Conversor CC-CA empregando rede de impedância do tipo Quasi-Fonte-Y

As topologias de conversores baseadas em redes de impedância apresentam soluções para algumas das limitações associadas com os inversores tradicionais, e criam possibilidades para aplicações em que custo, confiabilidade e eficiência energética são fatores críticos. Nesse sentido, esse trabalho apresenta uma metodologia de análise, projeto e controle de uma topologia particular de redes de impedância, denominada Quasi-Fonte-Y. Em especial, o trabalho apresenta uma análise detalhada do conversor, a partir de um estudo sobre suas etapas de funcionamento, comparação de métodos de comutação SPWM, modelo de pequenos sinais e avaliações de comportamento dinâmico no domínio do tempo e da frequência, visando a caracterização de aspectos relevantes para um projeto de controle. São apresentadas e comprovadas, por meio de simulações computacionais: a) uma proposta de projeto para o conversor Quasi-Fonte Y; b) uma proposta inédita de controle FCS-MPC (Finite Control Set - Model Predictive Control), que dispensa o projeto de fatores peso e modelos de pequenos sinais, com desempenho robusto e aplicável para controles modo tensão ou corrente.

Resumo (inglês)

Converter topologies based on impedance source networks provide solutions to some of the limitations associated with traditional inverters, and create possibilities for applications where cost, reliability and energy efficiency are critical factors. In this sense, this work presents a methodology for analysis, design and control of a particular topology of impedance network, called Quasi-Y-Source. In particular, the work presents a detailed analysis of the converter, based on a study on its operating stages, comparison of SPWM modulation methods, small signal model and dynamic behavior assessments in the time and frequency domain, aiming to characterize relevant aspects for a control project. The following topics are presented and verified, through computer simulations: a) a design case for the Quasi-Y-Source converter; b) a new proposal for FCS-MPC control (Finite Control Set - Model Predictive Control), which dispenses the design of weight factors and small signal models, with robust performance and applicable for voltage or current mode controls.

Palavras-chave

Controle preditivo Eletrônica de potência Engenharia elétrica Inversores elétricos Sistemas de energia fotovoltaica

Idioma

Português

URI

http://hdl.handle.net/11449/202202

Financiadores

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Coleções

São João da Boa Vista - FESJBV - Faculdade de Engenharia, São João da Boa Vista

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PublicaçãoTese de doutorado

Acesso aberto

Quasi-Y source multifunctional inverter for distributed PV power generation

(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-08-25)

Santos, Rafael dos

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Gonçalves, Flávio Alessandro Serrão

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Pomílo, José Antenor

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Machado, Ricardo Quadros

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Brito, Moacyr Aureliano Gomes de

Os geradores solares fotovoltaicos conectados à rede elétrica podem executar mais funcionalidades do que apenas injetar potência ativa na rede elétrica, podendo também executar serviços ancilares, tal como preconiza a normativa IEEE 1547-2018. Nesse sentido, o emprego de inversores baseados em redes de impedância em geradores solares fotovoltaicos apresenta-se como uma solução potencialmente relevante. Em particular, a topologia de rede de impedância Quasi-Fonte Y destaca-se por possuir características vantajosas para integrar geradores solares fotovoltaicos, tais como flexibilidade de projeto ao se definir a proporção de espiras δ dos indutores-acoplados e a razão cíclica de shoot-through Dst, modo de condução contínua da corrente no estágio de entrada e capacidade de prover elevados ganhos de tensão com menores razões cíclicas. Todavia, não há trabalhos na literatura empregando tal topologia em geradores fotovoltaicos explorando operação multifuncional. Desta forma, o objetivo principal desta tese está relacionado com a modelagem, projeto e desenvolvimento prático de um inversor Quasi-Fonte Y, incluindo as estratégias de controle que viabilizem sua utilização em um gerador solar fotovoltaico multifuncional trifásico a três fios. Assim sendo, no presente trabalho desenvolve-se um projeto detalhado da rede de impedância, por meio da demonstração das formulações matemáticas necessárias para se especificar seus componentes, baseando-se em valores típicos encontrados em inversores fotovoltaicos comerciais. Adicionalmente, apresenta-se uma metodologia para determinação dos controladores responsáveis pela regulação do barramento CC e corrente do estágio CA do inversor, respectivamente. Para isso, utiliza-se de modelos de pequenos sinais baseados na média de espaço de estados e demonstra-se a obtenção de todas as funções de transferência necessárias para o projeto. Além disso, propõe-se uma metodologia de projeto de um controlador linear MPPT baseado no algoritmo "perturba e observa", incluindo requisitos dinâmicos de controle e determinação das funções de transferência necessárias para o projeto. Para demonstrar a operacionalidade do conversor, simulações computacionais foram realizadas considerando o emprego do inversor fotovoltaico multifuncional Quasi-Fonte Y atuando com diferentes cargas conectadas ao ponto de acoplamento comum. Através dos resultados de simulação, demonstra-se a capacidade do inversor de injetar potência ativa e realizar serviços ancilares simultaneamente, além de se indicar a correta sequência de ativação das diferentes malhas de controle envolvidas, garantindo o funcionamento integral do sistema. Ao fim do trabalho, resultados experimentais são apresentados, a partir de um protótipo de pequena escala com capacidade de processamento de 1,2 kW, tensão de entrada de 250 Vcc e conexão com rede CA trifásica de 220 Vrms de linha e 60 Hz. Finalmente, por meio da análise dos resultados obtidos, pode-se concluir que a viabilidade da aplicação proposta, incluindo as metodologias de projeto apresentadas, foram confirmadas satisfatoriamente.

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São João da Boa Vista, Faculdade de Engenharia de São João - FESJ

FESJ

Campus: São João da Boa Vista

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