Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This master thesis proposes a control method of scalar direct torque control and a technique of current control to maximize the aerodynamic efficiency of wind energy conversion systems (WECS) using permanent magnets synchronous generators (PMSG) with non-salient poles. The maximum power point tracking (MPPT) is possible to apply optimum torque to the generator by just controlling the static converter. Two topologies are addressed: The first one is a boost converter, widely used in WECS, where the MPPT method is implemented by the controlling the boost inductor current; and the second is a three phase AC boost converter where the scalar direct torque control is proposed. Aims to reduce the mechanic speed sensor a work with sensorless algorithms, is proposed. First an observer in the continuous time domain in coordinates αβ is developed containing two observers: a current sliding mode whose function is to determine the electromotive force (EMF) and EMF observer which aims to determine the rotor speed based on the direct method of Lyapunov. After, in the discrete time domain, sliding mode observers of speed and rotor position are described. Simulation and experimental results are presented to validate the theoretical analysis and demonstrate the good performance of the techniques to drive PMSG. / Esta dissertação propõe um método de controle escalar direto de conjugado e uma técnica de controle de corrente para maximização da eficiência aerodinâmica de sistemas de conversão de energia eólica (WECS) que utilizam geradores síncronos de ímãs permanente (PMSG) com polos não salientes. O rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT), impõe o conjugado ótimo ao gerador apenas por meio do controle do conversor estático. Duas topologias são abordadas: conversor boost, amplamente utilizado em WECS, em que o método de MPPT é implementado por meio do controle da corrente do indutor boost, e um conversor boost trifásico CA, com controle escalar direto de torque. Buscando reduzir os sensores mecânicos do sistema, estimadores para obtenção da velocidade e da posição rotórica são propostos. Primeiramente um observador no domínio de tempo contínuo em coordenadas αβ é desenvolvido, contendo dois observadores: um de corrente por modos deslizantes, cuja função é determinar a força eletromotriz (EMF) e um observador de EMF, baseado no método direto de Lyapunov, com objetivo de determinar a velocidade rotórica. Posteriormente são descritos observadores por modos deslizantes no domínio de tempo discreto de velocidade e posição rotórica. Resultados de simulação e experimentais são apresentados para validar a análise teórica e demonstrar o desempenho das técnicas de controle e estimação propostas.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-07-27T14:50:55Z No. of bitstreams: 1 carolinaventuripinheiro.pdf: 2690052 bytes, checksum: 1d8da177ba05614f2f5b1f876bebdaa4 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-07-27T15:51:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 carolinaventuripinheiro.pdf: 2690052 bytes, checksum: 1d8da177ba05614f2f5b1f876bebdaa4 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-27T15:51:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 carolinaventuripinheiro.pdf: 2690052 bytes, checksum: 1d8da177ba05614f2f5b1f876bebdaa4 (MD5) Previous issue date: 2016-04-07 / FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Uma questão importante para a inserção da geração distribuída (GD) é a confiabilidade e a qualidade de energia fornecida aos consumidores. Este trabalho visa analisar a conexão de um sistema fotovoltaico (PV) e seus efeitos na rede elétrica utilizando simulação em tempo real. O sistema de simulação implementado consiste de sistemas fotovoltaicos, conversores de energia, carga variável e rede elétrica, implementados em um Real Time Digital Simulator (RTDS), enquanto que o controle é executado a partir da plataforma dSPACE, caracterizando uma sistema de simulação do tipo Hardware In the Loop (HIL). Os modelos de carga foram desenvolvidos com base em perfis de demanda reais, a partir de três alimentadores de distribuição diferentes da cidade de Leopoldina, no estado de Minas Gerais. Os dados de medição dos alimentadores foram tomados com um intervalo de 15 minutos, totalizando um tempo de medição de 24 horas. Dados de radiação solar usadas nos modelos PV foi medido no Labsolar - Universidade Federal de Juiz de Fora, também por um período de 24 horas. O propósito deste estudo é executar uma simulação HIL, combinando RTDS e dSPACE, que é um controlador digital. Com o tempo real é possível investigar o comportamento do sistema com a potência injetada pelo sistema PV, incluindo o controle do inversor utilizado para acoplar os diferentes sistemas fotovoltaicos à rede, em uma modelagem que se aproxima da realidade, com menores custos de implementação e maior segurança. Os resultados mostram uma comparação entre a potência ativa e reativa injetada pelos sistemas fotovoltaicos e a rede, e a energia consumida pelas cargas, validando a estratégia de controle implementada. / An important issue for the integration of Distributed Generation (DG) is the reliability and quality of energy supplied to consumers. This work aims at analyzing the grid connection of a photovoltaic (PV) system and its effects on the electrical network using realtime simulation. The implemented simulation system consists of photovoltaic systems, power converters, variable load and electrical grid, implemented in Real Time Digital Simulator (RTDS) while the control is run from the dSPACE controller, creating a Hardware In the Loop (HIL) platform. The load models were developed based on actual demand profile from three different distribution feeders of the city of Leopoldina, in the state of Minas Gerais. The feeders’ measurement data was taken with an interval of 15 minutes, with a total measurement time of 24 hours. Solar radiation data used in the PV models has been measured at the Solar Laboratory – Universidade Federal de Juiz de Fora, also for a 24-hour period. The purpose of this study is to perform a HIL simulation, combining RTDS and dSPACE, which is a digital controller. With real-time/ HIL simulation, it is possible to investigate the behavior of the system with the power injected by the PV system, including inverter control used to attach the different photovoltaic systems to the grid, in a model which approaches reality, with low implementation cost and higher safety. Results show a comparison between the active and reactive power injected by the photovoltaic system and network, and the power consumed by the loads, verifying the implemented control strategy.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-09-12T19:03:04Z No. of bitstreams: 1 pedrodeassissobreirajunior.pdf: 1664123 bytes, checksum: ae5400f0030a2d345dee7ce28cd98b69 (MD5) / Approved for entry into archive by Diamantino Mayra (mayra.diamantino@ufjf.edu.br) on 2016-09-13T12:50:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 pedrodeassissobreirajunior.pdf: 1664123 bytes, checksum: ae5400f0030a2d345dee7ce28cd98b69 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-13T12:50:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pedrodeassissobreirajunior.pdf: 1664123 bytes, checksum: ae5400f0030a2d345dee7ce28cd98b69 (MD5) Previous issue date: 2011-09-09 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta o estudo e avaliação experimental do controle de uma topologia de conversor CC-CC boost entrelaçado aplicado em sistemas de geração solar fotovoltaica. A análise comparativa das duas principais técnicas de rastreamento de máxima potência possibilitou elucidar se o método de controle por tensão ou corrente terminal do painel solar fotovoltaico apresentam diferença significativa na eficiência do processo de conversão de energia solar em eletricidade. A estrutura de conversor elevador de tensão entrelaçado possibilita mitigar o efeito do sombreamento parcial em arranjos fotovoltaicos, reduzir o dimensionamento dos elementos passivos e prover rápida resposta transitória. Resultados de simulação e experimentais usando um Controlador Digital de Sinais comprovam o potencial da estrutura estudada para o condicionamento de energia em arranjos solares fotovoltaicos. / This work presents the study and experimental evaluation of the control of an interleaved boost DC-DC converter topology used in solar photovoltaic generation systems. The comparative analysis of two major techniques for tracking maximum power point allowed to elucidate whether the method of control by terminal photovoltaic voltage or current show significant difference in the efficiency of converting solar energy into electricity. The boost interleaved converter allows mitigating the effect of partial shading on photovoltaic arrays, reducing sizing of passive elements and providing fast transient response. Simulation and experimental results using a Digital Signal Controller demonstrate the potential of the studied structure for power conditioning in photovoltaic solar arrays.

Dans une optique de maximisation de la production et de réduction des coûts d’installation, de maintenance et d’entretien des trackers solaires, qui permettent d’orienter les modules photovoltaïques à haute concentration (HCPV), ces travaux de thèse se focalisent sur l’amélioration de la précision et la réduction du coût de la stratégie de génération de la trajectoire du tracker. Dans un premier temps, un simulateur de tracker HCPV est développé offrant une étude de l’influence de la performance du suivi du soleil sur la production des modules HCPV, permettant ainsi une étude et une comparaison des stratégies de génération de trajectoires. Le simulateur est basé sur un modèle comportemental de module HCPV monté sur tracker permettant de prédire la puissance maximale du module HCPV en fonction de l’erreur de position du tracker face au soleil, de l’ensoleillement direct et de la température. Une première stratégie de commande dite de référence a été implémentée sur ce simulateur. C’est une commande hybride qui repose sur un viseur solaire pour corriger l’erreur de poursuite par un calcul astronomique. Ensuite, afin d’améliorer les performances et de réduire les coûts de cette stratégie, une nouvelle approche sans capteur est développée en se basant sur une méthode d’optimisation du gradient de puissance pour la génération de la trajectoire du tracker. Une étude complémentaire est également exposée afin de mettre en évidence des algorithmes de recherche de la puissance maximale (MPPT) pouvant offrir des temps de réponse suffisamment rapides pour ne pas affecter la qualité de l’évaluation du gradient de puissance. Dans ce contexte, une commande MPPT P&O améliorée par un réseau de neurones à complexité réduite est proposée, assurant un compromis entre précision, simplicité et rapidité / This work focuses on improving the accuracy and on reducing the cost of the tracker generating trajectory strategy, in order to maximize the production and to reduce the installation and the maintenance cost of a solar tracker orienting high concentrated photovoltaic modules (HCPV). Initially, we propose a behavioral modeling of the HCPV module mounted on a dual axis tracker in order to study the influence of the tracking performance on the module power production. Then, this simulator can be used to test control strategies and to compare their performance. Firstly, a classical control strategy is implemented in the simulator. It is based on a hybrid control operating an astronomical calculation to follow the sun path, and a sun sensor to correct the tracking error. A sensorless strategy is proposed in this work to reduce the cost of the HCPV tracker control. This strategy is based on a gradient optimization algorithm to generate the tracker trajectory and to catch the sun path. Tested on the simulator, this strategy presents the same accuracy as the classical strategy while being less costly. The last study proposed in this thesis work concerns maximum power point tracking (MPPT) algorithms, in order to respond to a given problem relating to the practical implementation of gradient algorithm. In this context, we propose an original optimization of the P&O MPPT control with a neural network algorithm leading to a significant reduction of the computational cost required to train it. This approach, which is ensuring a good compromise between accuracy and complexity is sufficiently fast to not affect the quality of the evaluation of the gradient.

L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est d'apporter une contribution à l'étude d'un système photovoltaïque fonctionnant à sa puissance maximale et énergétiquement autonome. Le cas étudié, dans cette thèse, concerne la commande d'une chaine de pompage photovoltaïque dans un site isolé. Dans ce sens, et pour que le système photovoltaïque fonctionne à sa puissance maximale, il doit comporter un étage d'adaptation associé à un algorithme MPPT. Dans notre étude, nous avons utilisé deux algorithmes MPPT, l'algorithme “Perturb and Observe” (P&O) puis l'algorithme “ Increment of Conductance” (IncCond). Dans quelques applications industrielles, il est parfois nécessaire de maintenir la tension délivrée par le système photovoltaïque constante. Pour cela, un système de contrôle de cette tension est présenté. Les méthodes utilisées pour la simulation de ce système sont basées sur l'utilisation d'un régulateur PID, puis sur le contrôle par mode glissant, et enfin sur un contrôleur par logique floue. Ce système est testé pour une charge résistive puis pour le cas d'une pompe centrifuge entrainée par un moteur à courant continu à aimant permanent. Ensuite, nous avons étudié le cas d'une chaine de pompage utilisant un moteur asynchrone triphasé comme moteur d'entrainement. Dans le but d'avoir la possibilité de régler le débit d'eau, et en se basant sur la caractéristique de proportionnalité entre la vitesse et le débit, la méthode de contrôle direct du couple, Direct Torque Control - DTC est utilisée pour la commande de la vitesse du moteur asynchrone. / The aim of the work presented in this thesis is to contribute to the study of a photovoltaic system operating at its maximum power and energetically autonomous. The case studied in this thesis relates to the control of a chain of photovoltaic pumping in an isolated site. In this sense and for the PV system operates at its maximum power, it must include a converter associated with a MPPT algorithm. In our study, we used two MPPT algorithms, the algorithm “Perturb and Observe” (P & O), then the algorithm “Increment of Conductance” (IncCond). In some industrial applications, it is sometimes necessary to maintain the voltage delivered by the PV system constant. For this, a control system of this voltage is presented. The methods used for the simulation of this system are based on the use of a PID controller and the sliding mode control, and finally a fuzzy logic controller. This system was tested for a resistive load then for the case of a centrifugal pump driven by a permanent magnetic DC motor. Then we studied the case of a pumping chain using a three-phase induction motor as a drive motor. In order to be able to regulate the flow of water, the Direct Torque Control method “DTC” is used to control the speed of the induction motor because it is proportional with the water flow.

La problématique de la production d'énergie renouvelable, l'énergie du vent dans notre cas, est liée au réglage de l'amplitude et de la fréquence de la tension du générateur entraîné par l'éolienne. Ces réglages sont nécessaires pour injecter la puissance électrique produite sur le réseau électrique. Les avancées de l'électronique de puissance, en particulier les convertisseurs de puissances commandés (redresseur, onduleur, convertisseur boost, etc), ont aidé à résoudre ces problèmes de réglage. Le défi de la production éolienne est d'améliorer la stratégie de commande appliquée aux convertisseurs, afin d'augmenter la qualité de la puissance produite et de minimiser les pertes électriques et ainsi de réduire le coût de production. Dans cette thèse, nous avons développé la commande non linéaire fondée sur la platitude d'un système de production éolien et son couplage au réseau. Cette approche permet de faciliter la construction de la loi de commande. Nous avons exposé un réglage simple et intuitif des gains des contrôleurs, reposant sur très peu de paramètres. Les pertes électriques au stator du GSAP sont minimisées, la stratégie de MPPT est réalisée sur la partie de production. Le facteur de puissance de l'énergie injectée sur le réseau électrique est contrôlé à n'importe quelle valeur désirée comprise entre zéro et un. / The problem of the production of renewable energy, ``wind energy in our case'' is related to the adjustment of the amplitude and the frequency of the voltage of the generator driven by the wind turbine. These settings are required to supply the produced electrical power to an electrical network. The advancement of the power electronics used in the power converters (rectifiers, inverters, boost converters, etc.), helped to solve these two problems of adjustment. The challenge of wind generation is to improve the control strategy applied to the converters to increase the quality of the produced power and to minimize the electrical losses of the generator, and therefore to reduce the cost of production system. In this thesis, we developed the nonlinear flatness-based control of a wind generation system. This command is used to facilitate the construction of the control law. We have shown that this command allows the designer to choose the controller gains with few and intuitive tuning parameters. Electrical losses in the stator of the Permanent Magnets Synchronous Generator (PMSG) are minimized, the Maximum Power Point Tracking strategy (MPPT) is applied to the production system and the power factor of the apparent power injected to the grid is controlled to obtain any desired value between zero and one.

Avec la crise pétrolière annoncée depuis quelques années déjà, le recours aux énergies alternatives connait une forte expansion ; parmi elles, l'énergie photovoltaïque, est une technologie prometteuse en termes de sécurité d'approvisionnement et de préservation de l'environnement. Néanmoins, elle présente deux principaux inconvénients : la production d'énergie n'est pas continue et la tension aux bornes des panneaux dépend fortement de la charge connectée. A travers nos travaux de recherche, nous proposons un système photovoltaïque autonome avec stockage permettant de réduire les contraintes citées plus haut. D'une part, un algorithme MPPT (Maximum Power Point Tracking) auto-adaptatif permet aux panneaux photovoltaïques de fonctionner suivant leur tension optimale, fournissant ainsi le maximum de puissance. D'autre part, l'unité de stockage d'électricité a été optimisée : en plus des batteries au plomb conventionnellement utilisées, des supercapacités ont été ajoutées en vue d'obtenir une unité hybride de stockage. Ainsi, les supercapacités remplissent une fonction « puissance » en faisant face aux pics de puissance, et les batteries la fonction « énergie » . L'ajout des supercapacités permet ainsi de mieux préserver les batteries en leur évitant de profondes décharges. Enfin, une gestion globale efficace permet au système de fournir un rendement optimal. / With the oil crisis announced in recent years, the use of alternative energy is experiencing strong growth, among them; photovoltaic energy is a promising technology in terms of supply security and environmental preservation. However, it has two main disadvantages: the production of energy is not continuous and the voltage across the PV panels heavily depends on the connected load. Through our research, we propose an autonomous photovoltaic system with storage to reduce the constraints mentioned above. On one hand, an auto-adaptive MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm allows photovoltaic panels to operate according to their optimal tension, thus providing maximum power. On the other hand, the storage device has been optimized: supercapacitors are added to lead-acid batteries to obtain a hybrid storage unit. Thus, supercapacitors perform a "power" function by facing power peaks, and batteries, an "energy" function. The addition of supercapacitors preserves the batteries by avoiding deep discharge. Finally, an effective overall management allows the system to provide optimal performance.

Este trabalho apresenta um conversor CC - CC baseado em Capacitores Chaveados de 6 fases e tempos intercalados com o objetivo de coletar energia fotovoltaica projetado em tecnologia CMOS de 130 nm para ser usado em aplicações em Internet das Coisas e Nós Sensores. Ele rastreia o máximo ponto de entrega de energia de um painel fotovoltaico policristalino de 3 cm x 3 cm através de modulação da frequência de chaveamento com o objetivo de carregar baterias. A razão da tensão de circuito aberto foi a estratégia de rastreio escolhida. O conversor foi projetado em uma tecnologia CMOS de 130 nm e alcança uma eficiência de 90 % para potencias de entrada maiores do que 30 mW e pode operar com tensões que vão de 1.25 até 1.8 V, resultando em saídas que vão de 2.5 até 3.6, respectivamente. Os circuitos periféricos também incluem uma proteção contra sobre tensão na saída de 3.6 V e circuitos para controle, que consomem um total máximo de potência estática de 850 A em 3.3 V de alimentação. O layout completo ocupa uma área de 300 x 700 m2 de silício. Os únicos componentes não integrados são 6x100 nF capacitores.

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:39:28Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo6905_1.pdf: 3885661 bytes, checksum: fcd58f562637e148348d35d8394e2d26 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2007 / O presente trabalho apresenta uma nova topologia para sistemas de geração fotovoltaicos conectados à rede elétrica. Essa nova topologia agrega funcionalidades adicionais aos sistemas fotovoltaicos buscando melhorar a qualidade da energia no ponto de instalação do sistema. São apresentados aspectos gerais sobre a geração fotovoltaica e dois dos principais métodos de rastreamento do ponto de máxima potência (Perturba e Observa e Condutância Incremental ) são estudados. Uma metodologia para definição dos parâmetros do método Condutância Incremental é definida. Duas teorias para determinação dos sinais de compensação de corrente e tensão são discutidas: a teoria de potência instantânea e a teoria baseada em um sistema de eixos dq ortogonais girando a velocidade síncrona. O modelo matemático completo do sistema é feito em referencial dq para elaboração das estratégias de controle. Resultados de simulação e experimentais do sistema são apresentados e discutidos

Augmenter la durée de vie d'une pile, voire s'en passer est aujourd'hui devenu une obligation pour les microsystèmes. En effet, à cette échelle, le remplacement des piles et leur rejet dans l'environnement sont problématiques. La voie préconisée pour répondre à cet enjeu est d'utiliser des sources d'énergie renouvelables (solaire, thermique et mécanique). Pour cela, nous proposons de développer une plateforme de récupération d'énergie multi-sources/multi-charges (MANAGY) capable de s'adapter à son environnement pour en extraire le maximum d'énergie et répondre à des applications diverses. L'architecture est constituée de chemins directs et de chemins indirects où l'énergie provenant des sources est d'abord transférée dans une unité de stockage avant d'être réutilisée par les charges du microsystème. L'utilisation de cette nouvelle architecture permet d'optimiser le transfert d'énergie entre sources et charges et améliore le rendement du système de 33%. Avant de développer une architecture multi-sources, nous avons cherché à améliorer le rendement de la source photovoltaïque (PV) qui, au vu de l'état de l'art, a la densité de puissance la plus élevée. La recherche du rendement maximum de la source PV revient à la recherche du point de puissance maximum (MPPT). Il existe pour chaque condition d'irradiance, de température, et d'énergie extraites un couple tension-courant permettant à la source de fournir un maximum de puissance (MPP). Grâce à l'utilisation de deux chemins de puissance, nous arrivons simultanément à créer une boucle de régulation faible puissance agissant sur le rapport cyclique du système de gestion d'énergie (MPPT) et une boucle de régulation de la tension de sortie agissant sur le transfert de l'énergie. La modélisation du système nous a permis de spécifier ses performances. Pour atteindre les performances requises, des architectures innovantes ont été réalisées qui ont fait l'objet de trois brevets. De plus, des blocs ne sont activés qu'aux instants de changement d'état du système et sont conçus, quand cela a été possible, avec des transistors fonctionnant en mode faible inversion. Toutes ces optimisations permettent au système de fonctionner sur une large plage de variation de l'éclairement (de conditions intérieures supérieures à 500 lux à extérieures) avec un rendement proche de 90%.