Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This thesis addresses the design of adaptive current controllers applied for voltagesource grid-connected converters with LCL-filter. Due to the grid equivalent impedance uncertainty and/or variation at the point of connection, the current controller of such converters may become unstable or have a poor performance with fixed-gain controllers because the grid impedance is part of the dynamic model. So, adaptive control techniques are proposed to ensure stability and performance of current controllers for grid-connected converter with LCL-filter even without knowledge of the grid equivalent impedance. Continuous time adaptive control, from the theoretical point of view, is a well established control technique. However, in this application, a discrete-time current controller is implemented. There are some differences between discrete-time and continuous-time adaptive controllers. When the controlled variable is the converter current, a model reference adaptive state feedback is proposed. The adaptation algorithm, responsible to update the gains in real-time, consists on a recursive least-squares (RLS) algorithm. When the controlled variable is the grid current, a model reference adaptive state feedback is also used. However, the RLS algorithm has some modifications to keep the controller robust under unmodeled dynamics. The RLS algorithm is used because it has better parametric convergence characteristics compared to other algorithms. The grid voltage disturbance is rejected making some small modifications on the controller structure. Simulation results are validated by experimental results in a 5,5kW three-phase grid-connected converter, which shows good convergence and steady state stability of the adaptive controllers. Finally, some comparisons with fixed gain current controllers are presented to show de advantages and disadvantages of each controller. / Esta tese trata do projeto de controladores adaptativos aplicados a conversores estáticos alimentados em tensão conectados à rede elétrica através de filtro LCL. Devido às características incertas e/ou variantes da impedância equivalente da rede no ponto de conexão de conversores estáticos, o controle da corrente de tais conversores pode se tornar instável ou o desempenho pode ser degradado com a utilização de controladores com ganhos fixos, pois a característica da rede faz parte do modelo dinâmico. Com base nisso, é proposto o uso de técnicas de controle adaptativo para garantir a estabilidade e o desempenho do controlador de corrente de conversores conectados à rede mesmo sem o conhecimento da sua impedância equivalente. Controle adaptativo em tempo contínuo, no ponto de vista teórico, é uma técnica de controle bem consolidada. No entanto, na aplicação em questão, o controlador de corrente é implementado em tempo discreto. Controle adaptativo em tempo discreto apresenta algumas diferenças quanto aos controladores em tempo contínuo. Quando a variável de controle é a corrente do conversor, é proposta a utilização de uma retroação de estados adaptativa por modelo de referência cujo adaptador, responsável por atualizar os ganhos em tempo real, consiste em um algoritmo recursivo por mínimos quadrados (RLS). Quando a variável de controle é a corrente da rede, também é utilizada uma retroação de estados adaptativa por modelo de referência, porém o algoritmo RLS apresenta modificações para torná-lo robusto à dinâmicas não modeladas. O algoritmo RLS é utilizado por ter melhores características de convergência paramétrica se comparado a outros algoritmos. O distúrbio de tensão da rede é rejeitado fazendo-se algumas modificações na estrutura da lei de controle. Os resultados de simulação são validados através de resultados experimentais em um conversor de potência nominal de 5,5kW, os quais mostram as características promissoras dos controladores de corrente adaptativos. Por fim, são apresentadas comparações com controladores de corrente de ganhos fixos, mostrando as vantagens e desvantagens de cada uma dos controladores.

Orientador: Alfeu Joãozinho Sguarezi Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2013

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Master Thesis presents the development of a grid-connected transformerless three-phase photovoltaic inverter. The Neutral Point Clamped (NPC) three-level inverter was chosen for implementation. The grid connection is made with a modified LCL filter (MLCL), where the common point of the output filter capacitors is connected directly to the dc bus central point (neutral point). The MLCL filter reduces the leakage current of photovoltaic system and attenuates the current harmonics injected in the grid. A passive damping of MLCL filter resonance peak was employed in order to avoid instability in the grid connection. In this sense, this Master Thesis contributes proposing a passive damping design method which is based not only on the stability requirement, but also considers the leakage current of photovoltaic system, once that passive damping impacts on the high frequency components of voltage on parasitic capacitance. Therefore, based on leakage current limit and current loop stability, a range for the damping resistance was obtained. The control system of the threephase inverter was developed in a synchronous reference frame (dq0), where the proper alignment with the grid voltage reference vector allows the independent control of active and reactive power inject in the grid. Simulation and experimental results are shown to evaluate the inverter performance and to validate the theoretical analysis. / Esta Dissertação de Mestrado apresenta o desenvolvimento de um inversor fotovoltaico trifásico não isolado conectado à rede. A topologia desenvolvida foi a de um inversor trifásico três níveis com ponto neutro grampeado (NPC Neutral Point Clamped). A conexão com a rede é feita através de um filtro LCL modificado (LCLM), que possui o ponto comum dos seus capacitores conectado ao ponto central do barramento CC do inversor. O filtro LCLM possui a finalidade de reduzir a corrente de fuga do sistema fotovoltaico ao mesmo tempo em que atenua os harmônicos de corrente injetados na rede. De modo a evitar problemas de instabilidade da malha de corrente do inversor, um sistema de amortecimento passivo do pico de ressonância do filtro LCLM foi empregado. Neste sentido, esta Dissertação de Mestrado contribui propondo um método de projeto do amortecimento passivo que se baseia não somente no critério de estabilidade, mas que também considera a corrente de fuga do sistema fotovoltaico, uma vez que o amortecimento impacta na atenuação das componentes de alta frequência da tensão sobre a capacitância parasita dos módulos fotovoltaicos. Com isso, uma faixa de valores para a resistência de amortecimento foi obtida a partir do limite permitido para a corrente de fuga e da estabilidade da malha de corrente. O sistema de controle do inversor trifásico foi desenvolvido com base no sistema de coordenadas síncronas dq0, cujo correto alinhamento com o vetor de referência das tensões da rede permite o controle independente das potências ativa e reativa injetadas na rede. Resultados experimentais e de simulação são apresentados de modo a comprovar o desempenho do inversor trifásico.

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JULIO KENDI NISHIOKA.pdf: 8294340 bytes, checksum: 28a4178bb0ec559b2db43a1aa6676188 (MD5) Previous issue date: 2011-08-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation proposes a digital control system for a three-phase four-wire high input power factor PWM rectifier with LCL filter. The proposed control system includes an inner control loop for active damping of the LCL filter peak resonance, which uses a lead-lag compensator. In addition, the control system presents an independent current loop for each rectifier phase, which employs resonant compensators tuned at the fundamental frequency of the utility grid voltage. Finally, other two outer loops are used to maintain the voltages across the dc bus capacitors regulated and balanced. This work also proposes a design methodology to obtain the parameter of the LCL filter, which is based on maximum harmonic currents allowed by technical standards and on the minimization of the reactive energy of the LCL filter capacitors. Simulation and experimental results are presented to validate the developed analysis and demonstrate the performance of the proposed controllers. / Esta Dissertação de Mestrado propõe um sistema de controle digital para um retificador PWM trifásico a quatro fios com filtro LCL e elevado fator de potência de entrada. O sistema de controle proposto inclui uma malha interna de amortecimento ativo do pico de ressonância do filtro LCL, fazendo uso de um compensador em avanço. Além da malha de amortecimento ativo, o sistema de controle apresenta uma malha de corrente independente para cada fase do retificador, as quais empregam compensadores ressonantes sintonizados na frequência fundamental da tensão de entrada. Por fim, outras duas malhas externas são utilizadas para manter as tensões dos capacitores que compõem o barramento CC reguladas e equilibradas. Este trabalho também propõe uma metodologia de projeto para os parâmetros do filtro LCL, a qual é baseada nos limites máximos de harmônicos de corrente permitidos pelas normas e na minimização da energia reativa do capacitor do filtro LCL. Resultados de simulação e experimentais são apresentados para validar as análises desenvolvidas e demonstrar o desempenho dos controladores propostos.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This Thesis deals with the development of a novel robust model reference adaptive controller (RMRAC), in discrete-time applied to grid-connected systems using LCL filter. This controller uses a modified robust parameters identifier based on a recursive least-squares algorithm. Two control structures are analyzed: state feedback approach and input-output approach. The robust stability analysis of the controller is presented including unmodeled dynamics. Thus, through these analyses, constraints design, in discrete-time, are obtained. For the validation of the proposed control algorithm, simulation and experimental results of a grid-connected power converter with LCL-filter, with current control, are presented. / Esta Tese de Doutorado apresenta o desenvolvimento de um novo controlador adaptativo por modelo de referência, totalmente desenvolvido em tempo discreto, aplicado a sistemas conectados à rede de energia elétrica empregando filtro LCL. Este controlador utiliza um identificador de parâmetros modificado robusto baseado no método dos mínimos quadrados recursivos. Em relação à estrutura do controlador, a abordagem por realimentação de estados e a abordagem entrada-saída são utilizadas. A análise de estabilidade robusta do controlador é apresentada incluindo dinâmicas não-modeladas. Por meio destas análises, restrições de projeto (em tempo discreto) são obtidas. Para a validação do algoritmo proposto, resultados de simulação e experimentais do sistema de controle de corrente em um conversor conectado à rede de energia elétrica com filtro LCL são apresentados.

Submitted by JOSÉ CARLOS UGAZ PEÑA null (josecarlos84@gmail.com) on 2016-06-20T13:29:30Z No. of bitstreams: 1 Tese_JoseCarlosPena_PPGEE.pdf: 9650212 bytes, checksum: 77b105d009c0b473cbc424e681ebe9a5 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-06-22T13:10:00Z (GMT) No. of bitstreams: 1 pena_jcu_dr_ilha.pdf: 9650212 bytes, checksum: 77b105d009c0b473cbc424e681ebe9a5 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-22T13:10:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pena_jcu_dr_ilha.pdf: 9650212 bytes, checksum: 77b105d009c0b473cbc424e681ebe9a5 (MD5) Previous issue date: 2016-06-02 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Os inversores fonte de tensão com filtro de saída LCL (VSI+LCL) são amplamente utilizados em sistemas de geração distribuída. Nestas aplicações o sistema é controlado como uma fonte de corrente, no entanto, há a possibilidade de controlar o conjunto como uma fonte de tensão. Desta forma, a mencionada configuração pode ser utilizada em geração distribuída no ambiente de microrredes onde os sistemas, monofásicos ou trifásicos, devem operar conectados à rede de distribuição elétrica com controle das potências injetadas (ativa e reativa) e serem capazes de, em ausência da rede, passar a operar no modo autônomo. Ainda, após o restabelecimento da rede, o controle deve levar o sistema a operar novamente no modo conectado. Sendo as transições realizadas sem transientes que possam danificar qualquer componente do sistema. O filtro LCL, de terceira ordem, caracteriza um comportamento ressonante que pode comprometer a estabilidade do sistema. Para resolver esta situação, diversas técnicas ativas e passivas são aplicadas. Para aplicações de baixa potência, preferem-se as técnicas passivas de amortecimento devido a sua simplicidade e baixo custo, porém estas implicam em perdas adicionais. Já as técnicas ativas de amortecimento, consideram procedimentos de controle para atenuar a ressonância, e, portanto, não adicionam perdas, porém, sua realização requer da realimentação de variáveis adicionais elevando assim o custo do sistema. Todavia, mesmo que aplicáveis a ambos os modos de operação, as técnicas de amortecimento disponíveis na literatura consideram apenas um modo de operação. O presente trabalho de doutorado explora a possibilidade de controlar sistemas VSI+LCL, monofásicos e trifásicos, em ambos os modos de operação, com atenção a objetivos específicos em cada modo e transições suaves entre estes. Assim, são apresentadas duas estratégias de controle. A primeira estratégia considera o amortecimento da ressonância por técnicas passivas, mediante a utilização de um ramo de amortecimento de segunda ordem, projetado para garantir o efeito desejado em ambos os modos de operação e simplificar a dinâmica do sistema a fim de facilitar o projeto dos controladores, abordagem não utilizada nos métodos conhecidos na literatura. Logo, o sistema amortecido é controlado em uma configuração de duas malhas, controlando a corrente injetada mediante a tensão no capacitor. A segunda estratégia proposta considera a utilização de controladores por realimentação de estados em tempo discreto, sintetizados mediante desigualdades matriciais lineares, para simultaneamente, realizar ativamente o amortecimento da ressonância e atender os objetivos de controle em ambos os modos de operação. Ambas as estratégias propostas consideram controladores ressonantes com o objetivo de rastrear sinais senoidais de referência com erro nulo e suprimir componentes harmônicos de baixa ordem na corrente de saída. Ainda, os controladores são projetados considerando a necessidade de garantir a estabilidade robusta do sistema, isto é, frente a perturbações externas (tais como variações na carga local, oscilações na tensão do barramento CC ou distúrbios na rede) e às variações em parâmetros do sistema, como a indutância de rede. As propostas são apresentadas em detalhe, incluindo os procedimentos de projeto assim como critérios para a geração e coordenação dos sinais de controle e referência. As estratégias propostas são avaliadas experimentalmente sendo os resultados obtidos discutidos e analisados considerando-se as respectivas normas para os casos de operação conectada e ilhada. / The voltage source inverter utilization with LCL filters (VSI+LCL) is extended in Distributed Electrical Energy Systems. In these applications, the system is controlled as a current source, however, it can also be controlled as a voltage source. Hence, this configuration is suitable for microgrids environment. In this scenario, the system should operate connected to utility grid with control of the supplied power (active or reactive) and also be capable, in case of grid absence, to operate in islanded mode. Then, if the grid is reestablished, system should be reconnected to grid. Moreover, these transitions should be smooth, with no hazardous transients. The third order filter leads to a resonant behavior that can compromise the system stability. In order to overcome this limitation, passive and active damping methods are used. In low power applications, passive damping methods are preferred due to their simplicity and low. Nevertheless, these methods lead to additional losses. On the other hand, active damping methods consider the feedback of additional variables in order to damp the resonance in closed loop, with no additional losses. This implies additional sensors, thus increasing the overall cost. Despite their effectiveness to damp the resonance in both autonomous and grid connected applications, the most of the damping methods are usually designed only for a specific operation mode. This work explores the possibility to control VSI+LCL systems, single and three-phase, in both operation modes, attending to specific goals in each one, and with smooth transitions between them. For that purpose, two control strategies are proposed. The first one considers passive damping methods, by using a second order damping branch which is designed in order to guarantee the desired effect in both operation modes, thus simplifying the system dynamics in order to ease the control. This approach is not known in the literature. Then, the damped system is controlled in a two loop strategy, where the output current is controlled by means of the capacitor voltage. The second strategy considers the utilization of discrete time state-feedback controllers, synthesized by Linear Matrix Inequalities, in order to simultaneously achieve the active damping and the control goals for both operation modes. The proposed strategies use resonant controllers in order to achieve the tracking of sinusoidal references and to suppress low order harmonics in the output current. Moreover, controllers are designed to achieve robust stability of the system, thus, even in front of external disturbances (such as local load variations, DC bus oscillations or grid disturbances) and variation on system parameters, such as the grid inductance. The two introduced strategies are detailed including the design procedure and the criterion to generate and coordinate the reference and control signals. The two proposed strategies were experimentally verified. The results were analyzed and compared to the requirements imposed by the related standards for both modes of operation. / CNPq: 141757/2012-4

Orientador: Carlos Alberto Canesin / Resumo: Os inversores fonte de tensão com filtro de saída LCL (VSI+LCL) são amplamente utilizados em sistemas de geração distribuída. Nestas aplicações o sistema é controlado como uma fonte de corrente, no entanto, há a possibilidade de controlar o conjunto como uma fonte de tensão. Desta forma, a mencionada configuração pode ser utilizada em geração distribuída no ambiente de microrredes onde os sistemas, monofásicos ou trifásicos, devem operar conectados à rede de distribuição elétrica com controle das potências injetadas (ativa e reativa) e serem capazes de, em ausência da rede, passar a operar no modo autônomo. Ainda, após o restabelecimento da rede, o controle deve levar o sistema a operar novamente no modo conectado. Sendo as transições realizadas sem transientes que possam danificar qualquer componente do sistema. O filtro LCL, de terceira ordem, caracteriza um comportamento ressonante que pode comprometer a estabilidade do sistema. Para resolver esta situação, diversas técnicas ativas e passivas são aplicadas. Para aplicações de baixa potência, preferem-se as técnicas passivas de amortecimento devido a sua simplicidade e baixo custo, porém estas implicam em perdas adicionais. Já as técnicas ativas de amortecimento, consideram procedimentos de controle para atenuar a ressonância, e, portanto, não adicionam perdas, porém, sua realização requer da realimentação de variáveis adicionais elevando assim o custo do sistema. Todavia, mesmo que aplicáveis a ambos os modos de operação,... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The voltage source inverter utilization with LCL filters (VSI+LCL) is extended in Distributed Electrical Energy Systems. In these applications, the system is controlled as a current source, however, it can also be controlled as a voltage source. Hence, this configuration is suitable for microgrids environment. In this scenario, the system should operate connected to utility grid with control of the supplied power (active or reactive) and also be capable, in case of grid absence, to operate in islanded mode. Then, if the grid is reestablished, system should be reconnected to grid. Moreover, these transitions should be smooth, with no hazardous transients. The third order filter leads to a resonant behavior that can compromise the system stability. In order to overcome this limitation, passive and active damping methods are used. In low power applications, passive damping methods are preferred due to their simplicity and low. Nevertheless, these methods lead to additional losses. On the other hand, active damping methods consider the feedback of additional variables in order to damp the resonance in closed loop, with no additional losses. This implies additional sensors, thus increasing the overall cost. Despite their effectiveness to damp the resonance in both autonomous and grid connected applications, the most of the damping methods are usually designed only for a specific operation mode. This work explores the possibility to control VSI+LCL systems, single and three-phase... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Este trabalho apresenta um estudo sobre a corrente de fuga de modo comum em inversores monofásicos sem transformador utilizados para a conexão de sistemas fotovoltaicos (FV) à rede de distribuição de energia elétrica. O estudo se concentra em inversores do tipo fonte de tensão que empregam a topologia em ponte completa. A partir da adequada modelagem do sistema (rede, conversor e módulo fotovoltaico) identifica-se e quantifica-se a contribuição das tensões de modo comum e modo diferencial para a corrente de fuga. Conclui-se que a tensão de modo comum de alta frequência produzida pelo inversor, que depende da estratégia de modulação por largura de pulso (PWM Pulse Width Modulation) empregada, fornece a maior contribuição para produção da corrente de fuga. Esse estudo mostra que os inversores sem transformador, com topologia em ponte completa e modulação que produz tensão de saída com três níveis, necessitam de medidas adicionais para a minimização da corrente fuga quando aplicados em sistemas fotovoltaicos conectados à rede. Algumas soluções propostas na literatura para a minimização da corrente de fuga baseadas em topologias modificadas e filtros de modo comum são listadas e discutidas. Neste trabalho é proposto um filtro integrado de modo comum e modo diferencial com amortecimento passivo de baixas perdas, para minimizar a corrente de fuga produzida por um inversor monofásico sem transformador. Um exemplo de aplicação do filtro proposto é apresentado juntamente com seu procedimento de projeto, resultados de simulação e experimentais que validam a proposta. Além disso, a influência da variação da indutância da rede elétrica e da capacitância parasita do sistema fotovoltaico no comportamento do filtro proposto é analisada. A influência da variação da indutância da rede no comportamento do sistema de controle e o impacto da corrente de modo comum no projeto dos indutores do lado do conversor também são analisados. / This paper presents a study on the common mode leakage current in single-phase transformerless inverters for grid-connected photovoltaic (PV) systems. The study focuses on voltage source inverters (VSI) employing the full-bridge topology. The common mode and differential mode voltages that contribute to the leakage current are identified and quantified from the analysis of the system model (utility grid, converter and PV module). The system model analysis shows that the high frequency common mode voltage produced by the inverter, which depends on the Pulse Width Modulation (PWM) strategy, is the main source contributing to the leakage current. This work shows that transformerless inverters employing the full-bridge topology and a modulation strategy that produces a three-level output voltage require some leakage current minimization strategy when they are employed in grid-connected PV systems. Some solutions proposed in the literature for leakage current minimization based on modified topologies and common mode filters are listed and discussed. In this dissertation an integrated common and differential filter with low loss passive damping is proposed to minimize the leakage current produced by a single-phase transformerless PV inverter. An application example of the proposed filter is presented with design procedure, simulation and experimental results validating the proposal. Additionally, the influence of grid inductance and PV module parasitic capacitance variations on the behavior of the proposed filter is analyzed. The behavior of the control system considering the grid inductance variation and the impact of the common mode current on the converter side inductors design are also analyzed.

Este trabalho apresenta um estudo sobre a corrente de fuga de modo comum em inversores monofásicos sem transformador utilizados para a conexão de sistemas fotovoltaicos (FV) à rede de distribuição de energia elétrica. O estudo se concentra em inversores do tipo fonte de tensão que empregam a topologia em ponte completa. A partir da adequada modelagem do sistema (rede, conversor e módulo fotovoltaico) identifica-se e quantifica-se a contribuição das tensões de modo comum e modo diferencial para a corrente de fuga. Conclui-se que a tensão de modo comum de alta frequência produzida pelo inversor, que depende da estratégia de modulação por largura de pulso (PWM Pulse Width Modulation) empregada, fornece a maior contribuição para produção da corrente de fuga. Esse estudo mostra que os inversores sem transformador, com topologia em ponte completa e modulação que produz tensão de saída com três níveis, necessitam de medidas adicionais para a minimização da corrente fuga quando aplicados em sistemas fotovoltaicos conectados à rede. Algumas soluções propostas na literatura para a minimização da corrente de fuga baseadas em topologias modificadas e filtros de modo comum são listadas e discutidas. Neste trabalho é proposto um filtro integrado de modo comum e modo diferencial com amortecimento passivo de baixas perdas, para minimizar a corrente de fuga produzida por um inversor monofásico sem transformador. Um exemplo de aplicação do filtro proposto é apresentado juntamente com seu procedimento de projeto, resultados de simulação e experimentais que validam a proposta. Além disso, a influência da variação da indutância da rede elétrica e da capacitância parasita do sistema fotovoltaico no comportamento do filtro proposto é analisada. A influência da variação da indutância da rede no comportamento do sistema de controle e o impacto da corrente de modo comum no projeto dos indutores do lado do conversor também são analisados. / This paper presents a study on the common mode leakage current in single-phase transformerless inverters for grid-connected photovoltaic (PV) systems. The study focuses on voltage source inverters (VSI) employing the full-bridge topology. The common mode and differential mode voltages that contribute to the leakage current are identified and quantified from the analysis of the system model (utility grid, converter and PV module). The system model analysis shows that the high frequency common mode voltage produced by the inverter, which depends on the Pulse Width Modulation (PWM) strategy, is the main source contributing to the leakage current. This work shows that transformerless inverters employing the full-bridge topology and a modulation strategy that produces a three-level output voltage require some leakage current minimization strategy when they are employed in grid-connected PV systems. Some solutions proposed in the literature for leakage current minimization based on modified topologies and common mode filters are listed and discussed. In this dissertation an integrated common and differential filter with low loss passive damping is proposed to minimize the leakage current produced by a single-phase transformerless PV inverter. An application example of the proposed filter is presented with design procedure, simulation and experimental results validating the proposal. Additionally, the influence of grid inductance and PV module parasitic capacitance variations on the behavior of the proposed filter is analyzed. The behavior of the control system considering the grid inductance variation and the impact of the common mode current on the converter side inductors design are also analyzed.