Application of bidirectional AC-DC grid connected converter for home battery system, V2G and V2H operation

Abstract

Elektrikli araçların pazar payı gün geçtikçe artmaya devam ediyor. Elektrikli araçların taşıdıkları bataryalar büyük miktarda enerji depolayabildikleri için bu büyüme ileride elektrik şebekelerinde muhtemel bazı problemlere yol açabilir. Bununla birlikte, yenilenebilir enerji kaynaklarının da doğası gereği değişken miktarda enerji üretebilme kapasiteleri de göz önünde bulundurulduğunda, elektrik şebekesine bağlı dağıtık enerji kaynaklarının şebeke üzerindeki stresi azaltabileceği düşünülmektedir. Bu tezde, çift yönlü AC-DC dönüştürücüler incelenmiştir. Tek yönlü AC-DC dönüştürücülerden farklı olarak çift yönlü dönüştürücüler, ihtiyaç halinde elektrik şebekesine akım aktarabildikleri için şebeke üzerindeki yükü hafifletebilirler. Bu tez ana başlıklar olarak AC-DC dönüştürücü ve DC-DC dönüştürücü olarak ikiye ayrılmıştır. Elektrik şebekesine bağlı uç için Totem Pole çift yönlü PFC dönüştürücü üzerinde çalışılmış olup, endüktans ve kapasitans hesaplamaları yapılmıştır. Bununla birlikte sistem Matlab-Simülink üzerinde gerçeklenmiştir. Sistemin DC-DC kısmı için Dual Active Bridge (DAB) dönüştürücü üzerinde çalışılmış, güç akışı denklemleri çıkarılmıştır. Bununla birlikte endüktans ve yüksek frekanslı trafo gibi manyetik parçaların hesaplamaları yapılmıştır. DAB dönüştürücü için kontrol algoritması Matlab-Simulink üzerinde gerçeklenmiştir.

Market penetration of electric vehicles (EV) continues to grow. This growing brings some possible problems in the future for the existing electric grid system since electric vehicles carry huge batteries to be charged. In addition to this, renewable energy sources have fluctuating nature which is another growing industry. In order to cope with time varying supply and sink changes on the grid, distributed energy sources might ease stress on the grid. In this thesis, a bidirectional AC-DC converter system has been studied. Unlike unidirectional AC-DC converters, bidirectional AC-DC converters can help reducing stress on the grid system by supplying current to the grid when needed. This thesis has two main chapters that divide AC-DC conversion and DC-DC conversion stages. For the AC-DC part, which is grid connected front end of the system, Totem Pole Bidirectional PFC converter is studied. Inductor and capacitor calculations have been conducted as well as control algorithm in Matlab-Simulink. For the DC-DC part of the system, Dual Active Bridge (DAB) converter has been studied. Power flow analysis and calculations for magnetics have been done including inductor and high frequency transformer. Control algorithm for DAB converter have been designed in Matlab-Simulink.