Quasi-Y source multifunctional inverter for distributed PV power generation

Abstract

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.

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.