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.

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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This document aims to develop an automated test platform for grid-connected photovoltaic inverters. Therefore, it was conducted a study of European, North American and Brazilian standards related in order to compare the Brazilian standard with respect to the others. A comparison between them with respect to the operating limits is presented. Further, the restrictions are evaluated for each equipment used in the testing of PV inverters certification: CA emulator source emulator PV supply, power analyzer, oscilloscope and flickermeter. Finally, it was developed a software for automation of tests, which is applied for supporting the configuration sources processes, acquisition measures and test report generation. This software is evaluated by obtaining experimental tests, whose results are compared with equivalent obtained through non-automated tests, enabling the validation of the system. / Esse trabalho tem como objetivo desenvolver uma bancada de ensaio automatizado para inversores fotovoltaicos conectados à rede elétrica. Para tanto, se realizou um estudo das normas europeias, norteamericanas e brasileiras relacionadas ao assunto com o propósito de comparar a norma brasileira com relação às demais. Uma comparação entre elas no que tange aos limites de operação é apresentado. Na sequência do trabalho são avaliadas as restrições impostas para cada equipamento utilizado no ensaio de certificação de inversores fotovoltaicos, a destacar: fonte emuladora CA, fonte emuladora FV, analisador de energia, osciloscópio e fliquerímetro. Por fim, é desenvolvido um software para automação dos ensaios que é aplicado para auxílio aos processos de configuração de fontes, aquisição de medidas e geração de relatório. Esse software é avaliado através da obtenção de ensaios experimentais, cujos resultados são comparados com equivalentes obtidos através de ensaios não-automatizados, possibilitando a validação do sistema proposto.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Throughout the twentieth century, the supply of electricity, mainly obtained from fossil fuels like oil and coal, it has supported the growth and transformation of the world economy. In the early years of this century, the scenario has changed to a new reality, the need for sustainable development. In other words, the challenge is to gradually replace the traditional sources of electricity from renewable energy sources, in which the solar photovoltaic energy has highlighted. Photovoltaic inverters may be constituted in different ways, presenting in recent decades a high research progress. The main study efforts focus on getting high efficiency, high power density and high reliability, to increase the overall performance of the photovoltaic installation. In this direction, this Master Thesis aims to propose, analyze, design and implement a single-phase grid-tied photovoltaic inverter, which provides high efficiency and high power density. This circuit is called Transformerless Photovoltaic Interleaved Multilevel NPC Inverter , that use uncoupled inductors, Gallium Nitride power transistors and employs interleaving strategy beside the LCL filter, synthesizing 9 levels. Are introduced studies on the operation, modulation and design methodology of power stages, considering the static performance. Results are presented for the 1 kW, in order to support the validity of the proposed topology in conjunction with the standard aspects, especially in relation to THD (Total Harmonic Distortion) of grid current, leakage current, efficiency and power density. / Durante todo o século XX, a oferta de energia elétrica, obtida principalmente a partir dos combustíveis fósseis como petróleo e o carvão mineral, deu suporte ao crescimento e as transformações da economia mundial. Já nos primeiros anos do século atual, o cenário mudou para uma nova realidade, a necessidade do desenvolvimento sustentável. Em outras palavras, o desafio é substituir gradativamente as fontes tradicionais de energia elétrica por fontes de energia renovável, onde a energia solar fotovoltaica tem destaque. Os conversores eletrônicos para sistemas fotovoltaicos, também chamados de inversores, podem ser constituídos de diversas maneiras, apresentando nas últimas décadas um acentuado progresso de pesquisa. Os principais esforços de estudo tem se concentrado em obter alto rendimento, alta densidade de potência e alta confiabilidade, de modo a aumentar o desempenho global da instalação fotovoltaica. Neste horizonte, esta dissertação tem por objetivo propor, analisar, projetar e implementar um inversor fotovoltaico monofásico, para aplicação conectada à rede, de alto rendimento e alta densidade de potência. Esta estrutura é denominada de Inversor Fotovoltaico NPC Multinível Intercalado sem Transformador , que utiliza indutores não acoplados, interruptores de Nitreto de Gálio e emprega a técnica interleaving junto ao filtro LCL, sintetizando 9 níveis. No decorrer do trabalho são introduzidos estudos relativos à operação, modulação, metodologia de projeto e estágios de potência, estabelecendo critérios, enquanto considera a performance estática. São apresentados resultados, observando a potência de 1 kW, com a finalidade de corroborar a validade da topologia proposta juntamente as normativas e aspectos que norteiam a aplicação, especialmente com respeito à THD (Total Harmonic Distortion) da corrente da rede, corrente de fuga, rendimento e densidade de potência.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In photovoltaic systems, the lowest energy cost is not always achieved by an inverter with minimized cost or maximized efficiency. It is important to adopt methodologies that optimize the balance between system losses and costs. The Levelized Cost of Electricity minimization methodology, presented in literature, obtains an optimized inverter design, but needs variables like discount rate and maintenance costs. This study proposes a methodology for design and comparison of photovoltaic inverters that is simpler and is based on the adoption of a cost per Watt reference. It minimizes the energy cost considering the photovoltaic initial system cost and design specifications. This methodology is presented in detail, including an inverter design example that analyses losses and cost of all components, and also the irradiance of the photovoltaic installation place. Experimental results are presented to validate the proposed methodology. / Em sistemas fotovoltaicos, o menor custo da energia gerada nem sempre é obtido com inversores de custo minimizado ou eficiência maximizada. Para o custo da energia seja minimizado, é importante empregar metodologias de projeto que otimizem o compromisso entre perdas e custos. A metodologia de minimização do custo nivelado da eletricidade, a mais difundida na literatura, permite obter um projeto otimizado do inversor, mas necessita de variáveis como taxa de desconto e custos de manutenção do sistema fotovoltaico. Este trabalho propõe uma metodologia para projeto e comparação de inversores fotovoltaicos mais simples, baseada na adoção de um custo por Watt de referência. Essa metodologia objetiva reduzir o custo da energia produzida considerando apenas o custo inicial do sistema fotovoltaico e as restrições associadas às especificações de projeto. A metodologia proposta é apresentada em detalhes, incluindo um exemplo de projeto de inversor que analisa as perdas e custos dos componentes, além do perfil de irradiação do local de instalação do sistema fotovoltaico. Resultados experimentais são apresentados para validação da metodologia proposta.

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.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / Grid-connected photovoltaic systems with energy storage have features of conventional gridconnected inverters and uninterruptible power supplies. In these systems, all elements, which include photovoltaic generator, batteries, loads and electric grid, are connected to the same equipment named multifunctional photovoltaic converter. As it is a recent technology, there are many research opportunities in this theme, from classifications and standards to specific problems. This study investigates this field in a comprehensive manner, proposing classifications, technical recommendations and a power management strategy. Initially, classifications are proposed considering system configuration and continuity of supply to the loads. In the following, technical recommendations related to grid and load compatibility, as well as safety technical recommendations, are proposed. The last proposal consists on a power management strategy which defines the operation mode of the static converters and system elements as a function of the energy scarcity. Experimental results of the power management are presented in order to validate the proposals. In this way, this thesis contributes to the development of multifunctional photovoltaic converters technology so that the distributed generation becomes more independent of solar availability and can better collaborate with the electric system. / Sistemas fotovoltaicos conectados à rede com armazenamento de energia são aqueles que conjugam características dos inversores conectados à rede convencionais e de fontes ininterruptas de energia. Nesses sistemas, todos os seus elementos, que incluem o gerador fotovoltaico, as baterias, as cargas e a rede elétrica, são conectados a um mesmo equipamento chamado de conversor fotovoltaico multifuncional. Por se tratar de uma tecnologia recente, existem muitas oportunidades de pesquisa inédita no tema, desde premissas e classificações básicas até a solução de problemas mais específicos. Este trabalho investiga o tema de maneira abrangente, propondo classificações, recomendações técnicas e uma estratégia para gerenciamento interno de potência dos conversores fotovoltaicos multifuncionais. Inicialmente, classificações são propostas considerando a configuração do sistema e a continuidade de fornecimento de energia às cargas. A seguir, são propostas recomendações técnicas relacionadas à compatibilidade com a rede e com as cargas, além de recomendações técnicas de segurança, baseando-se em normas existentes. A última proposta consiste em uma estratégia de gerenciamento interno de potência que define os modos de operação dos conversores estáticos e dos elementos do sistema em função da escassez de energia. Resultados experimentais do método proposto para o gerenciamento interno de potências são apresentados com o objetivo de validar as propostas desenvolvidas. Dessa forma, o presente trabalho contribui com o desenvolvimento da tecnologia de conversores fotovoltaicos multifuncionais, para que a geração distribuída de energia elétrica se torne mais independente da disponibilidade solar e possa melhor colaborar com o sistema elétrico.