Quasi-Y source multifunctional inverter for distributed PV power generation
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Data
2023-08-25
Autores
Orientador
Gonçalves, Flávio Alessandro Serrão 
Coorientador
Pós-graduação
Engenharia Elétrica - FEB 33004056087P2
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso restrito
Resumo
Resumo (português)
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.
Resumo (inglês)
Solar photovoltaic generators can perform more functionalities than just injecting active power
into the electrical grid. They can also provide ancillary services, as recommended by the recent
update of IEEE 1547-2018 regulations. In this sense, the use of impedance-based inverters in
solar photovoltaic generators appears as a potentially relevant solution. In particular, the Quasi-Y
Source impedance network topology stands out for its advantageous characteristics for
integrating solar photovoltaic generators, such as design flexibility on definition of
coupled-inductors winding’s proportion δ and shoot-through duty-cycle Dst, continuous current
conduction mode in the input stage, and the ability to provide high voltage gains with lower duty
ratios. However, there are no works in the literature employing such topology in photovoltaic
generators exploring multifunctional operation. Therefore, the main objective of this thesis is
related to the modeling, design, and practical development of a Quasi-Y Source inverter,
including control strategies that enable its use in a three-wire three-phase multifunctional solar
photovoltaic generator. Thus, this work develops a detailed design of the impedance network by
demonstrating the necessary mathematical formulations to specify its components, based on
typical values found in commercial photovoltaic inverters. Additionally, a methodology for
determining the controllers responsible for regulating the DC bus and the current of the AC
stage of the inverter is presented, respectively. For this purpose, small-signal models based on
the average state-space technique are used, and all the necessary transfer functions for the design
are obtained. Furthermore, a methodology for designing a linear MPPT controller based on the
"perturb and observe" algorithm is proposed, including dynamic control requirements and the
determination of transfer functions necessary for the design. To demonstrate the operability of
the converter, computational simulations were performed considering the use of the
multifunctional Quasi-Y Source photovoltaic inverter with different loads connected to the
common coupling point. Through the simulation results, the inverter’s ability to inject active
power and perform ancillary services simultaneously is demonstrated, along with indications
related to the correct activation sequence of the different control loops involved, ensuring the
integral functioning of the system. At the end of the work, experimental results are presented
based on a small-scale prototype with a processing capacity of 1.2 kW, a DC input voltage of
250 Vdc, and connection to a three-phase AC grid of 220 Vrms line voltage and 60 Hz. Finally,
through the analysis of the obtained results, it can be concluded that the viability of the proposed
application, including the presented design methodologies, has been satisfactorily confirmed.
Descrição
Idioma
Inglês
Como citar
SANTOS, Rafael dos. Quasi-Y source multifunctional inverter for distributed PV power generation. 2023. 129 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista, 2023.
