Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work proposes the use of an auxiliary circuit to perform the voltage balancing and reduce the low frequency currents of the DC Bus center point of a three-phase transformerless UPS. The Bus voltage unbalance may occur due to the connection of unbalanced loads and non-idealities of the circuit and may impair the quality of the UPS output voltage. The low frequency current components occur due to the connection of non-linear or unbalanced loads. With the occurrence of these currents, there is an increase in the DC Bus voltage ripple, making it necessary to use a DC Bus with significant capacitance values. Moreover, these currents should increase the losses in the capacitor and deteriorate its lifespan. Thus, it is proposed the use of an auxiliary circuit comprising a switching branch and an inductor, whose function is to reduce the harmonic content from the currents flowing through the central point of the capacitive divider, in addition to ensuring the balancing of the DC Bus voltages. It is carried out the design of a three-phase transformerless UPS and the proposed auxiliary circuit, besides the design of its control systems. Simulation and experimental results demonstrate the procedures developed over this work and validate the functionality of the proposed circuit with respect to its purpose. / Este trabalho propõe a utilização de um circuito auxiliar para realizar o equilíbrio de tensão e redução das correntes de baixa frequência do ponto central do barramento CC de uma UPS trifásica sem transformador. O desequilíbrio de tensão do barramento pode ocorrer devido a conexão de cargas desequilibradas e não-idealidades do circuito e podem prejudicar a qualidade da tensão de saída da UPS. Já as componentes de corrente em baixa frequência ocorrem devido à conexão de cargas não-lineares ou desequilibradas. Com a ocorrência dessas correntes, há um aumento na ondulação de tensão do barramento CC, tornando necessário a utilização de expressivos valores de capacitância. Além disso essas correntes devem aumentar as perdas nos capacitores e deteriorar sua vida útil. Dessa forma, propõe-se a utilização de um circuito auxiliar composto por um braço de interruptores e um indutor, cuja função é reduzir o conteúdo harmônico proveniente das correntes que circulam pelo ponto central do divisor capacitivo, além de assegurar o equilíbrio das tensões do barramento CC. É realizado o dimensionamento de uma UPS trifásica sem transformador e do circuito auxiliar proposto, bem como o projeto dos sistemas de controle dos mesmos. Resultados de simulação e experimentais comprovam os procedimentos desenvolvidos ao longo do trabalho, bem como validam a funcionalidade do circuito proposto com relação a sua finalidade.

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.

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.