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A national laboratory of the U.S. Department of Energy
y
Office of Energy Efficiency & Renewable Energy
National Renewable Energy Laboratory 
Innovation for Our Energy Future 
Advanced Power Electronic 
Interfaces for Distributed 
Energy Systems 
Part 1: Systems and Topologies 
W. Kramer, S. Chakraborty, B. Kroposki,  
and H. Thomas 
Technical Report 
NREL/TP-581-42672 
March 2008 
NREL is operated by Midwest Research Institute ● Battelle     Contract No. DE-AC36-99-GO10337 
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National Renewable Energy Laboratory
1617 Cole Boulevard, Golden, Colorado 80401-3393 
303-275-3000 • www.nrel.gov 
Operated for the U.S. Department of Energy 
Office of Energy Efficiency and Renewable Energy 
by Midwest Research Institute • Battelle 
Contract No. DE-AC36-99-GO10337 
Technical Report 
NREL/TP-581-42672 
March 2008 
Advanced Power Electronic 
Interfaces for Distributed 
Energy Systems 
Part 1: Systems and Topologies 
W. Kramer, S. Chakraborty, B. Kroposki,  
and H. Thomas 
Prepared under Task No. WW2C.1000 
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The National Renewable Energy Laboratory is a national laboratory of the U.S. Department of Energy (DOE) managed by Midwest 
Research Institute for the U.S. Department of Energy under Contract Number DE-AC36-99GO10337. This report was prepared as an 
account of work sponsored by the California Energy Commission and pursuant to an M&O Contract with the United States Department of 
Energy (DOE). Neither Midwest Research Institute, nor the DOE, nor the California Energy Commission, nor any of their employees, 
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completeness, or usefulness of any information, apparatus, product, or process disclosed, or represents that its use would not infringe 
privately owned rights. Reference herein to any specific commercial product, process, or service by trade name, trademark, manufacturer, 
or otherwise, does not necessarily constitute or imply its endorsement, recommendation, or favoring by Midwest Research Institute, or the 
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Institute, the DOE, or the California Energy Commission, nor has Midwest Research Institute, the DOE, or the California Energy 
Commission passed upon the accuracy or adequacy of the information in this report. 
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This report was prepared as an account of work sponsored by an agency of the United States government. 
Neither the United States government nor any  agency thereof, nor any of their employees, makes any 
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trade name, trademark, manufacturer, or otherwise does not necessarily constitute or imply its endorsement, 
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Oak Ridge, TN 37831-0062 
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fax: 865.576.5728 
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Available for sale to the public, in paper, from: 
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National Technical Information Service 
5285 Port Royal Road 
Springfield, VA 22161 
phone:  800.553.6847 
fax:  703.605.6900 
email: orders@ntis.fedworld.gov
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List of Acronyms 
AC   
Alternating current 
ACE   
Area control error 
ACRDI 
Active clamp resonant DC-link inverter 
A/D   
Analog to digital 
AIPM  
Advanced integrated power module 
APEI   
Advanced power electronics interface 
BESS   
Battery energy storage system 
CAES  
Compressed air energy storage 
CAN    
Controller area network 
CCHP  
Combined cooling, heating, and power 
CHP   
Combined heat and power 
CPU   
Central processing unit 
CVT   
Continuously variable transmission 
DBC   
Direct-bonded copper 
DC   
Direct current 
DE   
Distributed energy  
DER   
Distributed energy resource 
DFIG   
Doubly-fed induction generator 
DG   
Distributed generation 
DSP   
Digital signal processing 
EMI   
Electro-magnetic interference 
EPS   
Electric power system 
ERCOT 
Electric Reliability Council of Texas 
FESS   
Flywheel energy storage system 
FOC   
Field oriented controlled 
FPGA  
Field-programmable gate array 
GTO   
Gate turn-off thyristors 
HC   
Harmonic compensator 
HFAC  
High-frequency AC 
HFLC  
High-frequency link converter 
IC 
Internal combustion 
IEEE   
Institute of electrical and electronics engineers 
IGBT   
Insulated-gate bipolar transistor 
IM   
Induction machine 
IPEM   
Integrated power electronics module 
ISO   
Independent system operator 
MCFC  
Molten carbonate fuel cell 
MCT   
MOS-controlled thyristors 
MPP   
Maximum power point 
MPPT  
Maximum power point tracking 
NEC   
National electrical code 
NREL  
National Renewable Energy Laboratory 
PAFC  
Phosphoric acid fuel cell 
PCB   
Printed circuit board 
iii 
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C# Word - Delete Word Document Page in C#.NET
Delete Consecutive Pages from Word in C#. How to delete a range of pages from a Word document. How to delete several defined pages from a Word document.
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PCC   
Point of common coupling 
PDM   
Pulse density modulation 
PE 
Power electronics 
PEBB  
Power electronics building block 
PEM   
Proton exchange membrane 
PEMFC 
Proton exchange membrane fuel cell 
PHEV  
Plug-in hybrid electric vehicle 
PI 
Proportional-integral 
PIER   
Public interest energy research 
PLL   
Phase-locked-loop 
PM   
Permanent magnet 
PR 
Proportional resonant 
PV   
Photovoltaic 
PWM   
Pulse-width modulation 
RPLI   
Resonant-phase leg inverter 
RPM   
Revolutions per minute 
RPS   
Renewable portfolio standards 
SCR   
Silicon controller rectifier 
SKAI   
Semikron advanced integration 
SMES  
Superconducting magnetic energy storage 
SOC   
State-of-charge 
SOFC  
Solid oxide fuel cell 
SPWM  
Sine pulse-width modulation 
UC   
Ultra-capacitors 
UL   
Underwriters laboratories 
V2G   
Vehicle-to-grid 
VAR   
Volt-amperes reactive 
VFD   
Variable frequency drive 
VRB   
Vanadium redox battery 
VSI   
Voltage source inverter 
ZVS   
Zero voltage switching 
iv 
C# PDF metadata Library: add, remove, update PDF metadata in C#.
C#.NET PDF SDK - Edit PDF Document Metadata in C#.NET. Allow C# Developers to Read, Add, Edit, Update and Delete PDF Metadata in .NET Project.
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C# PowerPoint - Delete PowerPoint Document Page in C#.NET
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Executive Summary 
Several distributed energy (DE) systems are expected to have a significant impact on the 
California energy market in the near future. These DE systems include, but are not limited to: 
photovoltaics (PV), wind, microturbine, fuel cells, and internal combustion engines (IC engines). 
In addition, several energy storage systems such as batteries and flywheels are under 
consideration for DE to harness excess electricity produced by the most efficient generators 
during low loading. This harvested energy can be released onto the grid, when needed, to 
eliminate the need for high-cost generators. Inclusion of storage in the distributed generation 
system actually provides the user dispatchability of its distributed resources which generally are 
renewable energy sources, like PV and solar, having no dispatchability by their own. In the 
future, using hybrid electric vehicles along with the utility grid in the form of plug-in hybrid 
electric vehicles (PHEV) and vehicle-to-grid systems (V2G) will be a very promising option to 
be included in the DE classification. All of these DE technologies require specific power 
electronics capabilities to convert the generated power into useful power that can be directly 
interconnected with the utility grid and/or that can be used for consumer applications. Because of 
the similar functions of these power electronics capabilities, the development of an advanced 
power electronic interface (APEI) that is scalable to meet different power requirements, with 
modular design, lower cost, and improved reliability, will improve the overall cost and durability 
of distributed and renewable energy systems. This report presents a summary providing a 
convenient resource to understand the current state-of-the art power electronic interfaces for DE 
applications. It also outlines the power electronic topologies that are needed for an advanced 
power electronic interface.  
This report focuses on commercially available DE systems and is organized into eight 
application-specific areas: 
•  Photovoltaic Systems  
•  Wind Systems 
•  Microturbine Systems 
•  Fuel Cell Systems 
•  Internal Combustion Engine Systems 
•  Battery Storage Systems 
•  Flywheel Systems 
•  Plug-In Vehicles. 
Different power electronics topologies are discussed for each of these DE systems and a 
generalized topology is selected for understanding the control design. An interesting section on 
plug-in hybrid vehicles is also included in the report that can help to explain the new vehicle 
technologies that are viable to be included in the DE framework. Figure
diagram of general power electronics interface for use with DE systems and can be subdivided 
into four major modules. These include: the source input converter module, an inverter module, 
the output interface module, and the controller module. The blue unidirectional arrows depict the 
power flow path for the DE sources whereas the red arrows show the bidirectional power flows 
for the DE storages. The input converter module can be either used with alternating current (AC) 
or direct current (DC) DE systems and is most likely to be specific for the type of energy source 
ES-1 shows a general block 
or storage. The DC-AC inverter module is the most generic of the modules and converts a DC 
source to grid-compatible AC power. The output interface module filters the AC output from the 
inverter. The fourth major module is the monitoring and control module that operates the entire 
interface and contains protection for both the DE source and the utility at the point-of-common-
coupling (PCC). Due to many inherent similarities in these modules, it is possible that a modular 
and scalable APEI could allow each of the energy source technologies to use the same power 
electronic components within their system architectures. The future requirements for modular 
design, such as standard interfaces, are also discussed. These requirements can lead to modular 
and flexible design of the power electronics converters for the DE applications. 
Figure ES-1. Proposed modular configuration for DE power electronics interface 
vi 
Table of Contents 
 Introduction...........................................................................................................................................1 
1.1 General Topology................................................................................................................2 
1.2 Report Structure...................................................................................................................4 
 Photovoltaic..........................................................................................................................................5 
2.1 General Description.............................................................................................................5 
2.2 Photovoltaic System Configurations....................................................................................6 
2.3 Power Electronics Topologies.............................................................................................9 
2.4 Generalized Power Electronics and Control......................................................................12 
 Wind.....................................................................................................................................................16 
3.1 General Description...........................................................................................................16 
3.2 Wind System Configurations.............................................................................................16 
3.3 Power Electronics Topologies...........................................................................................19 
3.4 Generalized Power Electronics and Control......................................................................20 
 Microturbines......................................................................................................................................25 
4.1 General Description...........................................................................................................25 
4.2 Microturbine System Configurations.................................................................................25 
4.3 Power Electronics Topologies...........................................................................................28 
4.4 Generalized Power Electronics and Control......................................................................30 
 Fuel Cells.............................................................................................................................................33 
5.1 General Description...........................................................................................................33 
5.2 Fuel Cell System Configurations.......................................................................................35 
5.3 Power Electronics Topologies...........................................................................................36 
5.4 Generalized Power Electronics and Control......................................................................40 
 Internal Combustion Engines............................................................................................................43 
6.1 General Description...........................................................................................................43 
6.2 IC Engine System Configurations.....................................................................................44 
6.3 Power Electronics Topologies...........................................................................................45 
6.4 Generalized Power Electronics and Control......................................................................47 
 Battery Storage...................................................................................................................................50 
7.1 General Description...........................................................................................................50 
7.2 Battery Storage System Configurations.............................................................................52 
7.3 Power Electronics Topologies...........................................................................................53 
7.4 Generalized Power Electronics and Control......................................................................55 
 Flywheels.............................................................................................................................................59 
8.1 General Description...........................................................................................................59 
8.2 Flywheel Storage System Configurations..........................................................................60 
8.3 Power Electronics Topologies...........................................................................................62 
8.4 Generalized Power Electronics and Control......................................................................63 
vii 
viii 
 Plug-in Vehicles..................................................................................................................................66 
9.1 General Description...........................................................................................................66 
9.2 Plug-in Vehicle System Configurations.............................................................................67 
9.3 Vehicle-to-Grid System Configurations............................................................................73 
9.4 Power Electronics Topologies...........................................................................................76 
10  Modular Power Electronics...............................................................................................................80 
10.1  General Description.......................................................................................................80 
10.2  Development of Advanced Power Electronics Interfaces (APEI).................................81 
10.3  Requirement of Standard Interfaces...............................................................................87 
11  Conclusions and Recommendations...............................................................................................93 
12  References..........................................................................................................................................96 
13  Glossary............................................................................................................................................102 
13.1  List of Acronyms..........................................................................................................102 
13.2  Definitions ....................................................................................................................103 
Appendix A. Representative DE Manufacturers..................................................................................106 
Appendix B. DQ and Utility Inverter Control........................................................................................111 
B.1  General Description........................................................................................................111 
B.2  D-Q Based Control.........................................................................................................111 
B.3  Other Control Methods...................................................................................................116 
List of Figures 
Figure ES-1.   Proposed modular configuration for DE power electronics interface...................vi 
Figure 1.  
General block diagram of typical DE power electronic systems............................3 
Figure 2.  
PV panels (NREL 2008).........................................................................................6 
Figure 3.  
Centralized PV configuration.................................................................................7 
Figure 4.  
(a). PV panels in strings with individual inverters; (b). PV panels in a   
multi-string configuration.......................................................................................8 
Figure 5.  
AC-Module power electronics configuration.........................................................9 
Figure 6.  
Single-phase single-stage PV power electronics..................................................10 
Figure 7.  
Single-phase multiple-stage PV power electronics...............................................11 
Figure 8.  
Three-phase PV topology with line-frequency transformer.................................11 
Figure 9.  
Multi-string PV topology with high-frequency transformer-based isolation.......12 
Figure 10.   Generalized power electronics and control of a PV system.................................13 
Figure 11.   100-kW wind turbine (NREL 2008).....................................................................16 
Figure 12.   Main components of the wind generation system.................................................17 
Figure 13.   Direct connected induction generator power electronics configuration...............17 
Figure 14.   Induction generator with partially rated power electronics configuration  
(a) Rotor resistance controller, (b) Doubly-fed induction generator....................18 
Figure 15.   Synchronous generator power electronics configuration......................................19 
Figure 16.   Synchronous generator power electronics topology.............................................19 
Figure 17.   Power electronics AC-DC-AC converter for doubly-fed generator.....................20 
Figure 18.   Generalized power electronics converter for wind systems.................................20 
Figure 19.   Control block diagram for double PWM converter with induction generator......22 
Figure 20.   Microturbine (NREL 2008)..................................................................................25 
Figure 21.   Basic microturbine and power electronics configuration.....................................26 
Figure 22.   Microturbine configurations with DC-link power converters..............................27 
Figure 23.   Microturbine configurations with an HFAC-link power converter......................27 
Figure 24.   Microturbine configurations with direct AC-AC converter..................................28 
Figure 25.   DC-link based power electronics topologies with (a) Active rectifier;   
(b) Passive rectifier...............................................................................................29 
Figure 26.   Direct AC-AC conversion by matrix converter....................................................30 
Figure 27.   Generalized power electronics and control of a microturbine system..................31 
Figure 28.   Stationary fuel cell system (NREL 2008).............................................................33 
Figure 29.   Proton exchange membrane fuel cell....................................................................35 
Figure 30.   Fuel cell system configuration with a single inverter...........................................35 
Figure 31.   Fuel cell system configuration with cascaded DC-DC and DC-AC converters...36 
Figure 32.   Fuel cell system configuration with cascaded DC-AC and AC-AC converters...36 
Figure 33.   Isolated DC-DC converters (a) H-bridge;  (b) Series-resonant H-bridge;  
(c) Push-pull..........................................................................................................37 
Figure 34.   Three-phase inverters (a) Hard-switching inverter; (b) Resonant-phase  
leg inverter............................................................................................................38 
Figure 35.   Cascaded DC-DC and DC-AC converter topology (DC-link).............................38 
Figure 36.   Cascaded DC-AC and AC-AC converter topology (high-frequency link)...........39 
Figure 37.   Generalized power electronics and control of a PEM fuel cell system................41 
Figure 38.   Internal combustion engine-generator systems (NREL 2008)..............................44 
ix 
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