. - Pp. 1-6. DOI: 10.1109/ICRERA.2012.6477466.

15. Inoue S. A Bidirectional Isolated DC-DC Converter as a Core Circuit of the Next-Generation Medium-Voltage Power Conversion System / S. Inoue, H. Akagi // IEEE Transactions on Power Electronics. - IEEE, 2007. - Vol. 22. - Is. 2. - Pp. 535-542. DOI: 10.1109/TPEL.2006.889939.

16. Inoue S. A Bidirectional DC-DC Converter for an Energy Storage System With Galvanic Isolation / S. Inoue, H. Akagi // IEEE Transactions Power Electron. - 2007. - Vol. 22. - Is. 6. -Pp. 2299-2306. DOI: 10.1109/TPEL.2007.909248.

17. Núñez R. O. A comparative study of Three-Phase Dual Active Bridge Converters for renewable energy applications / R. O. Núñez, G. G. Oggier, F. Botterón, G. O. García // Sustainable Energy Technologies and Assessments. - 2017. - Vol. 23. - Pp. 1-10. DOI: 10.1016/j.seta.2017.07.004.

18. Zhao B. Overview of Dual-Active-Bridge Isolated Bidirectional DC-DC Converter for High-Frequency-Link Power-Conversion System / B. Zhao, Q. Song, W. Liu, Y. Sun // IEEE Transactions on power electronics. - 2013. - Vol. 29. - Is. 8. - Pp. 4091-4106. DOI: 10.1109/TPEL.2013.2289913.

19. Choi H. A Novel Switching Algorithm to improve Efficiency at light load conditions for Three-Phase DAB Converter in LVDC Application / H. Choi, S. Jung, J. Jung // 2018 International Power Electronics Conference (IPEC-Niigata 2018 - ECCE Asia). - IEEE, 2018. - Pp. 383-387. DOI: 10.23919/IPEC.2018.8507840.

20. Prasad A. R. A three-phase resonant PWM DC-DC converter / A.R. Prasad, P.D. Ziogas, S. Manias // PESC ‘91 Record 22nd Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference. - IEEE, 1991. - Pp. 463-473. DOI: 10.1109/PESC.1991.162716.

21. Albatran S. Comparative harmonic analysis of hybrid 2D-3D SVM and conventional 2D SVM / S. Albatran, Y. Fu, A. Albanna // 2013 IEEE 14th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL). - IEEE, 2013. - Pp. 1-7. DOI: 10.1109/COMPEL.2013.6626441.

22. Albatran S. Switching function notation for hybrid 2D-3D space vector modulation / S. Albatran, Y. Fu, Albanna // 2013 4th IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG). - IEEE, 2013. - Pp. 1-7. DOI: 10.1109/PEDG.2013.6785636.