El presente trabajo ha sido desarrollado con la finalidad de la obtención del título de Doctor en Electrónica por la Universidad Politécnica de Valencia. Este documento reporta el diseño y la construcción de un convertidor electrónico destinado a operar en el entorno de las microrredes con energía fotovoltaica. Las microrredes cada vez están tomando más importancia y su implementación a gran escala está más cercana. Por este motivo resulta interesante trabajar en la obtención de equipos destinados a mejorar las capacidades de las microrredes. Las Microrredes son agrupaciones de recursos de generación, almacenamiento, distribución eléctrica y cargas gestionadas desde la propia instalación, que pueden funcionar tanto conectados a la red eléctrica como aislados de la misma. El quipo desarrollado es capaz de operar tanto con la microrred conectada a la red principal como con la microrred aislada. El cambio entre ambos estados se realiza mediante transiciones suaves que no afectan a las cargas. El equipo emplea diferentes controles para los diferentes estados. El equipo presenta igualmente la posibilidad de trabajar en paralelo con otros equipos sin necesidad de comunicaciones entre ellos. El sistema dispone de un sistema de almacenamiento de energía en baterías que permite mejorar el servicio cuando la microrred se encuentra aislada. El almacenamiento de energía se realiza en corriente continua mediante un convertidor DC/DC conectado al bus de continua en paralelo con el inversor. El sistema de almacenamiento de energía permite energizar las cargas a pesar de que la energía requerida por estas sea mayor que la entregada por los paneles fotovoltaicos. En el caso en el que la generación es mayor que la carga, el exceso de energía puede ser almacenado en las baterías. El documento presenta tanto el diseño como los resultados obtenidos en simulación y experimentales del equipo trabajando en diferentes situaciones. Los resultados obtenidos confirman el buen funcionamie / Velasco De La Fuente, D. (2012). Reconfiguración de controladores para inversores fotovoltaicos con almacenamiento de energía en DC operando como generadores autónomos en una microrred [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16183 / Palancia

A energia elétrica é fundamental para o desenvolvimento do saneamento básico, com este setor representando 2,40% do consumo de energia elétrica no Brasil no ano de 2015. No panorama atual buscar alternativas de eficiência energética é fundamental tanto para redução no consumo de energia, causando assim um menor impacto ambiental, como para a redução de custos para as empresas responsáveis pelo saneamento, melhorando assim seu desempenho. Neste contexto o objetivo deste trabalho foi a avaliação de uma técnica de eficiência energética em sistemas de bombeamento. Utilizou-se um inversor de frequência para variar a rotação do motor com o objetivo de reduzir a vazão em comparação ao uso de uma válvula controladora de vazão. A análise foi feita em um sistema de abastecimento de água no município de Palmas-TO onde um motor de 100 cv era acionado por uma chave soft starter. O estudo de caso monitorou a potência, vazão, pressão, volume de água bombeado e o consumo de energia do sistema em questão, e possibilitou comprovar a eficiência do uso do inversor de frequência visto que o houve um ganho representativo no rendimento do sistema, além de uma redução de aproximadamente 22% no consumo de energia após sua implementação. Conclui-se que em sistemas onde há restrição de vazão feitas por válvulas, há viabilidade econômica para aplicação de um inversor de frequência, e que o investimento necessário para essa alteração, retorna para o investidor por meio da economia com o consumo de energia elétrica. Para este caso foi calculado um pay back de 10 meses. / Electricity is primordial for basic sanitation development, and this sector was responsible for 2.4% of Brazilian energy consumption in 2015. In our recent scenario, seeking for more energetic efficient processes is mandatory for reducing the environmental impact as well as costs incurred from a lower energy consumption for companies responsible for public sanitation. The objective of this current study was the evaluation of energetic efficiency technique for pumping systems. A Variable Frequency Drive was installed to vary the engine rotation aiming to reduce the flow rate when compared to the standard usage of a flow control valve. The analysis was made on a system of water supply in the municipality of Palmas-TO where a 100hp motor was ignited by a soft starter. This study monitored the following parameters: power, flow rate, pressure, pumped water volume and system energy consumption; this allowed proving the efficiency of the usage of the variable frequency drive which increased the system yield as well as reduced energy consumption in approximately 22%. It was then concluded that on systems where there are flow rate restrictions by valves it is economically feasible to install a variable frequency drive and the payback for the initial investment will come in power savings, to the case in question the payback is 10 months.

El presente Trabajo de Título tiene como objetivo realizar un análisis comparativo del desempeño de estrategias de control avanzado aplicadas a un motor de inducción, en base a resultados de simulaciones computacionales y pruebas experimentales. Para realizar las pruebas experimentales se construyó un dispositivo de inversión de voltaje previamente diseñado, que considera modificaciones para solucionar problemas de funcionamiento presentados por la versión original. Las estrategias de control aplicadas se basan en un esquema de control por orientación de campo, realizando modificaciones en el bloque de control de velocidad de la máquina. En primer lugar, se estudió la respuesta del sistema en base a un controlador de velocidad “PI fraccionario”, la cual corresponde a una novedosa técnica que considera cálculo de integrales no enteras para la determinación de la acción de control. En segundo lugar, se implementó una estrategia de control exclusivamente aplicable a motores de inducción denominada “Control por deslizamiento constante”. Esta estrategia está basada en la optimización del par entregado por la máquina, lo que se traduce en una reducción de las corrientes de línea para un nivel de carga fijo. Finalmente, se procedió a realizar el control de velocidad del motor de inducción mediante la estrategia clásica que usa un controlador PI, cuyos resultados servirán como base de comparación frente a las otras dos estrategias expuestas. Para realizar la comparación del desempeño de cada una de las técnicas se estudiaron los tiempos de estabilización, corrientes máximas por fase, robustez frente a perturbaciones de torque en el conjunto motor-carga, cálculo de índices de desempeño basadas en el error de control (IAE, ISE, ITAE, ITSE) y aplicabilidad experimental en tiempo real de cada una de las estrategias. Con respecto a los resultados obtenidos, se puede decir que la utilización de un controlador PI fraccionario permite obtener distintos tipos de respuestas, desde dinámicas lentas y sin fluctuaciones hasta respuestas rápidas con fuertes oscilaciones, dependiendo del orden de integración escogido. La estrategia de Control por deslizamiento constante presentó los resultados esperados a nivel de simulación (esto es, bajo error de seguimiento y reducción de corrientes de línea con respecto a las otras estrategias implementadas). Sin embargo, a nivel experimental, el sistema no respondió de la forma presupuestada ya que al imponer un deslizamiento constante las corrientes aumentaron considerablemente y no se consiguió un seguimiento de referencia de velocidad. El controlador PI puede ser interpretado como un caso particular del PI fraccionario (considerando orden de integración unitario), y presentó un comportamiento adecuado tanto en simulaciones como en pruebas de laboratorio.

Ingeniero Civil Electricista / El presente trabajo aborda los conceptos básicos, sobre electrónica, semiconductores de potencia, controladores digitales de señales y software de simulación en electrónica de potencia, para lograr diseñar y construir un inversor MPPT fotovoltaico de 2kW de potencia nominal que sirva como base para desarrollos en esta área. Se presenta una introducción al tema, los objetivos de la memoria y una breve descripción del estado del arte, conocimientos necesarios para desarrollar un equipo de estas características. En función de estos antecedentes se presenta el diseño y simulación de la primera etapa de conversión, correspondiente al módulo Boost, utilizado para realizar un seguimiento de máxima potencia al sistema fotovoltaico. A continuación, se muestra la segunda etapa de conversión, de corriente continua a alterna, mediante un puente inversor completo. Se diseñan los sensores a utilizar, que son de voltaje DC, voltaje AC, corriente y temperatura. Se presenta el diseño de las etapas necesarias de control realimentado, que se programan en un microcontrolador. Esta etapa incluye la determinación de la tensión de máxima transferencia, se sincroniza el inversor con la red y se limita el trabajo del equipo dentro de rangos seguros de operación. Con el software PSim, se simula cada etapa de conversión de potencia, lo que permite realizar un diseño rápido y seguro. Se logra probar los ciclos de control diseñados para el sistema y ver el tipo de comportamiento ante perturbaciones. Se presenta en detalle la fase de construcción de cada uno de los módulos diseñados, reportando los planos, dispositivos y elementos de integración. Se realizan pruebas de potencia para el módulo Boost y el Inversor, ajustando los sensores. Por último se realizan pruebas de control realimentado como seguidor de tensión y seguidor de fase. Se finaliza con los resultados de las características relevantes del equipo, como lo son la eficiencia (80%) y costo de construcción estimado ($1466 US), para luego realizar un análisis de recuperación del capital en base a la energía generada. Como trabajo futuro se requiere de las pruebas de inyección de potencia a la red y de transferencia de máxima potencia conectando un panel fotovoltaico como fuente primaria de energía.

[EN] Multilevel inverters are being used in high-power applications, but the use of those topologies in small-power photovoltaic power plants presents some advantages. In this Thesis it is proposed a transformerless grid-connected single-phase photovoltaic inverter topology, called NPC+GCC, based on a multilevel topology. The characteristics of the NPC+GCC are of great interest for grid-connected transformerless inverters. It is demonstrated that that topology generates a very low capacitive leakage current, which is well below the limits stablished by the DIN VDE 0123-1-1 norm. The NPC+GCC topology permits the connection of a pair of photovoltaic sources on its input, getting the maximum power of both sources simultaneously. The efficiency of the power electronic converter is very high, since cascaded power stages are not used. This feature is of great interest in photovoltaic generation in urban areas because of the partial shadowing of the photovoltaic modules. Partial shadowing significantly deteriorates the energy harvesting. The double maximum power point tracking of the NPC+GCC reduces the effects of partial shadowing. Moreover, the inverter has been designed for working in distributed generation microgrids, an upcoming scenario. The main features of the inverter, transformerless and with a double maximum power point tracking, are especially relevant for power generation in the context of microgrids. The design has been validated by means of the construction and experimental study of an NPC+GCC converter with a nominal power of 5kW. / [ES] Los inversores multinivel se utilizan de forma habitual en aplicaciones de gran potencia, pero la aplicación de las topologías multinivel en la generación fotovoltaica de pequeña potencia presenta algunas ventajas de interés. Se propone una topología de inversor fotovoltaico monofásico de inyección a red sin transformador, basada en las topologías multinivel, llamada NPC+GCC. Esta topología presenta características de gran interés para su uso como inversor sin transformador directamente conectado a la red eléctrica. Se estudia su tensión de modo común, y cómo esta genera una corriente de derivación capacitiva que se mantiene muy por debajo de los límites permitidos por la normativa. La topología NPC+GCC permite la conexión de dos generadores fotovoltaicos en su entrada, sobre los que efectuará una búsqueda del punto de máxima potencia de manera totalmente independiente y con un elevado rendimiento y fiabilidad, ya que no utiliza convertidores conectados en cascada para realizar esta función. Esta característica es de especial interés para la generación fotovoltaica en entornos urbanos, pues frecuentemente aparecen sombreados parciales sobre los módulos fotovoltaicos, que pueden deteriorar significativamente el aprovechamiento energético. El doble seguimiento del punto de máxima potencia permite reducir la influencia del sombreado parcial. Además, el inversor está diseñado para funcionar en microrredes de generación distribuida, adaptando así la generación fotovoltaica al nuevo escenario que está naciendo en la actualidad. Las principales características del inversor (sin transformador y con doble seguimiento del punto de máxima potencia) son de especial relevancia para la generación en el entorno de microrredes. El diseño se ha validado mediante la construcción y experimentación de un convertidor NPC+GCC de potencia nominal 5kW. / [CAT] Els inversors multinivell s'utilitzen de forma habitual en aplicacions de gran potència, però l'aplicació de les topologies multinivell en la generació fotovoltaica de petita potència presenta alguns avantatges d'interès. Proposem una topologia d'inversor fotovoltaic monofàsic d'injecció a xarxa sense transformador, basada en topologies multinivell, anomenada NPC+GCC. Aquesta topologia presenta característiques de gran interès per l'ús com a inversor sense transformador directament connectat a la xarxa elèctrica. N'estudiem la tensió de mode comú, i com aquesta genera un corrent de derivació capacitiu que es manté molt per davall dels límits permesos per la normativa. La topologia NPC+GCC permet la connexió de dos generadors fotovoltaics en l'entrada, sobre els quals efectuarà una cerca del punt de màxima potència de manera totalment independent i amb una elevada eficiència i fiabilitat, ja que no usa convertidors connectats en sèrie per a dur a terme aquesta funció. Aquesta característica és d'interès especial per a la generació fotovoltaica en entorns urbans, ja que freqüentment apareixen ombrejats parcials als mòduls fotovoltaics, que poden deteriorar significativament l'aprofitament energètic. El doble seguiment del punt de màxima potència permet reduir la influència de l'ombrejat parcial. A més, l'inversor està dissenyat per a funcionar en microxarxes de generació distribuïda, i així la generació fotovoltaica s'adapta al nou escenari que està naixent en l'actualitat. Les principals característiques de l'inversor (sense transformador i amb doble seguiment del punt de màxima potència) són d'especial rellevància per a la generació en l'entorn de microxarxes. El disseny ha sigut validat per mitjà de la construcció i l'experimentació d'un convertidor NPC+GCC de potència nominal 5kW. / Patrao Herrero, I. (2015). Concepción e integración en microrredes residenciales de inversores multinivel sin transformador de aislamiento con extracción simultánea de la máxima potencia de múltiples generadores fotovoltaicos [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/52023 / TESIS

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica. Ingeniero Civil Eléctrico / Actualmente existe un gran interés y compromiso en aumentar la generación eléctrica proveniente de fuentes ERNC (Energías Renovables No Convencionales) a nivel mundial dado el actual escenario energético. Para maximizar la transferencia energética y asegurar una operación óptima desde un punto de vista técnico y económico se han propuesto distintas topologías de inversores junto con sus estrategias de control. Por otro lado, el control predictivo se perfila como una estrategia prometedora para controlar algunas topologías de inversores de potencia, en particular el control FS-MPC (Finite Set - Model Predictive Control) se ha implementado en un gran número de configuraciones debido a sus ventajas como: rápida respuesta transitoria; fácil inclusión de no linealidades y restricciones en el controlador; y ausencia de modulador. Sin embargo las tensiones sintetizadas por esta estrategia poseen una frecuencia de conmutación variable lo que complica el diseño de filtros de conexión a la red y aumenta la distorsión armónica en las señales inyectadas. En esta tesis se implementa de forma experimental un control predictivo modulado (M2PC, Modulated Model Predictive Control) en un inversor NPC (Neutral Point Clamped) trifásico de 3 niveles en configuración front-end, esta estrategia genera una tensión con frecuencia de conmutación fija y además mantiene las ventajas del control FS-MPC ya mencionadas. El controlador se programa en una plataforma dSPACE dS1103, para esto fue necesario diseñar y construir una tarjeta de desarrollo para una FPGA (Field-Programmable Gate Array) Spartan 3 y una tarjeta transmisora de fibra óptica, la función de la primera tarjeta es gestionar el envío de vectores al conversor NPC y habilitar un sistema de protección que apague el inversor en caso de falla, mientras que la segunda tarjeta se utiliza para enviar los pulsos de disparo a los IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) del inversor. En el desarrollo de esta tesis se proponen 2 estrategias de control M2PC, en la primera se utiliza una función multiobjetivo para regular la corriente inyectada a la red y el balance de los condensadores del DC-Link, mientras que en la segunda el control M2PC sólo se encarga del error de corriente y en una etapa posterior se regula las tensiones del DC-Link. Inicialmente la estrategia se simula mediante el software Plecs y posteriormente se implementa en el sistema experimental. Se concluye que ambas estrategias presentan un buen desempeño en régimen permanente y transitorio, en ambos casos el THD (Total Harmonic Distortion) es menor al 2% y los condensadores se encuentran balanceados.

En esta tesis, se estudia una estrategia de control para un convertidor DC-AC trifásico de potencia con filtro LC de dos etapas a la salida, que alimenta una carga desconocida de tipo fuente de corriente. El principal objetivo del controlador es el de mejorar la respuesta del sistema ante cambios abruptos en la carga, manteniendo siempre un voltaje de salida cercano al de referencia dada por el diseñador. Se realiza el diseño del filtro LC de dos etapas, con el fin de minimizar el tamaño de sus componentes y de que sus dos frecuencias de resonancia resulten alejadas de la frecuencia fundamental de la corriente de carga, así como de la frecuencia de PWM utilizada. El controlador propuesto hace uso de una combinación del tipo feedback/feedforward junto con un controlador resonante sintonizado a la frecuencia de la carga. La estrategia se basa en el uso de una serie de tensiones y corrientes de referencias, las cuales son utilizadas para hacer un correcto seguimiento de los estados del filtro. Además, se diseña un observador de estados con el fin de estimar cuatro de los seis estados del sistema, para así reducir el número de sensores necesarios para la implementación del controlador y reducir también el esfuerzo sobre la acción de control. / This thesis studies a control strategy for a system composed of a three-phase DC-AC power converter and an output two-stage LC filter, that feeds an unknown load current source. The main purpose of the control strategy, is to improve the performance of the system under sudden changes in the load, while the output voltage follows a reference given by the designer. The two stages LC filter is designed in order to minimize the size of the components under the condition that the two resonance frequencies of the filter result located away from the load fundamental frequency and from the one used by the PWM. The proposed controller is based on the combination of a feedback/feedforward strategy with a resonant controller tuned at the load frequency, this strategy uses a series of voltage and current references to assure the correct tracking of the filter states. Also, a state observer is used to estimate four of the six system states, that allows a reduction on the number of sensors required to implement the control strategy and diminishing the effort on the control signal.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tiago Lemes.pdf: 2229669 bytes, checksum: 9b9cd44356c6d0002fccf67fe418f52b (MD5) Previous issue date: 2014-09-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The main subject of this work is the study of a 5 levels T-Type NPC inverter topology, which is applied in photovoltaic energy processing for power generation. The grid power injection is done controlling converter current, which is injected into grid. This work presents equations, component-designs and their validation, which are necessary for the Inverter s power structure implementation. Also inverter modeling and design of implemented controllers are described. Through this study, it was possible to build a 3 kW prototype, which besides the current control, has a system to balance the differential voltage of bus capacitors. Through the prototype, experimental results were acquired. / O objeto de estudo deste trabalho é a topologia inversora NPC T-Type 5 níveis, aplicada no processamento da energia fotovoltaica, sendo o principal objetivo a geração de energia elétrica por meio do controle da corrente aplicada à rede. Este trabalho apresenta o equacionamento, projeto dos componentes e sua validação, que fazem parte da estrutura de potência do inversor, bem como a sua modelagem e projeto dos controladores implementados. Por intermédio deste estudo foi possível construir um protótipo com potência nominal de 3 kW, que além do controle da corrente, apresenta uma malha de equilíbrio da tensão diferencial do barramento. Mediante construção desse protótipo, foram extraídos os resultados experimentais.

O uso crescente de fontes alternativas de energia exige conversores de energia capazes de aumentar sua tensão nos terminais e conectá-los ao sistema de distribuição. Neste contexto, o conversor step-up clássico (conversor de potência CC/CC) e o inversor de fonte de tensão (VSI) são as soluções mais aplicadas para processar o fluxo de energia da fonte para a rede. No entanto, apresentam um baixo rendimento devido ao duplo estágio de conversão, isto é, a energia flui também através dos conversores de energia CC/CC e CC/CA. Para evitar esse tipo de desvantagem, no início da última década, o Z-Source-Inverter (ZSI) foi introduzido. Nesta nova solução, o conversor de energia CC/CC responsável por elevar a tensão nos terminais do conversor foi removido e uma rede de impedância LCLC foi adicionada com duas tarefas, ou seja, aumentar a tensão do terminal e melhorar a eficiência do ZSI. Infelizmente, os trabalhos da literatura não apresentaram um modelo matemático generalizado para apoiar os projetistas de conversores de potência na análise de estabilidade, projeto de controladores ou avaliar o ganho de tensão do conversor. Neste sentido, esta dissertação propõe o desenvolvimento de um modelo matemático completo e a análise de estabilidade da planta. Para suportar todo o desenvolvimento teórico, foi realizado um conjunto de análises no domínio do tempo e da frequência. Por fim, verificou-se o controle da tensão do elo CC para suportar todas as afirmações apresentadas neste trabalho (controle da tensão no capacitor da rede Z). / The growing use of alternative energy sources require power converters able to boost their terminal voltage and connect them to the distribution system. In this context, the classical step-up converter (DC/DC power converter) and the voltage source inverter (VSI) are the most applied solutions to process the power flow from the source to the grid. However, they present a low efficient because of the double stage of conversion, i.e. the power flows through the DC/DC and DC/AC power converters as well. To avoid this type of drawback, in the beginning of the last decade the impedance source inverter (ZSI) was introduce. In this new solution, the DC/DC power converter responsible for boosting the voltage at the DC-source terminals was removed and a Z (LCLC-network) was added with two tasks, i.e. boost the DC-source terminal voltage and improve the ZSI efficiency. Unfortunately, the papers in the literature did not present a generalized mathematical model to support designers of power converters in the analysis of stability, design of controllers or evaluate the voltage gain of the converter. In this sense, this thesis proposes the development of a complete mathematical model and the stability analysis of the plant. To support all the theoretical development a set of analysis in the time and frequency-domain was performed. Finally, the control of DC-link voltage was verified to support all the statements presented in this thesis (control on the Z-network voltage capacitance).

O uso crescente de fontes alternativas de energia exige conversores de energia capazes de aumentar sua tensão nos terminais e conectá-los ao sistema de distribuição. Neste contexto, o conversor step-up clássico (conversor de potência CC/CC) e o inversor de fonte de tensão (VSI) são as soluções mais aplicadas para processar o fluxo de energia da fonte para a rede. No entanto, apresentam um baixo rendimento devido ao duplo estágio de conversão, isto é, a energia flui também através dos conversores de energia CC/CC e CC/CA. Para evitar esse tipo de desvantagem, no início da última década, o Z-Source-Inverter (ZSI) foi introduzido. Nesta nova solução, o conversor de energia CC/CC responsável por elevar a tensão nos terminais do conversor foi removido e uma rede de impedância LCLC foi adicionada com duas tarefas, ou seja, aumentar a tensão do terminal e melhorar a eficiência do ZSI. Infelizmente, os trabalhos da literatura não apresentaram um modelo matemático generalizado para apoiar os projetistas de conversores de potência na análise de estabilidade, projeto de controladores ou avaliar o ganho de tensão do conversor. Neste sentido, esta dissertação propõe o desenvolvimento de um modelo matemático completo e a análise de estabilidade da planta. Para suportar todo o desenvolvimento teórico, foi realizado um conjunto de análises no domínio do tempo e da frequência. Por fim, verificou-se o controle da tensão do elo CC para suportar todas as afirmações apresentadas neste trabalho (controle da tensão no capacitor da rede Z). / The growing use of alternative energy sources require power converters able to boost their terminal voltage and connect them to the distribution system. In this context, the classical step-up converter (DC/DC power converter) and the voltage source inverter (VSI) are the most applied solutions to process the power flow from the source to the grid. However, they present a low efficient because of the double stage of conversion, i.e. the power flows through the DC/DC and DC/AC power converters as well. To avoid this type of drawback, in the beginning of the last decade the impedance source inverter (ZSI) was introduce. In this new solution, the DC/DC power converter responsible for boosting the voltage at the DC-source terminals was removed and a Z (LCLC-network) was added with two tasks, i.e. boost the DC-source terminal voltage and improve the ZSI efficiency. Unfortunately, the papers in the literature did not present a generalized mathematical model to support designers of power converters in the analysis of stability, design of controllers or evaluate the voltage gain of the converter. In this sense, this thesis proposes the development of a complete mathematical model and the stability analysis of the plant. To support all the theoretical development a set of analysis in the time and frequency-domain was performed. Finally, the control of DC-link voltage was verified to support all the statements presented in this thesis (control on the Z-network voltage capacitance).