Although it has long been argued that electronic power converters can help improve system controllability, reliability, size, and efficiency, their penetration in power systems is still quite low. The often-cited barriers of higher cost and lower reliability of the power converters are quite high if power electronics is used as direct, one-to-one, replacement for the existing electromechanical equipment. However, if the whole power distribution system were designed as a system of controllable converters, the overall system cost and reliability could actually improve, as is currently the case at low power levels within computer and telecom equipment. Starting from the example of a computer power system, the paper contemplates possible future ac and dc electronic power distribution system architectures, especially in the presence of renewable energy sources. The proposed nanogrid-microgrid-…-grid structure achieves hierarchical dynamic decoupling of generation, distribution, and consumption by using bidirectional converters as energy control centers. This is illustrated by the description and simulation of static and dynamic operation of a dc nanogrid in a hypothetical future sustainable home. Several ideas for modeling, analysis, and system-level design of such systems, including power flow control, protection, stability, and subsystem interactions, are presented.

With the emerging installations of multitype renewable energy sources and energy storage elements, the dc electronic distribution systems in residential buildings (dc nanogrid) are becoming an alternative future system solution, achieving a zero net-energy consumption and optimized power management. The concept of the energy control center (ECC), which interconnects the dc system to the traditional ac utility grid, is introduced, and the operation function of ECC converter suitable for dc nanogrid application is defined. This paper investigates a two-stage topology using a full bridge in series with a bidirectional synchronous rectifier dc–dc converter as a single-phase ECC for dc nanogrid, with a significant reduction of the dc-link capacitor value. The operation analysis and the design of passive components are provided. A bidirectional control system and the design process are also presented in terms of the system requirement and the small dc-link capacitor.

Anticipated widespread usage of new power electronics technologies in electrical energy generation and consumption is expected to provide major efficiency improvements, while the deployment of smart grid technologies should improve the utilization and availability of electricity. This paper explores possible relationships between these two trends. Starting from an analysis of current and expected trends in the generation, transport, and consumption of electrical energy, this paper contemplates possible future ac and dc electronic power distribution system architectures, especially in the presence of renewable energy sources. The proposed nanogrid-microgrid-Ě-grid structure achieves hierarchical dynamic decoupling of generation, distribution, and consumption by using bidirectional electronic power converters as energy control centers. Several possible directions for modeling, analysis, and system-level design of such systems, including power flow control, protection, stability, and subsystem interactions, are briefly discussed.