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Victor Flores Mendeshttp://lattes.cnpq.br/3391963984567917Heverton Augusto PereiraWallace do Couto BoaventuraTomas Perpetuo CorreiaAllan Fagner CupertinoWaner Wodson Aparecido Gonçalves Silvahttp://lattes.cnpq.br/4015710490036471Lucas Santana Xavier2022-08-08T19:45:28Z2022-08-08T19:45:28Z2022-01-07http://hdl.handle.net/1843/44065The use of grid-connected battery energy storage systems has increased around the world. In the scenario of high penetration of renewable energy sources in distributed generation, storage systems play an important role in combining a sustainable energy supply with a reliable dispatched energy source. Different power electronics topologies for power conversion systems are employed to connect batteries to the grid, usually using single-stage converters. However, the battery voltage varies depending on its state of charge, introducing significant variations in the dc-link voltage. Therefore, the dc/ac stage must have its power switches to support this voltage variation. A controllable voltage on the dc-link is obtained by inserting a dc/dc converter stage to connect the batteries to the dc/ac stage. Among dc/dc converters, the bidirectional interleaved converter has been widely used due to the low ripple of the input and output current. However, the trade-off between cost and design optimization by insertion the cc/cc stage is less explored in the literature. Therefore, this work presents an analysis methodology, considering the variation of battery voltage and its influence on the design and efficiency of the energy conversion system for battery energy storage systems. Furthermore, a power conversion system design oriented to the switch voltage class, efficiency and cost is proposed. The simulated and experimental results investigate the design and comparison approaches of converters for battery energy storage systems. The results indicate the advantages and disadvantages of the investigated topologies. Furthermore, the control of grid-connected converters for energy storage systems in stationary references has been investigated in several works in the literature. One challenge of this method is the calculation of current references as a function of power references. In some works, this problem was solved based on the instantaneous power theory equations described in stationary references. However, this approach can lead to steady-state errors in the injected power if there is an error in the current control loop, which is the focus of this investigation. Therefore, this work proposes a closed-loop power control for grid-connected dc/ac stages controlled in a stationary frame of reference. This strategy is experimentally investigated in two configurations of energy conversion systems for battery energy storage systems.O uso de sistemas de armazenamento de energia em baterias conectados `a rede elétrica tem aumentado em todo o mundo. No cenário de alto nível de penetração de fontes renováveis de energia na geração distribuída, os sistemas de armazenamento desempenham um papel importante para combinar um fornecimento de energia sustentável com uma fonte de energia despachada confiável. Diferentes topologias de sistemas para conversão de energia são empregadas para conectar as baterias `a rede, geralmente usando conversores de estágio ´único. No entanto, a tensão da bateria varia de acordo com seu estado de carga, o que pode introduzir grandes variações na tensão do barramento cc. Portanto, o estágio cc/ca deve ter suas chaves de potência projetadas para suportar essa variação de tensão. Uma tensão controlável no barramento cc é obtida inserindo um estágio cc/cc para conectar as baterias ao estágio cc/ca. Entre os conversores cc/cc, o conversor bidirecional intercalado tem sido amplamente utilizado devido ao baixo ripple da corrente de entrada e saída. No entanto, o trade-off entre custo e otimização no projeto pela inserção do estágio cc/cc ´e pouco explorado na literatura. Portanto, este trabalho apresenta uma metodologia de análise, considerando a variação da tensão da bateria e sua influência no projeto e na eficiência do sistema de conversão de energia para sistemas de armazenamento de energia em baterias. Ademais, é proposto um projeto de sistema de conversão de energia orientado para a classe de tensão das chaves, eficiência e custo. Além disso, é analisado a estrutura de controle para diferentes topologias de conversores para sistemas de armazenamento. As abordagens de projeto e comparação de conversores para sistemas de armazenamento de energia em baterias são investigadas nos resultados simulados e experimentais. Os resultados indicam as vantagens e desvantagens das topologias investigadas. Além disso, o controle de conversores conectados `a rede para sistemas de armazenamento de energia em referenciais estacionários tem sido investigado em diversos trabalhos na literatura. Um dos desafios deste método é o cálculo das referencias atuais em função das referências de potência. Em alguns trabalhos, esse problema foi resolvido com base nas equações da teoria da potência instantânea descritas em referenciais estacionários. No entanto, esta abordagem pode levar a erros de regime permanente na potência injetada se houver algum erro na malha de controle de corrente, que é o foco desta investigação. Assim, este trabalho propõe um controle de potência em malha fechada para estágios dc/ac conectados `a rede controlados em referencial estacionário. Esta estratégia é investigada experimentalmente em duas configurações de sistemas de conversão de energia para sistemas de armazenamento de energia de bateria.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoengUniversidade Federal de Minas GeraisPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFMGBrasilENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICAEngenharia elétricaBateriasConversores de corrente elétricaEnergia - ArmazenamentoBessLead-acid batteryBidirectional converterInterleaved converterIGBT power moduleEfficiencyCostBlocking VoltageA comprehensive analysis of design and performance of power converters for battery energy storage systemsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGORIGINALtese_lucas_santana_xavier.pdftese_lucas_santana_xavier.pdfapplication/pdf18091515https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/44065/3/tese_lucas_santana_xavier.pdf3c9697717d3ee2f53c41b3673a57ddb4MD53LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82118https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/44065/4/license.txtcda590c95a0b51b4d15f60c9642ca272MD541843/440652022-08-08 16:45:28.429oai:repositorio.ufmg.br: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ório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oaiopendoar:2022-08-08T19:45:28Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false
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