Энергоэффективные регуляторы напряжения альтернативных источников на основе повышающих конденсаторных DC-DC преобразователей

Предложен новый принцип построения малогабаритных конденсаторных DC-DC регуляторов, обеспечивающих энергоэффективное преобразование и многозонное регулирование выходного напряжения альтернативных низковольтных источников энергии. Он заключается в поочередном изменении низковольтных поддиапазонов регулирования путем дискретного изменения количества резонансных цепочек, участвующих в преобразовании повышающего конденсаторного DC-DC преобразователя в сочетании с плавным изменением уровня заряда его первой цепочки маломощным классическим ШИМ регулятором постоянного напряжения. Улучшение энергетических свойств регулятора достигается многозонным регулированием и мягкой коммутацией транзисторов силовой цепи конденсаторного DC-DC преобразователя. Исследованы энергетические свойства предлагаемых DC-DC регуляторов. Показано, что с увеличением числа резонансных цепочек в составе конденсаторного DC-DC преобразователя, наблюдается тенденция роста КПД регулятора. Для рассмотренных в работе схем с классическими Buck и Boost ШИМ регуляторами получены и исследованы регулировочные характеристики и проведена сравнительная оценка их коэффициента полезного действия. Сравнительный анализ энергетических и конструктивных свойств показывает значительное упрощение на три полупроводниковых и два реактивных элемента, а также рост КПД, в среднем по диапазону регулирования на 1,5 % в схеме с Boost ШИМ регулятором.

1. . Shi, M., Vasquez, J. C., Guerrero J. M. and Huang, Y. Smart communities – Design of integrated energy packages considering incentive integrated demand response and optimization of coupled electricitygas-cooling-heat and hydrogen systems / M. Shi, J. C. Vasquez, J. M. Guerrero, Y. Huang // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 80. – P. 31063-31077.

2. . Hassan, Q., Sameen, A. Z., Olapade, O., Alghoul, M., Salman H. M., Jaszczur, M. Hydrogen fuel as an important element of the energy storage needs for future smart cities / Q. Hassan, A. Z. Sameen, O. Olapade, M. Alghoul, H. M. Salman, M. Jaszczur // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 78. – P. 30247-30262.

3. . 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.

4. . Boynuegri, A. R., Tekgun, B. Real-time energy management in an off-grid smart home: Flexible demand side control with electric vehicle and green hydrogen production / A. R. Boynuegri, B. Tekgun // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 60. – P. 23146-23155.

5. . 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.

6. . Kabirov, V. A., Semenov, V. D., Torgaeva, D. S., Otto, A. I. Miniaturization of spacecraft electrical power systems with solar-hydrogen power supply system / V. A. Kabirov, V. D. Semenov, D. S. Torgaeva, A. I. Otto // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 24. – P. 9057-9070.

7. . 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.

8. . Андреев, М. В., Бай, Ю. Д., Малюта, Б. Д. Новая методика настройки релейной защиты энергосистем, содержащих возобновляемые источники энергии и водородные накопители энергии / М. В. Андреев, Ю. Д. Бай, Б. Д. Малюта // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2023. – № 3. – С. 69-92.

9. . 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.

10. . 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.

11. . Ahmadi, P., Khoshnevisan, A. Dynamic simulation and lifecycle assessment of hydrogen fuel cell electric vehicles considering various hydrogen production methods / P. Ahmadi, A. Khoshnevisan // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47, iss. 62. – P. 26758-26769.

12. . Dhimish, M., Schofield, N. Single-switch boost-buck DC-DC converter for industrial fuel cell and photovoltaics applications / M. Dhimish, N. Schofield // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47, iss. 2. – P. 1241-1255.

13. . 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.

14. . 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.

15. . 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.

16. . Son, G. -J., Kang, F. -S., Park, S. -J. Grid Connection Using a Structure That Combines a Buck Converter and a Push-Pull Converter to Reduce the Low-Frequency Current Ripple of the Fuel-Cell / G. -J. Son, F. -S. Kang, S. -J. Park // IEEE Access. – 2022. – Vol. 10. – P. 95804-95823.

17. . Janabi, A., Wang, B. Switched-capacitor voltage boost converter for electric and hybrid electric vehicle drives / A. Janabi, B. Wang // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2020. – Vol. 35, iss. 6. – P. 5615- 5624.

18. . Mack, R. Demystifying switching power supplies / R. Mack. – Newnes, 2005. –339 p.

19. . Erickson, R. W. Fundamentals of Power Electronics. 2ed / R. W. Erickson, D. Maksimovic. – Springer, 2001. – 904 p.

20. . Muntean, C., Astudillo, M., Serrano, D., Vasić, M. Capacitive-Based Isolated 1:1 Resonant Switched Capacitor DC–DC Converter / C. Muntean, M. Astudillo, D. Serrano, M. Vasić // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2023. – Vol. 38, no. 11. – P. 13507-13520.

21. . Li, Y., Wang, Y., Guan, Y., Xu, D. Design and Optimization of High-Gain Bidirectional DC– DC Converter for Electric Vehicles, / Y. Li, Y. Wang, Y. Guan, D. Xu // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2023. – Vol. 38, no. 9. – P. 11221-11232.

22. . 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.

23. . 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.

24. . Folmer, S., Stala, R. DC-DC High Voltage Gain Switched Capacitor Converter With Multilevel Output Voltage and Zero-Voltage Switching / S. Folmer, R. Stala // IEEE Access. – 2021. – Vol. 9. – P. 129692- 129705.

25. . 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.

26. . 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.

27. . 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.

28. . Пат. 2734101 Российская Федерация, МПК H 02 M 3/18. Регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения / Зотов Л. Г.; заявитель и патентообладатель Новосибирский государственный технический университет. – № 2020117224; заявл. 26.05.2020; опубл. 13.10.20, Бюл. № 29. – 8 с.

29. . Кобзев, А. В. Модуляционные источники питания РЭА / А. В. Кобзев, Г. Я. Михальченко, Н. М. Музыченко. – Томск: Радио и связь, 1990. – 336 с.

30. . Пат. 2 746 272 Российская Федерация, МПК H 02 M 3/18. Способ регулирования выходного напряжения повышающего преобразователя постоянного напряжения / Зотов Л. Г.; заявитель и патентообладатель Новосибирский государственный технический университет. – № 2020135310; заявл. 28.10.2020; опубл. 12.04.21, Бюл. № 11. – 11 с.