Reliable power exchange in energy storage systems using multiport bidirectional SEPIC–Luo converter with PI control strategy

Abstract

The main objective of this study is to develop a high-efficiency bidirectional DC-DC converter capable of ensuring reliable power exchange within Energy Storage Systems (ESS) and improving the lifespan of series-connected batteries through precise management of charging and discharging processes. The proposed work aims to achieve stable voltage–current regulation and effective battery protection under varying load and supply conditions. To accomplish these objectives, a Multiport Bidirectional Single Ended Primary Inductor Converter (SEPIC)–Luo Converter (MB-SLC) is designed, whichoperate efficiently in both boost and buck modes. In addition, a cascaded Proportional–Integral (PI) control architecture is implemented for regulating thevoltage, the current, and the State of Charge (SOC) with high precision. The proposed converter and control performance are validated through MATLAB/Simulink simulations conducted under diverse operating scenarios. The results demonstrate smooth voltage and current profiles, rapid transient response, accurate SOC tracking, reduced ripple levels, and high conversion efficiency of 96% in step-up mode and 95.7% in step-down mode. These outcomes confirm the ability of the proposed system to maintain reliable power exchange while minimizing stress on the battery. The significance of the obtained results lies in their contribution to enhancing battery protection, extending operational lifespan, and providing a robust solution for renewable energy–integrated ESS. By combining advanced converter topology with cascaded PI control, the study offers a practical and scalable approach to improving energy storage reliability, efficiency, and sustainability.

Obiectivul principal al acestui studiu este de a dezvolta un convertor CC-CC bidirecțional de înaltă eficiență, capabil să asigure un schimb fiabil de energie în cadrul Sistemelor de Stocare a Energiei (ESS) și să îmbunătățească durata de viață a bateriilor conectate în serie prin gestionarea precisă a proceselor de încărcare și descărcare. Lucrarea propusă își propune să realizeze o reglare stabilă a tensiunii-curentului și o protecție eficientă a bateriei în condiții variabile de sarcină și alimentare. Pentru a atinge aceste obiective, este proiectat un convertor SEPIC (Multiport Bidirectional Single Ended Primary Inductor Converter)-Luo Converter (MB-SLC), care funcționează eficient atâtîn modul boost, cât și în modul buck. În plus, este implementată o arhitectură de control proporțional-integral (PI) în cascadă pentru reglarea tensiunii, curentului și a stării de încărcare (SOC) cu precizie ridicată. Performanța convertorului și a controlului propus este validată prin simulări MATLAB/Simulink efectuate în diverse scenarii de funcționare. Rezultatele demonstrează profiluri line de tensiune și curent, răspuns tranzitoriu rapid, urmărire precisă a SOC, niveluri reduse de ondulație și o eficiență ridicată a conversiei de 96% în modul step-up și 95,7% în modul step-down. Aceste rezultate confirmă capacitatea sistemului propus de a menține un schimb de energie fiabil, minimizând în același timp solicitarea asupra bateriei. Semnificația rezultatelor obținute constă în contribuția lor la îmbunătățirea protecției bateriei, extinderea duratei de viață operaționale și furnizarea unei soluții robuste pentru sistemele de stocare a energiei (ESS) integrate în energie regenerabilă. Prin combinarea topologiei avansate a convertorului cu controlul PI în cascadă, studiul oferă o abordare practică și scalabilă pentru îmbunătățirea fiabilității, eficienței și sustenabilității stocării energiei.

Основная цель данного исследования —разработка высокоэффективного двунаправленного DC/DC-преобразователя, способного обеспечить надежный обмен энергией в системах накопления энергии (ESS) и увеличить срок службы последовательно соединенных аккумуляторов за счет точного управления процессами зарядки и разрядки. Предлагаемая работа направлена на достижение стабильного регулирования напряжения и тока и эффективной защиты аккумулятора при изменяющихся условиях нагрузки и питания. Для достижения этих целей разработан многопортовый двунаправленный однотактный первичный индуктивный преобразователь (SEPIC) —Luo-преобразователь (MB-SLC), который эффективно работает как в повышающем, так и в понижающем режимах. Кроме того, реализована каскадная архитектура пропорционально-интегрального (ПИ) управления для регулирования напряжения, тока и состояния заряда (SOC) с высокой точностью. Предлагаемый преобразователь и характеристики управления проверены с помощью моделирования MATLAB/Simulink, проведенного в различных рабочих сценариях. Результаты демонстрируют плавныепрофили напряжения и тока, быструю переходную характеристику, точное отслеживание уровня заряда батареи, сниженный уровень пульсаций и высокую эффективность преобразования: 96% в повышающем режиме и 95,7% в понижающем. Эти результаты подтверждают способность предлагаемой системы обеспечивать надежный обмен энергией, минимизируя нагрузку на аккумулятор. Значимость полученных результатов заключается в их вкладе в улучшение защиты аккумулятора, продление срока службы и обеспечение надежного решения для интегрированной системы накопления энергии с использованием возобновляемых источников энергии. Сочетание усовершенствованной топологии преобразователя с каскадным ПИ-регулированием позволяет предложить практичный и масштабируемый подход к повышению надежности, эффективности и устойчивости систем накопления энергии.