References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2024.01.051-061

alternative-2349

Research Article

I. ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 8. Энергокомплексы на основе ВИЭ

I. RENEWABLE ENERGY. 8. Energy of biomass

Энергоэффективный сумматор мощности альтернативных источников электрической энергии на основе повышающих конденсаторных dc-dc преобразователей

Еnergy-efficient power summator of alternative power sources based on step-up capacitor dc-dc converters

Зотов

Л. Г.

Zotov

L. G.

Зотов Леонид Григорьевич - д.т.н., профессор кафедры теоретических основ радиотехники,

630073, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Zotov Leonid - Dr. of Technical sciences, Prof., of the Theoretical Basis of Radio EngineeringDepartment,

630073, Novosibirsk, K. Marx avenue, 20

zotovlg@mail.ru

Большаков

И. М.

Bolshakov

I. M.

Большаков Иван Михайлович - аспирант кафедры теоретических основ радиотехники,

630073, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Bolshakov Ivan - graduate student of the Theoretical Basis of Radio Engineering Department,

630073, Novosibirsk, K. Marx avenue, 20

ivan_bolshakov_99@mail.ru

Новосибирский государственный технический университетРоссияNovosibirsk State Technical UniversityRussian Federation

2024

14052024

015161

2023

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/2349

Предложен новый принцип построения энергоэффективных и малогабаритных конденсаторных DC-DC преобразователей способных выполнить не только функцию преобразования выходного напряжения нескольких различных по выходным параметрам альтернативных источников постоянного напряжения, имеющих общую заземленную шину, но и обеспечить сложение их мощностей в общей нагрузке. Предложен принцип многотактного построения СПКП, обеспечивающий дополнительное улучшение их массогабаритных показателей в условиях увеличенной мощности альтернативных источников. Показано, что эффект достигается кратным увеличением частоты преобразования отдельных модулей СПКП и практическим исключением громоздкого выходного конденсатора благодаря резкому уменьшению и кратному увеличению частоты первой гармоники суммарного выходного тока. Получены аналитические выражения, позволяющие произвести расчет параметров реактивных элементов СПКП, произвести анализ и количественную оценку их коэффициента полезного действия.

Proposed a new principle of the energy efficient and small-sized capacitor DC-DC converters that are able to perform not only the conversion function of the output voltage of the several different output parameters of alternative DC voltage sources having a common grounded bus, but also to provide the summation of their power in a common load. Proposed the principle of multi-cycle SSCDC construction, which provides additional improvement of their mass-size characteristics under the increased power of alternative sources conditions. It is shown that the effect is achieved by a multiple increase in the conversion frequency of individual SSCDC modules and practical elimination of the large output capacitor by means of a sharp decrease and multiple increase in the first harmonic frequency of the total output current. The analytical expressions that allow to calculate the reactive elements parameters, analyze and quantify their efficiency has been obtained.

суммирование мощности первичных источниковDC-DC преобразователиструктуры с переключаемыми конденсаторамиальтернативные источники электроэнергиипринцип многотактного построения силовой цепи

primary source power summingDC-DC convertersswitched capacitor structuresalternative power sourcesmulticycle power circuit design principle

References1

. Hou, G., Xu, L., Taherian, H., Jiang, W., Song, Y. Performance analysis of a hybrid solar-hydrogenretired EV batteries (REVB) energy system with thermal-electrical loops / G. Hou, L. Xu, H. Taherian // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 72. – P. 27827-27840.

. Bartolucci, L., Cennamo, E., Cordiner, S., Mulone, V., Pasqualini, F., Boot, M.A. Digital twin of a hydrogen Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle: Effect of the control strategy on energy efficiency / L. Bartolucci, E. Cennamo, S. Cordiner, V. Mulone, F. Pasqualini, M.A. Boot // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 54. – P. 20971-20985.

. Ancona, M.A., Catena, F. Ferrari, F. Optimal design and management for hydrogen and renewables based hybrid storage micro-grids / M.A. Ancona, F. Catena, F. Ferrari // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 54. – P. 20844-20860.

. Torgaeva, D.S., Kabirov, V.A., Semenov, V.D., Akhtyrskiy, K.A., Otto, A.I. Construction of continuous simulation models of pulse converters of spacecraft electrical power systems with hydrogen energy storage / D.S. Torgaeva, V.A. Kabirov, V.D. Semenov, K.A. Akhtyrskiy, A.I. Otto // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 49. – P. 18918- 18929.

. Bovo, A., Poli, N., Trovò, A., Marini, G., Guarnieri, M. Hydrogen energy storage system in a Multi‒Technology Microgrid: technical features and performance / A. Bovo, N. Poli, G. Marini, M. Guarnieri // International Journal of Hydrogen Energy, 2023. – Vol. 48, iss. 32. – P. 12072-12088.

. Özdoğan, E., Hüner, B., Süzen, Y.O., Eşiyok, T., Uzgören, İ.N., Kıstı, M., Uysal, S., Selçuklu, S.B., Demir, N., Kaya, M.F. Effects of tank heating on hydrogen release from metal hydride system in VoltaFCEV Fuel Cell Electric Vehicle / E. Özdoğan, B. Hüner, Y.O. Süzen, T. Eşiyok, İ.N. Uzgören, M. Kıstı, S. Uysal, S.B. Selçuklu, N. Demir, M.F. Kaya // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 18. – P. 6811-6823.

. Bahri, R., Zeynali, S., Nasiri, N., Keshavarzi, M.R., Economic-environmental energy supply of mobile base stations in isolated nanogrids with smart plug-in electric vehicles and hydrogen energy storage system / R. Bahri, S. Zeynali, N. Nasiri, M.R. Keshavarzi // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 10. – P. 3725-3739.

. Boretti, A. High-efficiency internal combustion engine for hybrid hydrogen-electric locomotives / A. Boretti // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 4. – P. 1596-1601.

. Ачитаев, А., Суворов, А., Илюшин, П., Волкова, И., Кан, К., Суслов, К. Повышение срока службы электролизера AC-DC преобразователя, работающего в условиях офшорной ветроэнергетической установки / А. Ачитаев, А. Суворов, П. Илюшин, И. Волкова, К. Кан, К. Суслов // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2023. – № 3. – С. 30-48.

. Achitaev, A., Suvorov, A., Ilyushin, P., Volkova, I., Kan, K., Suslov, K. Povyshenie sroka sluzhby ehlektrolizera AC-DC preobrazovatelya, rabotayushchego v usloviyakh ofshornoi vetroehnergeticheskoi ustanovki / A. Achitaev, A. Suvorov, P. Ilyushin, I. Volkova, K. Kan, K. Suslov // Al’ternativnaya ehnergetika i ehkologiya (ISJAEE). 2023;(3):30-48.

. Елистратов В.В., Денисов Р.С. Развитие изолированных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии и водородного аккумулирования / В.В. Елистратов, Р.С. Денисов // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE– 2023. – №1. – С. 12-22.

. Elistratov V.V., Denisov R.S. Razvitie izolirovannykh ehnergosistem na osnove vozobnovlyaemykh istochnikov ehnergii i vodorodnogo akkumulirovaniya / V.V. Elistratov, R.S. Denisov // Al’ternativnaya ehnergetika i ehkologiya (ISJAEE– 2023. – №1. – S. 12-22.

. Vietze, M., Weiland, S. System analysis and requirements derivation of a hydrogen-electric aircraft powertrain / M. Vietze, S. Weiland // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47, iss. 91. – P. 38793-38810.

. Teimouri, A., Kabeh, K.Z., Changizian, S., Ahmadi, P., Mortazavi, M. Comparative lifecycle assessment of hydrogen fuel cell, electric, CNG, and gasoline-powered vehicles under real driving conditions / A. Teimouri, K.Z. Kabeh, S. Changizian, P. Ahmadi, M. Mortazavi // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47, iss. 89. – P. 37990-38002.

. Hossain, M.B., Islam, M.R., Muttaqi, K.M., Sutanto, D., Agalgaonkar, A.P. Modeling and performance analysis of renewable hydrogen energy hub connected to an ac/dc hybrid microgrid / M.B. Hossain, M.R. Islam, K.M. Muttaqi, D. Sutanto, A.P. Agalgaonkar // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47, iss. 66. – P. 28626-28644.

. Lin, R., Zhao, Y., Wu, B. Toward a hydrogen society: Hydrogen and smart grid integration / R. Lin, Y. Zhao, B. Wu, // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, iss. 39. – P. 20164-20175.

. Нефедкин С.И., Барсуков А.О., Мозгова М.И., Шичков М.С., Климова М.А. Автономное энергоснабжение с использованием ветроэнергетического комплекса и водородного аккумулирования энергии / С.И. Нефедкин, А.О. Барсуков, М.И. Мозгова, М.С. Шичков, М.А. Климова // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – № 16-18. – С. 12-26.

. Nefedkin, S.I., Barsukov, A.O., Mozgova, M.I., Shichkov, M.S., Klimova, M.A. Avtonomnoe ehnergosnabzhenie s ispol’zovaniem vetroehnergeticheskogo kompleksa i vodorodnogo akkumulirovaniya ehnergii / S.I. Nefedkin, A.O. Barsukov, M.I. Mozgova, M.S. Shichkov, M.A. Klimova // Al’ternativnaya ehnergetika i ehkologiya (ISJAEE). – 2019. – № 16-18. – S. 12-26.

. Шульга, Р.Н., Путилова, И.В. Мультиагентные системы постоянного тока с использованием ВИЭ и водородных топливных элементов / Р.Н. Шульга, И.В. Путилова // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – № 4-6. – С. 65-82.

. Shul’ga, R.N., Putilova, I.V. Mul’tiagentnye sistemy postoyannogo toka s ispol’zovaniem VIEH i vodorodnykh toplivnykh ehlementov / R.N. Shul’ga, I.V. Putilova // Al’ternativnaya ehnergetika i ehkologiya (ISJAEE). – 2019. – № 4-6. – S. 65-82.

. Манусов, В.З., Хасанзода, Н. Оптимизация энергоэффективности ветровых ресурсов Дальнего Востока на основе алгоритма роевого интеллекта / В.З. Манусов, Н. Хасанзода // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2018. – № 19-21. – С. 12-22.

. Manusov, V.Z., Khasanzoda, N. Optimizatsiya ehnergoehffektivnosti vetrovykh resursov Dal’nego Vostoka na osnove algoritma roevogo intellekta / V.Z. Manusov, N. Khasanzoda // Al’ternativnaya ehnergetika i ehkologiya (ISJAEE). – 2018. – № 19-21. – S. 12-22.

. Зотов, Л.Г. Энергоэффективный конденсаторный DC-DC преобразователь для автономной системы электроснабжения / Л.Г. Зотов, И.М. Большаков // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. – 2023. – № 4. – С. 70-76.

. Zotov, L.G. Ehnergoehffektivnyi kondensatornyi DC-DC preobrazovatel’ dlya avtonomnoi sistemy ehlektrosnabzheniya / L.G. Zotov, I.M. Bol’shakov // Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo ehnergeticheskogo universiteta. – 2023. – № 4. – S. 70-76.

. Wang, Y., Rong, Z., Sun, Z., Guan, Y., Han, S., Xu, D. Analysis and Implementation of a Transformerless Interleaved ZVS High-Step-Down DC-DC Converter / Y. Wang, Z. [Rong, Z. Sun, Y. Guan, S. Han, D. Xu // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2023. – Vol. 38, no. 11. – P. 13484-13495.

. Wang, Y., Rong, Z., Sun, Z., Guan, Y., Han, S., Xu, D. Analysis and Implementation of a Transformerless Interleaved ZVS High-Step-Down DC-DC Converter / Y. Wang, Z. Rong, Z. Sun, Y. Guan, S. Han, D. Xu // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2023. – Vol. 38, no. 11. – P. 13484-13495.

. Ellis, N. M., Amirtharajah, R. Large Signal Analysis on Variations of the Hybridized Dickson Switched-Capacitor Converter / N. M. Ellis, R. Amirtharajah // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2022. – Vol. 37, no. 12. – P. 15005-15019.

. Li, Y., Wei, M., Lyu, X., Ni, Z., Cao, D. Analysis and Design of High-Efficiency Modular Multilevel Resonant DC-DC Converter / Y. Li, M. Wei, X. Lyu, Z. Ni, D. Cao // IEEE Open Journal of Power Electronics. – 2022. – Vol. 3. – P. 755-771.

. Ye, Z., Lei, Y., Pilawa-Podgurski, R. C. N. The Cascaded Resonant Converter: A Hybrid SwitchedCapacitor Topology With High Power Density and Efficiency / Z. Ye, Y. Lei, R. C. N. Pilawa-Podgurski // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2020. – Vol. 35, no. 5. – P. 4946-4958.

. Sun, R.Y., Webb, S., Liu, Y.-F. Flying capacitor design considerations for a 48-to-12 V, 35 a split-phase dickson SC converter / R.Y. Sun, S. Webb, Y.-F. Liu // Chinese Journal of Electrical Engineering. – 2020.– Vol. 6, no. 4. – P. 28-41.

. Krstic, M., Eren, S., Jain, P. Analysis and Design of Multiphase, Reconfigurable Switched-Capacitor Converters / M. Krstic, S. Eren, P. Jain // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. – 2020. – Vol. 8, no. 4. – P. 4046-4059.

. Krstic, M., Eren, S., Jain, P. Analysis and Design of Multiphase, Reconfigurable SwitchedCapacitor Converters / M. Krstic, S. Eren, P. Jain // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. – 2020. – Vol. 8, no. 4. – P. 4046-4059.

. Зотов, Л.Г. Энергоэффективные устройства и системы силовой электроники на основе структур с переключаемыми конденсаторами: монография / Л. Г. Зотов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 403 с.

. Zotov, L.G. Ehnergoehffektivnye ustroistva i sistemy silovoi ehlektroniki na osnove struktur s pereklyuchaemymi kondensatorami: monografiya / L. G. Zotov. – Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 2020. – 403 s.

. Zotov, L. G., Razinkin, V. P., Atuchin, V. V. Controllable electronic transformer based on the resonance structure with switching capacitor for lowrise buildings residential area power supply stabilization systems / L. G. Zotov, V. P. Razinkin, V. V. Atuchin // International Journal of Electrical Power and Energy Systems. – 2017. – Vol. 91. – P. 117–120.

. Zotov, L. G., Razinkin, V. P., Atuchin, V. V. Controllable electronic transformer based on the resonance structure with switching capacitor for low-rise buildings residential area power supply stabilization systems / L. G. Zotov, V. P. Razinkin, V. V. Atuchin // International Journal of Electrical Power and Energy Systems. – 2017. – Vol. 91. – P. 117–120.

. Veprikov, A. A., Glukhov, A. A. Problems of Operating Industrial DC Power Sources in Parallel Connection / A.A. Veprikov, A.A. Glukhov // 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). – 2020. – P. 1339-1343.

. Rabkowski, J. Parallel-connected current source rectifiers as the input stage of the off-board EV battery charger / J. Rabkowski // 2020 IEEE 14th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering (CPE-POWERENG). – 2020. – P. 538-543.

. Zolfaghari, M., Nurmanova, V., Bagheri, M., Gharehpetian, G. B. Adaptive Gain-Regulatingbased Control of Parallel-Connected Γ-Z-Source Power Converters in Hybrid Microgrids / M. Zolfaghari, V. Nurmanova, M. Bagheri, G. B. Gharehpetian // 2020 9th International Conference on Renewable Energy Research and Application (ICRERA). – 2020. – P. 321-325.

. Wang, S., Liu, J., Liu, Z., Wu, T., Liu, B. Efficiency-based optimization of steady-state operating points for parallel source converters in stand-alone power system, / S. Wang, J. Liu, Z. Liu, T. Wu, B. Liu //2016 IEEE 8th International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC-ECCE Asia. – 2016. – P. 163-170.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.