Droop control is the basic control method for load current sharing in dc microgrid applications. The conventional dc droop control method is realized by linearly reducing the dc output voltage as the output current increases. This method has two limitations. First, with the consideration of line resistance in a droop-controlled dc microgrid, since the output voltage of each converter cannot be exactly the same, the output current sharing accuracy is degraded. Second, the dc-bus voltage deviation increases with the load due to the droop action. In this paper, in order to improve the performance of the dc microgrid operation, a low-bandwidth communication (LBC)-based improved droop control method is proposed. In contrast with the conventional approach, the control system does not require a centralized secondary controller. Instead, it uses local controllers and the LBC network to exchange information between converter units. The droop controller is employed to achieve independent operation, and the average voltage and current controllers are used in each converter to simultaneously enhance the current sharing accuracy and restore the dc bus voltage. All of the controllers are realized locally, and the LBC system is only used for changing the values of the dc voltage and current. Hence, a decentralized control scheme is accomplished. The simulation test based on MATLAB/Simulink and the experimental validation based on a 2 × 2.2 kW prototype were implemented to demonstrate the proposed approach.

This paper presents the coordinated control of distributed energy storage systems in dc microgrids. In order to balance the state-of-charge (SoC) of each energy storage unit (ESU), an SoC-based adaptive droop control method is proposed. In this decentralized control method, the droop coefficient is inversely proportional to the nth order of SoC. By using a SoC-based droop method, the ESUs with higher SoC deliver more power, whereas the ones with lower SoC deliver less power. Therefore, the energy stored in the ESU with higher SoC decreases faster than that with lower SoC. The SoC difference between each ESU gradually becomes smaller, and finally, the load power is equally shared between the distributed ESUs. Meanwhile, the load sharing speed can be adjusted by changing the exponent of SoC in the adaptive droop control. The model of the SoC-based adaptive droop control system is established, and the system stability is thereby analyzed by using this model. Simulation and experimental results from a 2 × 2.2 kW parallel converter system are presented in order to validate the proposed approach.

In this paper, a hierarchical control system for parallel power electronics interfaces between ac bus and dc bus in a hybrid microgrid is presented. Both standalone and grid-connected operation modes in the dc side of the microgrid are analyzed. Concretely, a three-level hierarchical control system is implemented. In the primary control level, the decentralized control is realized by using the droop method. Local ac current proportional-resonant controller and dc voltage proportional-integral controller are employed. When the local load is connected to the dc bus, dc droop control is applied to obtain equal or proportional dc load current sharing. The common secondary control level is designed to eliminate the dc bus voltage deviation produced by the droop control, with dc bus voltage in the hybrid microgrid boosted to an acceptable range. After guaranteeing the performance of the dc side standalone operation by means of the primary and secondary control levels, the tertiary control level is thereafter employed to perform the connection to an external dc system. Meanwhile, the impact of the bandwidth of the secondary and tertiary control levels is discussed. The closed-loop model including all the three control levels is developed in order to adjust the main control parameters and study the system stability. Experimental results of a 2 × 2.2 kW parallel ac-dc converter system have shown satisfactory realization of the designed system.

Transformerless inverter topologies have attracted more attentions in photovoltaic (PV) generation system since they feature high efficiency and low cost. In order to meet the safety requirement for transformerless grid-tied PV inverters, the leakage current has to be tackled carefully. Neutral point clamped (NPC) topology is an effective way to eliminate the leakage current. In this paper, two types of basic switching cells, the positive neutral point clamped cell and the negative neutral point clamped cell, are proposed to build NPC topologies, with a systematic method of topology generation given. A family of single-phase transformerless full-bridge topologies with low-leakage current for PV grid-tied NPC inverters is derived including the existing oH5 and some new topologies. A novel positive–negative NPC (PN-NPC) topology is analyzed in detail with operational modes and modulation strategy given. The power losses are compared among the oH5, the full-bridge inverter with dc bypass (FB-DCBP) topology, and the proposed PN-NPC topologies. A universal prototype for these three NPC-type topologies mentioned is built to evaluate the topologies at conversion efficiency and the leakage current characteristic. The PN-NPC topology proposed exhibits similar leakage current with the FB-DCBP, which is lower than that of the oH5 topology, and features higher efficiency than both the oH5 and the FB-DCBP topologies.

Transformerless inverters are widely used in grid-tied photovoltaic (PV) generation systems, due to the benefits of achieving high efficiency and low cost. Various transformerless inverter topologies have been proposed to meet the safety requirement of leakage currents, such as specified in the VDE-4105 standard. In this paper, a family of H6 transformerless inverter topologies with low leakage currents is proposed, and the intrinsic relationship between H5 topology, highly efficient and reliable inverter concept (HERIC) topology, and the proposed H6 topology has been discussed as well. One of the proposed H6 inverter topologies is taken as an example for detail analysis with operation modes and modulation strategy. The power losses and power device costs are compared among the H5, the HERIC, and the proposed H6 topologies. A universal prototype is built for these three topologies mentioned for evaluating their performances in terms of power efficiency and leakage currents characteristics. Experimental results show that the proposed H6 topology and the HERIC achieve similar performance in leakage currents, which is slightly worse than that of the H5 topology, but it features higher efficiency than that of H5 topology.

In this paper, a double-quadrant state-of-charge (SoC)-based droop control method for distributed energy storage system is proposed to reach the proper power distribution in autonomous dc microgrids. In order to prolong the lifetime of the energy storage units (ESUs) and avoid the overuse of a certain unit, the SoC of each unit should be balanced and the injected/output power should be gradually equalized. Droop control as a decentralized approach is used as the basis of the power sharing method for distributed energy storage units. In the charging process, the droop coefficient is set to be proportional to the nth order of SoC, while in the discharging process, the droop coefficient is set to be inversely proportional to the nth order of SoC. Since the injected/output power is inversely proportional to the droop coefficient, it is obtained that in the charging process the ESU with higher SoC absorbs less power, while the one with lower SoC absorbs more power. Meanwhile, in the discharging process, the ESU with higher SoC delivers more power and the one with lower SoC delivers less power. Hence, SoC balancing and injected/output power equalization can be gradually realized. The exponent n of SoC is employed in the control diagram to regulate the speed of SoC balancing. It is found that with larger exponent n, the balancing speed is higher. MATLAB/simulink model comprised of three ESUs is implemented and the simulation results are shown to verify the proposed approach.

In order to realize precise rotor position/speed control of ac motor drives under sensorless operation, motor parameters should be online estimated. In this paper, the identification on permanent magnet flux of interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) under position sensorless control is investigated. A rotor-flux-oriented vector control with model reference adaptive system (MRAS)-based rotor position/speed estimation is employed as the basic control strategy for IPMSM drive. An identification scheme based on extended Kalman filter for the permanent magnet flux of IPMSM is proposed. By using this scheme, the identification problems due to low-order state equations of IPMSM can be avoided. Based on these works, the online permanent magnet flux identification of IPMSM with rotor position/speed senseless control is realized. Simulation and experimental results demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed control methods, which shows that the estimation error of rotor position based on the identified permanent magnet flux is limited within a very low level.

In this paper, a converter-based dc microgrid is studied. By considering the impact of each component in dc microgrids on system stability, a multistage configuration is employed, which includes the source stage, interface converter stage between buses, and common load stage. In order to study the overall stability of the above dc microgrid with constant power loads (CPLs), a comprehensive small-signal model is derived by analyzing the interface converters in each stage. The instability issue induced by the CPLs is revealed by using the criteria of impedance matching. Meanwhile, virtual-impedance-based stabilizers are proposed in order to enhance the damping of dc microgrids with CPLs and guarantee the stable operation. Since droop control is commonly used to reach proper load power sharing in dc microgrids, its impact is taken into account when testing the proposed stabilizers. By using the proposed stabilizers, virtual impedances are employed in the output filters of the interface converters in the second stage of the multistage configuration. In particular, one of the virtual impedances is connected in series with the filter capacitor, and the other one is connected at the output path of the converter. It can be seen that by using the proposed stabilizers, the unstable poles induced by the CPLs are forced to move into the stable region. The proposed method is verified by the MATLAB/Simulink model of multistage dc microgrids with three distributed power generation units.

In order to enhance the efficiency and reliability for distributed microgeneration, a modular grid-connected photovoltaic (PV) generation system is proposed. It consists of modular dc–dc converters and modular dc–ac inverters. The outputs of dc–dc converter and the inputs of dc–ac inverter share a dc bus. AC current coupling between the parallel-operated inverters, which is the key issue in this generation system, has been investigated. A current-decoupling method is proposed and implemented by regulating the currents of split-filter inductors, respectively. An optimal control strategy for the efficiency enhancement of PV generation system is proposed by utilizing the dispersion of control parameters. During power generation, only one modular dc–ac inverter is operating with nonfull load, and the other modular dc–ac inverters are operating with full load or at standby mode. A prototype of this modularized grid-connected PV generation system is implemented. The steady state and dynamic experimental results show that the fundamental components of two split-filter inductor currents in one inverter module are equivalent, which are decoupled completely, and only one inverter module operates with nonfull load among the parallel-operated inverter modules. The feasibility of the proposed system and the effectiveness of the control strategies have been verified by experimental results.

A systematic approach is proposed for the derivation of nonisolated three-port converter (TPC) topologies based on dual-input converters (DIC) and dual-output converters (DOC), which serves as an interface for a renewable source, a storage battery, and a load simultaneously. The power flow in a TPC is analyzed and compared with that in a DIC or a DOC, respectively. Beginning with building the power flow paths of a TPC from a DIC or a DOC, the general principles and detailed procedures for the generation and optimization of TPC topologies are presented. Based on these works, a family of nonisolated TPC topologies is developed. The derived TPCs feature single-stage power conversion between any two of the three ports, and result in high integration and high efficiency. One of the proposed TPCs, named Boost-TPC, is taken as an example for verifying the performance of its circuit topology with related operational methods. Pulsewidth modulation and power management methods, used in this circuit, are analyzed in detail. Experiments have been carried out on a 1-kW prototype of the Boost-TPC, which demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed topology derivation method.