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Control of a battery charger/discharger based on the Sepic/Zeta topology for DC bus regulation

Resumen

In a dc microgrid that involve a battery storage system, the primary energy man-agement is performed by a battery charger/discharger based on a dc/dc power con-verter. Moreover, the battery charger/discharger is also used to regulate the voltaje of the dc bus. One of the challenges at the control level is to regulate the DC bus voltage under battery charge and discharge conditions, but also under different relations between the battery and bus voltages. For this reason, this research work proposes a battery charger/discharger based on the Sepic/Zeta converter and adaptive controllers, which provides bidirectional current flow, stable bus voltage and satisfactory electrical characteristics. The main advantage of the proposed control system is the capability to adapt the controller parameters to any operation condition, which provides a general solution to interface any battery to any bus voltage. In addition, three methods are proposed to adapt the controller parameters, and its performance is evaluated. This study is focused on the design procedure of both the power converter and the controller, where a detailed mathematical analysis is conducted to ensure the system performance and stability. Finally, the proposed solution is validated using an experimental prototype and a practical application case. Resumen es español: En una microrred de DC que involucra un sistema de almacenamiento basado en baterías, la gestión de la energía primaria es realizada por un cargador/descargador de baterías basado en un convertidor de potencia DC/DC. El cargador/descargador de baterías también se utiliza para regular el voltaje del bus de DC. Uno de los desafíos a nivel de control es regular el voltaje del bus de DC en condiciones de carga y descarga de la batería, pero también bajo diferentes relaciones entre los voltajes de la batería y del bus. Por ello, en este trabajo de investigación se propone un cargador/descargador de baterías basado en el convertidor Sepic/Zeta y controladores adaptativos, que proporcionan flujo de corriente bidireccional, estabilidad del voltaje del bus y características eléctricas satisfactorias. La principal ventaja del sistema de control propuesto es la capacidad de adaptar los parámetros del controlador a cualquier condición de operación, lo que proporciona una solución general para interactuar cualquier batería con cualquier voltaje del bus. Se proponen tres métodos para adaptar los parámetros del controlador, y se evalúa su rendimiento. Este estudio se centra en el procedimiento de diseño tanto del convertidor de potencia como del controlador, donde se realiza un análisis matemático detallado para garantizar el rendimiento y la estabilidad del sistema. Finalmente, la solución propuesta se valida utilizando un prototipo experimental y un caso de aplicación practico.