Estágio realizado na EFACEC - e orientado pelo Eng. Nuno Costa / Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Área de Especialização de Automação). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-10-17T18:48:14Z No. of bitstreams: 1 augustodecauxhenriquesdamasceno.pdf: 1206441 bytes, checksum: b40a5a479d4b647c9d2cf108c637b5b6 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-10-25T12:03:59Z (GMT) No. of bitstreams: 1 augustodecauxhenriquesdamasceno.pdf: 1206441 bytes, checksum: b40a5a479d4b647c9d2cf108c637b5b6 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-25T12:03:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 augustodecauxhenriquesdamasceno.pdf: 1206441 bytes, checksum: b40a5a479d4b647c9d2cf108c637b5b6 (MD5) Previous issue date: 2008-06-30 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Este trabalho investiga a utilização do controle preditivo digital no modo corrente para controlarumconversorCC-CCbidirecionalconectadoaosistemadegeraçãofotovoltaico. O conversor CC-CC, com controle digital no modo corrente, opera como um sistema de carga de bateria de alta performance, possibilitando o prolongamento de sua vida útil por utilizar um controle de carga preciso, com constante monitoramento e rápida proteção. A modelagemdigitaldoconversoreocontrolesãoapresentadosediscutidos. Resultadosdesimulação sãousadosparavalidarosprocedimentosdoprojetodocontrole. Ocontroledigitalnomodo corrente foi implementado em um DSP TMS320F2812 da Texas Instruments. / This work investigates the utilization of a predictive digital current-mode controller for a bidirectional DC-DC converter connected to a photovoltaic electric generation system. The DC-DC converter, with the digital current control, operates as a high performance battery charger system, enabling long battery life by providing precision charging control, constantmonitoringandfastprotection. Digitalmodelingoftheconverterandthecontroller are presented and discussed. Simulation results are used to validate the design controller procedures. The digital current–mode control was implemented in the TMS320F2812 DSP of Texas Instruments.

Este trabalho, constitui-se em uma contribuição para o estudo das estratégias de mo-dulação direta baseadas em histerese e que funcionam em frequência fixa de comutação. Tem como objetivo principal propor a estratégia delta modificada, que diferencia-se na forma de ajuste da largura de banda de histerese, alterando-se seus limites e em como executa o comando de bloqueio das chaves de potência, para que a corrente de saída se mantenha em frequência fixa de operação e apresente rápida resposta dinâmica no sistema controlado. Para tanto, não necessita da utilização de derivadas, nem de uma corrente média de referência, tão pouco, se utiliza dos tempos de comutação. A estratégia proposta, comprova que é possível produzir os adequados pulsos de comando para o processamento da energia proveniente de célula combustível, através do conversor estático de potência, utilizando-se, principalmente, dos valores de ultrapassagem nos limites estabelecidos de histerese. Como objetivo secundário desta pesquisa, desenvolve-se um conversor CC/CC auxiliar para adaptar e estabilizar a energia proveniente da CAC, compondo-se um sistema útil que serve de base para fornecer energia, aos mais diversos tipos de cargas em CC. Além disso, apresenta-se uma revisão das estratégias de modulação em modo direto para o controle da corrente de saída no conversor estático, tendo como base a tensão nos terminais de um indutor. Contudo, outras estratégias são naturalmente citadas, no transcorrer deste trabalho, devido haver combinações entre as diferentes estratégias moduladoras e controladoras comentadas. / This work, is a contribution to the study of direct modulation strategies based on hysteresis and that operate at fixed switching frequency. Its main objective is to propose the modified delta strategy, which differentiates from the others strategies in the form of adjustment of hysteresis bandwidth, changing its limits and in executing the locking command of the power keys, so that the output current is maintain at fixed frequency of operation and a rapid dynamic response in the controlled system. In order to do so, it does not require the use of derivatives or a reference average current and also the switching times are not used. This strategy shows that it is possible to produce the appropriate command pulses for the processing of fuel cell energy by the static power converter using mainly the exceedance limit values. As a secondary objective of this research, an auxiliary DC/DC converter is developed to adapt and stabilize the energy coming from the fuel cell, forming a useful system that serves as a base to supply power to the most diverse types of DC loads. In addition, we present a review of the direct-mode modulation strategies for the control of the output current in the static converter, updating data, and based on the voltage at the terminals of an inductor; how-ever, others strategies are naturally cited because there are combinations between the different modulating strategies and controllers commented on in the course of this work.

Submitted by Alex de Sá Martins null (lex.martins@hotmail.com) on 2017-12-16T23:31:27Z No. of bitstreams: 1 ANÁLISE E PROJETO DO CONVERSOR FONTE-Y PARA USO....pdf: 2723184 bytes, checksum: 9e77f24832992941e605e87a84c25d1a (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Marlene Zaniboni null (zaniboni@bauru.unesp.br) on 2017-12-18T12:51:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 martins_as_me_bauru.pdf: 2723184 bytes, checksum: 9e77f24832992941e605e87a84c25d1a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-18T12:51:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 martins_as_me_bauru.pdf: 2723184 bytes, checksum: 9e77f24832992941e605e87a84c25d1a (MD5) Previous issue date: 2017-10-26 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Este trabalho aborda o estudo de topologia de conversor de energia baseada no uso de configuração de rede de impedância denominada fonte-Y, com o objetivo de ser aplicado em sistemas de geração distribuída de energia, em redes de baixa tensão. Em sistemas de geração distribuída de energia usualmente se faz necessária a existência de um estágio elevador de tensão e um estágio inversor, ambos controlados para produzir tensão e/ou corrente senoidal com mesma frequência, amplitude e fase da rede elétrica. Nesse sentido, este trabalho propõe a aplicação do conversor fonte- Y entre a geração e a conexão com e rede elétrica, de forma que as ações de conversão relacionadas com a elevação (CC-CC) e inversão (CC-CA) sejam efetuadas de forma integrada por uma única estrutura, contribuindo com a possibilidade de melhoria no rendimento global devido à minimização de estágios de conversão em cascata. Inicialmente, é efetuado um levantamento bibliográfico relacionando as principais topologias de conversores utilizando redes de impedância com indutores acoplados, considerando os aspectos operacionais, arranjo de impedância e ganho estático idealizado, desprezando perdas entre tensão de entrada e tensão máxima de saída obtida. Segue-se o estudo da operação de conversor CCCC empregando rede de impedância do tipo Y, definição das equações que regem o comportamento no tempo das tensões e correntes nos capacitores e indutores. É feita uma avaliação comparativa do ganho estático de tensão obtido e dos esforços nos semicondutores em função das variáveis de controle de projeto e operação disponíveis. Prossegue-se com o estudo da operação do conversor CC-CA empregando rede de impedância do tipo Y, considerando extensão das expressões encontradas para a operação como conversor CC-CC. Por fim, simulações computacionais foram desenvolvidas no ambiente PSIM contemplando o emprego dos circuitos e estratégias de modulação relacionadas com aplicações do conversor fonte- Y, em operação CC-CC e operação CC-CA visando a integração em sistemas de geração de energia, para demonstrar as vantagens e desvantagens do uso dessa topologia. / This paper deals with the study of energy converter topology based on the use of impedance network configuration called Y-source, with the objective of being applied in photovoltaic energy cogeneration systems in low voltage grids. In photovoltaic energy generation systems, it is usually necessary to have a voltage boost stage and an inverter stage, both controlled to produce voltage and / or sine current with the same frequency, amplitude and phase of the power grid. In this sense, this work proposes the application of the Y-source converter between the photovoltaic generation and the connection with the electric grid, so that the conversion actions related to elevation (DC-DC) and inversion (DC-AC) in a way integrated by a single structure, contributing to the possibility of improvement in the overall yield due to the minimization of cascade conversion stages. Initially a bibliographical survey was performed relating the main inverter topologies using impedance networks with coupled inductors considering the operational aspects, impedance arrangement and ideal static gain between the input voltage and the maximum output obtained. ext, the study of the DC-DC converter operation using the Y-type impedance network, definition of the equations governing the time behavior of the voltages and currents in the capacitors and inductors, is presented. It is also done the comparative evaluation of the static voltage gain obtained and the stresses in the semiconductors according to the available control and design control variables. Study of the operation of the DC-AC converter employing type Y impedance network, considering the extension of the expressions found for the operation as DC-DC converter. Finally, computational simulations were developed in the PSIM environment, considering the use of circuits and modulation strategies related to Y-source converter applications, in DC-DC operation and DC-AC operation for integration into power cogeneration systems, to demonstrate advantages and disadvantages of using this topology. / 134173/2017-1

Este trabalho, constitui-se em uma contribuição para o estudo das estratégias de mo-dulação direta baseadas em histerese e que funcionam em frequência fixa de comutação. Tem como objetivo principal propor a estratégia delta modificada, que diferencia-se na forma de ajuste da largura de banda de histerese, alterando-se seus limites e em como executa o comando de bloqueio das chaves de potência, para que a corrente de saída se mantenha em frequência fixa de operação e apresente rápida resposta dinâmica no sistema controlado. Para tanto, não necessita da utilização de derivadas, nem de uma corrente média de referência, tão pouco, se utiliza dos tempos de comutação. A estratégia proposta, comprova que é possível produzir os adequados pulsos de comando para o processamento da energia proveniente de célula combustível, através do conversor estático de potência, utilizando-se, principalmente, dos valores de ultrapassagem nos limites estabelecidos de histerese. Como objetivo secundário desta pesquisa, desenvolve-se um conversor CC/CC auxiliar para adaptar e estabilizar a energia proveniente da CAC, compondo-se um sistema útil que serve de base para fornecer energia, aos mais diversos tipos de cargas em CC. Além disso, apresenta-se uma revisão das estratégias de modulação em modo direto para o controle da corrente de saída no conversor estático, tendo como base a tensão nos terminais de um indutor. Contudo, outras estratégias são naturalmente citadas, no transcorrer deste trabalho, devido haver combinações entre as diferentes estratégias moduladoras e controladoras comentadas. / This work, is a contribution to the study of direct modulation strategies based on hysteresis and that operate at fixed switching frequency. Its main objective is to propose the modified delta strategy, which differentiates from the others strategies in the form of adjustment of hysteresis bandwidth, changing its limits and in executing the locking command of the power keys, so that the output current is maintain at fixed frequency of operation and a rapid dynamic response in the controlled system. In order to do so, it does not require the use of derivatives or a reference average current and also the switching times are not used. This strategy shows that it is possible to produce the appropriate command pulses for the processing of fuel cell energy by the static power converter using mainly the exceedance limit values. As a secondary objective of this research, an auxiliary DC/DC converter is developed to adapt and stabilize the energy coming from the fuel cell, forming a useful system that serves as a base to supply power to the most diverse types of DC loads. In addition, we present a review of the direct-mode modulation strategies for the control of the output current in the static converter, updating data, and based on the voltage at the terminals of an inductor; how-ever, others strategies are naturally cited because there are combinations between the different modulating strategies and controllers commented on in the course of this work.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Este trabalho apresenta o estudo, projeto e implementaÃÃo de um inversor multinÃvel monofÃsico baseado na cÃlula de comutaÃÃo de mÃltiplos estados tipo T (5L-CCME-T2) para aplicaÃÃes em baixa tensÃo e elevadas correntes. A topologia proposta visa estender a aplicaÃÃo da cÃlula de comutaÃÃo de mÃltiplos estados (CCME) para a estrutura do conversor de trÃs nÃveis tipo T, proporcionando cinco nÃveis na tensÃo de saÃda antes do filtro e, consequentemente, uma reduÃÃo do conteÃdo harmÃnico e maior qualidade da tensÃo de saÃda. Outra caracterÃstica desta topologia à a distribuiÃÃo uniforme da corrente total de saÃda entre os semicondutores do conversor, proporcionando menores perdas por conduÃÃo e elevado rendimento. AlÃm disso, à possÃvel reduzir o peso e volume dos magnÃticos, uma vez que a frequÃncia de operaÃÃo dos elementos reativos à o dobro da frequÃncia de comutaÃÃo dos interruptores. Um estudo teÃrico com anÃlise qualitativa e quantitativa do inversor proposto e metodologia de projeto foi realizado. A estratÃgia de controle implementada tem como objetivo o controle da tensÃo de saÃda e das tensÃes do barramento CC. A tÃcnica de modulaÃÃo empregada à a convencional modulaÃÃo por largura de pulso senoidal (SPWM). A validaÃÃo da topologia à realizada atravÃs dos resultados de simulaÃÃo e experimentais de um protÃtipo desenvolvido para uma potÃncia de saÃda de 5 kW. / This work presents the study, design and implementation of a multilevel converter based on T - type multi - state switching cell (5L - MSSC - T 2 ) for applications in low voltages and high currents. The proposed topology aims to extend the application of the multi - state switching cell (MSSC) to the structure of the three - level T - type converter, providing five levels in the output voltage before the filter and, consequently, a reduction of the harmonic content and higher output vol tage quality. Another feature of this topology is the uniform distribution of the total output current between the semiconductors of the converter, providing lower conduction losses and high efficiency. Furthermore , it is possible to reduce the weight and volume of magnetics, since the operating frequency of reactive elements is twice the switching frequency of the switches. A theoretical study with qualitative and quantitative analysis of the proposed inverter and the design methodology was performed . The control strategy implemented aims to control the output voltage and the DC bus voltages. The employed modulation technique is the conventional sinusoidal pulse width modulation (SPWM) . The validation of the topology is verified through simulation and exper imental results of a developed prototype for an output power of 5 kW

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Ph.D. Dissertation focuses on the proposal of a novel converter topology applied to the connection of an energy storage system, composed of a supercapacitor bank and a battery bank, to the dc bus of a residential microgrid. The proposed full-bridge-forward integrated dc-dc converter presents high voltage gain between the input and output, a fundamental requirement for the desired application, bidirectional power flow, galvanic isolation, among other features. The integration process, operation stages (including converter waveforms and equations), design methodology, dc modeling, among others, are presented. Three different clamping circuits structures are studied and applied to the proposed converter. Moreover, a comparison including several parameters with the dual active bridge converter, which is one of the most used topologies for similar applications is performed, highlighting the lesser number of active switches. Experimental results of the proposed converter in different operation modes are presented, validating the theoretical analysis. Experimental results of the dual active bridge converter are also presented and its performance is compared to the proposed converter, where it can be seen that the efficiency of the proposed converter is higher. The topology application is directed to microgrid systems, which attract high attention nowadays due to the possibility of renewable electric energy generation through distributed energy resources and with high reliability. / Esta Tese de Doutorado tem como foco a proposta de uma nova topologia de conversor aplicado para conexão de um sistema de armazenamento de energia, composto de um banco de supercapacitores e um banco de baterias, ao barramento CC de uma microrrede residencial. O conversor CC-CC integrado full-bridge-forward proposto apresenta alto ganho de tensão entre a entrada e saída, requisito fundamental para a aplicação desejada, fluxo de potência bidirecional, isolação galvânica, entre outras características. O processo de integração, etapas de operação (incluindo formas de onda e equações do conversor), metodologia de projeto, modelagem CC, entre outros, são apresentados. Três diferentes estruturas de circuitos grampeadores são estudadas e aplicadas ao conversor proposto. Além disso, uma comparação de diversos parâmetros com o conversor dual active bridge, que é uma das topologias mais utilizadas para aplicações semelhantes é realizada, destacando o menor número de interruptores. Resultados experimentais do conversor proposto em diferentes modos de operação são apresentados, validando as análises teóricas. Resultados experimentais do conversor dual active bridge também são apresentados e o seu desempenho é comparado ao do conversor proposto, onde se observa que o rendimento do conversor proposto é superior. A aplicação da topologia é voltada para sistemas de microrrede, os quais atraem grande atenção atualmente devido à possibilidade de geração de energia elétrica de maneira renovável através de fontes distribuídas e com elevada confiabilidade.

A presente tese busca desenvolver uma metodologia para o gerenciamento e controle de uma geração distribuída que utiliza como fonte principal células a combustível do tipo PEM (Proton Exchange Membrane). A finalidade do trabalho consiste em analisar, controlar e gerenciar a operação da célula a combustível (CaC) nas operações ilhada e conectada em relação à rede de distribuição. Nos primeiros capítulos do texto é elaborada uma revisão acerca do princípio de funcionamento e do modelo da CaC. Após este estágio inicial, são analisadas e modeladas as estruturas dos estágios CC e CA que compõem a geração distribuída. Para o modo conectado é desenvolvida uma estratégia para o controle da tensão do link CC que, a partir da regulação da corrente do estágio CA, permite o gerenciamento da potência fornecida pela CaC. Sequencialmente ao texto e com a adição do estágio de armazenamento de energia, é apresentada uma proposta que vincula a dinâmica da CaC com a estrutura de gerenciamento do estágio CC e CA. Esse fato garante que a alteração do ponto de operação da CaC seja descrito conforme uma dinâmica predeterminada, garantindo assim que transitórios não sejam absorvidos pela CaC. Como parte final da tese, é desenvolvida uma estratégia para a inicialização da CaC, a qual associa o próprio comportamento da célula e o estágio de armazenamento de energia. Os resultados apresentados ao longo do texto mostram que as estruturas propostas tornam a CaC menos sensível a transitórios de carga, além de serem capazes de deslocar (gerenciar) o ponto de operação da célula. Ao final de cada capítulo, são apresentados resultados experimentais e de simulações que auxiliam o entendimento e suportam as propostas do trabalho. / This thesis proposes a methodology for management and control of distributed generation with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) as the main source. Additionally, the analysis of performance is used when the PEM fuel cell operates in two different operation modes, i.e. in grid-connected and stand-alone modes. In the first chapters, a review of main features and a mathematical model of fuel cells are presented. Sequentially, the theoretical models of the DC- and AC-power converters are analyzed. For grid-connected operation mode, a strategy based on the DC-link voltage control is proposed via current regulation of the AC stage affording thus the management of the power produced by the fuel cell. Additionally, with the use of the storage devices, a proposal that associates the dynamics of the PEM fuel cell with the DC and AC stages is shown. This fact ensures that the movement of the fuel cell operating point is described within a predetermined dynamic, ensuring that transients are not absorbed by the fuel cell. Finally, a strategy for the startup of fuel cell in association with the energy storage stage is developed. The results show that the proposed structures makes the cell less sensitive to the load transient, in order to move (manage) the fuel cell operating point. At the end of each chapter, experimental and simulation results are presented to support the proposed approach.

A abordagem principal desse trabalho é o estudo de técnicas anti-ilhamento ativas com realimentação positiva em um sistema de Geração Distribuída (GD) composto por um Inversor Fonte de Tensão (VSI,do inglês Voltage Source Inverter) e com cargas locais conectadas em paralelo. Na literatura são encontrados dois grupos de técnicas empregadas como proteção anti-ilhamento: as ativas e as passivas. Os métodos de detecção de ilhamento ativos são utilizados, pois possuem menores zonas de não detecção em comparação às técnicas passivas, porém injetam distúrbios contínuos no sistema de GD. Esses distúrbios degradam a qualidade de energia elétrica fornecida pelo conversor eletrônico. Nesse contexto, como escopo dessa dissertação, é realizado o estudo da estrutura de controle empregada no sistema de GD conectado com a rede de distribuição, com o intuito de avaliar o funcionamento do gerenciamento de tensão e de potência ativa e reativa. E em seguida, são discutidas técnicas de detecção de ilhamento ativas em frequência e tensão, ambas, com realimentação positiva e ganho fixo com o objetivo de investigar o desempenho das mesmas em relação ao tempo de detecção e a injeção de distúrbios no sistema de controle da GD. A partir dessa análise, são desenvolvidas técnicas anti-ilhamento com intuito de reduzir a injeção de distúrbios em diferentes pontos de operação da GD e garantir uma eficiência semelhante aos métodos tradicionais em casos de difícil detecção. Essas técnicas são baseadas na implementação do cálculo de um ganho com realimentação positiva variável inversamente proporcional a variação de potência ativa ou reativa entregue a rede. Para validação das propostas presentes nesta dissertação, são obtidos resultados em simulações computacionais e, posteriormente são adquiridos resultados práticos através de uma bancada experimental compatível com o sistema de GD simulado. / The main approach of this thesis is the study of active anti-islanding techniques with positive feedback in a Distributed Generation (DG) system composed by a Voltage Source Inverter (VSI) and local loads. In literature two groups of techniques are used as anti-island protection: the active and the passive techniques. The active islanding detection methods are preferably used because of the smaller non-detection zones compared to passive techniques, however they inject continuous disturbances in the DG system, reducing the power quality provided by the VSI. In this context, as the scope of this dissertation, it is firstly carried out the study of control structures employed in grid-tied distribution system, to evaluate the operation of the voltage control loops, and the active-and reactive power managements. Additionally, we discuss active islanding detection techniques in frequency and voltage with positive feedback and constant gain, based on the classical, with the objective of investigating their performance in relation to the detection time and the injection of disturbances in the DG system. From this analysis, antiislanding techniques are developed to guarantee efficiency similar to the traditional methods in cases of small-power flow through the grid and minimize disturbances. These techniques are based on the calculation of the positive feedback variable gain inversely proportional to the deviation of active or reactive power delivered or absorbed from the grid. To validate this proposal, the results are obtained through computational simulations and experimental analysis, as well.

A presente tese busca desenvolver uma metodologia para o gerenciamento e controle de uma geração distribuída que utiliza como fonte principal células a combustível do tipo PEM (Proton Exchange Membrane). A finalidade do trabalho consiste em analisar, controlar e gerenciar a operação da célula a combustível (CaC) nas operações ilhada e conectada em relação à rede de distribuição. Nos primeiros capítulos do texto é elaborada uma revisão acerca do princípio de funcionamento e do modelo da CaC. Após este estágio inicial, são analisadas e modeladas as estruturas dos estágios CC e CA que compõem a geração distribuída. Para o modo conectado é desenvolvida uma estratégia para o controle da tensão do link CC que, a partir da regulação da corrente do estágio CA, permite o gerenciamento da potência fornecida pela CaC. Sequencialmente ao texto e com a adição do estágio de armazenamento de energia, é apresentada uma proposta que vincula a dinâmica da CaC com a estrutura de gerenciamento do estágio CC e CA. Esse fato garante que a alteração do ponto de operação da CaC seja descrito conforme uma dinâmica predeterminada, garantindo assim que transitórios não sejam absorvidos pela CaC. Como parte final da tese, é desenvolvida uma estratégia para a inicialização da CaC, a qual associa o próprio comportamento da célula e o estágio de armazenamento de energia. Os resultados apresentados ao longo do texto mostram que as estruturas propostas tornam a CaC menos sensível a transitórios de carga, além de serem capazes de deslocar (gerenciar) o ponto de operação da célula. Ao final de cada capítulo, são apresentados resultados experimentais e de simulações que auxiliam o entendimento e suportam as propostas do trabalho. / This thesis proposes a methodology for management and control of distributed generation with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) as the main source. Additionally, the analysis of performance is used when the PEM fuel cell operates in two different operation modes, i.e. in grid-connected and stand-alone modes. In the first chapters, a review of main features and a mathematical model of fuel cells are presented. Sequentially, the theoretical models of the DC- and AC-power converters are analyzed. For grid-connected operation mode, a strategy based on the DC-link voltage control is proposed via current regulation of the AC stage affording thus the management of the power produced by the fuel cell. Additionally, with the use of the storage devices, a proposal that associates the dynamics of the PEM fuel cell with the DC and AC stages is shown. This fact ensures that the movement of the fuel cell operating point is described within a predetermined dynamic, ensuring that transients are not absorbed by the fuel cell. Finally, a strategy for the startup of fuel cell in association with the energy storage stage is developed. The results show that the proposed structures makes the cell less sensitive to the load transient, in order to move (manage) the fuel cell operating point. At the end of each chapter, experimental and simulation results are presented to support the proposed approach.