Design and implementation of low-interference, high efficiency, power electronic-based power system for PV applications

Abstract

(English) Nowadays, high step-up converters with fast-dynamic response are demanded for many applications such as uninterruptible power supplies which are used to feed sensitive loads and DC-DC converters in grid connected micro inverters to absorb the maximum power from the PV panels. Several studies have been carried out on high step-up converters to increase voltage gain and efficiency as well as reduce the voltage stress of semiconductors while less attention has been paid to their dynamic response. A converter which can compensate load variations rapidly would have faster dynamic response and lower undershoot and overshoot output voltage and current. In this research, various switching converters will be investigated to achieve new topologies having the capability of faster dynamic response and obtaining higher voltage gain for the above-mentioned applications. Merging some converters has the potential of removing right half plane zero and making converters respond load variations at a faster pace without making any changes in the control circuit and filters. If the integrated converter can deliver power form the input to the load in all operating modes whether the switch is on or not, the converter would compensate load variations with lower interruption. This theory can be evaluated and proved by doing some theoretical and mathematical calculations on the control response and the situation of Zeros and Poles of the closed loop transfer function of the converter. To rate the achievements of this research, the dynamic quantities in the step response of the converters (e. g. overshoot, rise time, and settling time) can be investigated. Also, the voltage gain and efficiency of the converters are important qualities which have to be considered in comparisons. A time table is considered for each stage to ensure that this research can be finished through the next three years.

(Català) Actualment, els convertidors elevadors amb una resposta dinàmica ràpida són molt demandats per un gran nombre d’aplicacions, com ara els sistemes d’alimentació ininterrompuda, que s’utilitzen per alimentar càrregues sensibles, i els convertidors DC-DC en microinversors fotovoltaics connectats a la xarxa, que extreuen la màxima potència dels panells fotovoltaics. S’han realitzat diversos estudis sobre convertidors elevadors per augmentar el guany de tensió i l’eficiència, així com per reduir l’estrès de tensió en els semiconductors, tot i que en una primera instància s’ha prestat menys atenció a la seva resposta dinàmica. Un convertidor capaç de compensar ràpidament les variacions de càrrega tindria una resposta dinàmica més ràpida i uns menors sobreimpuls i subimpuls en la tensió i el corrent de sortida. En aquesta investigació, s’estudiaran diversos convertidors commutats per desenvolupar noves topologies amb la capacitat d’oferir una resposta dinàmica més ràpida i un guany de tensió més alt per a les aplicacions esmentades. La combinació d’alguns convertidors té el potencial d’eliminar el zero al semiplà dret i permetre que els convertidors responguin a les variacions de càrrega de manera més ràpida sense fer canvis al circuit de control ni als filtres. Si el convertidor integrat pot transferir energia de l’entrada a la càrrega en tots els modes d’operació, independentment de si l’interruptor està activat o no, el convertidor podria compensar les variacions de càrrega amb menys interrupcions. Aquesta teoria es pot avaluar i demostrar mitjançant càlculs teòrics sobre la resposta de control i la situació dels zeros i pols de la funció de transferència en llaç tancat del convertidor. Per valorar els avenços d’aquesta investigació, es poden analitzar les magnituds dinàmiques en la resposta a un esglaó dels convertidors (com ara el sobreimpuls, el temps de pujada i el temps d’establiment). A més, el guany de tensió i l’eficiència dels convertidors són qualitats importants que cal tenir en compte en les comparacions que es realitzaran.

(Español) En la actualidad, los convertidores elevadores con respuesta dinámica rápida son demandados en gran número de aplicaciones, como son los sistemas de alimentación ininterrumpida, utilizados para alimentar cargas sensibles, y los convertidores DC-DC en microinversores fotovoltaicos conectados a la red, que garantizan la extracción de la máxima potencia de los paneles fotovoltaicos. Se han realizado varios estudios sobre convertidores elevadores con el fin de aumentar la ganancia en tensión y la eficiencia, así como para reducir el estrés de voltaje en los semiconductores, mientras que en una primera instancia se ha prestado menos atención a su respuesta dinámica. Un convertidor que pueda compensar rápidamente las variaciones de carga tendría una respuesta dinámica más rápida y unos menores sobreimpulso y subimpulso en el voltaje y la corriente de salida. En esta investigación, se estudiarán diversos convertidores conmutados para lograr nuevas topologías que tengan la capacidad de ofrecer una respuesta dinámica más rápida y una mayor ganancia en tensión para las aplicaciones mencionadas. La combinación de algunos convertidores tiene el potencial de eliminar el cero en el semiplano derecho y permitir que los convertidores respondan a las variaciones de carga a un ritmo más rápido sin realizar cambios en el circuito de control ni de filtrado. Si el convertidor integrado puede transferir energía desde la entrada hasta la carga en todos los modos de operación, independientemente de si el interruptor está activado o no, el convertidor podría compensar las variaciones de carga con una menor interrupción. Esta teoría puede evaluarse y demostrarse mediante cálculos teóricos sobre la respuesta del control y la situación de los ceros y polos de la función de transferencia en lazo cerrado del convertidor. Para evaluar los logros de esta investigación, se pueden analizar las magnitudes dinámicas en la respuesta a un escalón de los convertidores (como el sobreimpulso máximo, el tiempo de subida y el tiempo de establecimiento). Además, la ganancia en tensión y la eficiencia de los convertidores son cualidades importantes que deben considerarse en las comparaciones que se realizarán.