Orientador: Paulo José Amaral Serni / Banca: Wilson Komatsu / Banca: Fernando Pinhabel Marafão / Resumo: Dentre as muitas topologias de condicionadores de energia disponíveis na literatura, destaque especial tem sido dado aos filtros ativos de potência, dispositivos tipicamente eletrônicos, controlados digitalmente. Neste sentido, as topologias mais estudadas são as de filtros ativos paralelos, filtros ativos série e filtros ativos universais (série-paralelo). Neste trabalho, foi dada atenção especial ao estudo de um filtro ativo universal, também conhecido coo Condicionador Unificado de Qualidade de Energia (CUQE) ou em inglês, Unified Power Quality Conditioner (UPQC). Assim, dentre os muitos assuntos que permeiam o projeto e implementação deste dispositivo, este trabalho propõe novos algoritmos para a geração de referência dos conversores eletrônicos, bem como algoritmos de inicialização e proteção do CUQE. Os algoritmos de referênciasão baseados em técnicas de álgebra vetorial e filtragem digital, enquantoas rotinas de inicialização e proteção visam à solução de problemas de ordem prática, para que o dispositivo possa ser utilizado em ambiente industrial, como produto. Um estudo sobre os controladores de tensão e corrente também foi realizado e as técnicas mais adequadas estão descritas no trabalho. Destaca-se que todos os algoritmos de geração de referência, proteção, inicialização e os controladores foram avaliados e validados por meio de simulações computacionais e resultados experimentais. No caso dos resultados experimentais, foram realizados ensaios em malha aberta para validação dos algoritmos de referência, bem como ensaios em um protótipo de CUQE, de potência igual a 75 KVA, os quais validaram o desempenho de todos os algoritmos desenvolvidos em um dispositivo real para aplicações industriais / Abstract: Among different topologies of power conditioners found in literature, special emphasis has been given to active power filters (typically power electronic devices with digital control). In this sense, the most studied topologies have been the parallel active filters, the series active filters and the unified active filters (series-parallel). In this work, special attention was given to the study of a Unified Power Quality Conditioner (UPQC). Thus, among many issues that underline the design and implementation of this device, this dissertation proposes new algoritmos for the generation of voltage and current references to the applied power converters, as well algoritmos for the initialization and protection of the UPQC. The reference algorithms are based on vector algebra and digital filtering techniques, while the initialization and protection routines aimed to solve practical problems, so the device can be used in and industrial environment, as a commercial product. The voltage and current controllers were also studied and the most suitable techniques are described. It is noteworthy that all proposed algorithms and controllers have been evaluated and validated by means of computer simulations and experimental results. The experimental validation were performance by means of open loop tests, as well as considering an UPQC prototype (75 KVA rated) in order to validate the overall UPQC development and the performance of the proposed algorithms / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:34Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-08-19Bitstream added on 2014-06-13T20:29:07Z : No. of bitstreams: 1 terrazas_tm_me_bauru.pdf: 4348012 bytes, checksum: 27e94d130fad8ef6a3527dccde1db635 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Dentre as muitas topologias de condicionadores de energia disponíveis na literatura, destaque especial tem sido dado aos filtros ativos de potência, dispositivos tipicamente eletrônicos, controlados digitalmente. Neste sentido, as topologias mais estudadas são as de filtros ativos paralelos, filtros ativos série e filtros ativos universais (série-paralelo). Neste trabalho, foi dada atenção especial ao estudo de um filtro ativo universal, também conhecido coo Condicionador Unificado de Qualidade de Energia (CUQE) ou em inglês, Unified Power Quality Conditioner (UPQC). Assim, dentre os muitos assuntos que permeiam o projeto e implementação deste dispositivo, este trabalho propõe novos algoritmos para a geração de referência dos conversores eletrônicos, bem como algoritmos de inicialização e proteção do CUQE. Os algoritmos de referênciasão baseados em técnicas de álgebra vetorial e filtragem digital, enquantoas rotinas de inicialização e proteção visam à solução de problemas de ordem prática, para que o dispositivo possa ser utilizado em ambiente industrial, como produto. Um estudo sobre os controladores de tensão e corrente também foi realizado e as técnicas mais adequadas estão descritas no trabalho. Destaca-se que todos os algoritmos de geração de referência, proteção, inicialização e os controladores foram avaliados e validados por meio de simulações computacionais e resultados experimentais. No caso dos resultados experimentais, foram realizados ensaios em malha aberta para validação dos algoritmos de referência, bem como ensaios em um protótipo de CUQE, de potência igual a 75 KVA, os quais validaram o desempenho de todos os algoritmos desenvolvidos em um dispositivo real para aplicações industriais / Among different topologies of power conditioners found in literature, special emphasis has been given to active power filters (typically power electronic devices with digital control). In this sense, the most studied topologies have been the parallel active filters, the series active filters and the unified active filters (series-parallel). In this work, special attention was given to the study of a Unified Power Quality Conditioner (UPQC). Thus, among many issues that underline the design and implementation of this device, this dissertation proposes new algoritmos for the generation of voltage and current references to the applied power converters, as well algoritmos for the initialization and protection of the UPQC. The reference algorithms are based on vector algebra and digital filtering techniques, while the initialization and protection routines aimed to solve practical problems, so the device can be used in and industrial environment, as a commercial product. The voltage and current controllers were also studied and the most suitable techniques are described. It is noteworthy that all proposed algorithms and controllers have been evaluated and validated by means of computer simulations and experimental results. The experimental validation were performance by means of open loop tests, as well as considering an UPQC prototype (75 KVA rated) in order to validate the overall UPQC development and the performance of the proposed algorithms

Este trabalho apresenta o estudo, análise e a implementação de três topologias de condicionadores ativos de energia elétrica, utilizados para a melhoria da qualidade da energia em sistemas elétricos trifásicos a quatro fios. Estes condicionadores de qualidade de energia podem trabalhar tanto como um condicionador unificado de qualidade de energia (UPQC), bem como uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS), permitindo: (i) a supressão das correntes harmônicas da carga; (ii) a compensação de energia reativa da carga; (iii) compensação dos desequilíbrios das correntes de carga; (iv) a compensação de desequilíbrios de tensão da rede; (v) supressão das tensões harmônicas da rede elétrica; (vi) a regulação das tensões de saída (tensões de carga); e (vii) fornecimento de energia ininterrupta para as cargas críticas (sistema UPS). Dentre as três topologias de UPQC/UPS estudadas, uma delas é proposta neste trabalho com o intuito de reduzir a tensão no barramento CC. Além disso, todas as topologias em estudo são constituídas por dois conversores PWM, nos quais é adotada uma estratégia de controle dual. Desse modo, o conversor colocado em paralelo com a carga, funciona como uma fonte de tensão senoidal, enquanto que o conversor colocado em série entre a rede elétrica e a carga, é controlado para operar como uma fonte de corrente senoidal. Tanto os controladores de tensão, quanto os de corrente são implementados no referencial síncrono dq0. Além disso, a técnica de modulação vetorial espacial tridimensional (3-D-SVM) é empregada nos conversores. Testes experimentais são apresentados para validar o desenvolvimento teórico e verificar o bom desempenho estático e dinâmico dos condicionadores ativos de energia elétrica, operando como UPQC, bem como sistema UPS. / This work presents the study, analysis and implementation of three topologies of active power conditioners, which are used to improve the power quality in three-phase four-wire systems. These power quality conditioner can work as unified power quality conditioner (UPQC), as well as an uninterruptible power supply (UPS) system allowing: (i) suppression of load harmonic currents; (ii) compensation of load reactive power; (iii) load unbalances compensation; (iv) utility voltage unbalances compensation; (v) utility voltage harmonics suppression; (vi) regulation of the output voltages (load voltages); and (vii) uninterruptible power for critical loads when working as UPS system. Among the three topologies of UPQC/UPS studied, one of them is proposed in this work in order to reduce the DC-bus voltage. Besides, all the topologies are comprised of two PWM converters, where a dual control strategy is adopted. The first converter, which is placed in parallel with the load, operates as a sinusoidal voltage source, while the second, which is placed in series between the utility grid and the load, is controlled to operate as a sinusoidal current source. Both the voltage and current controllers are implemented into the synchronous rotating reference frame (dq0-axes). In addition, the series and parallel converters use the three-dimensional space vector modulation (3-D-SVM) technique. The experimental tests are presented to validate the theoretical development and to verify the effective static and dynamic performance of the proposed active power conditioners, operating as UPQC and UPS.

Este trabalho apresenta o estudo, análise e a implementação de três topologias de condicionadores ativos de energia elétrica, utilizados para a melhoria da qualidade da energia em sistemas elétricos trifásicos a quatro fios. Estes condicionadores de qualidade de energia podem trabalhar tanto como um condicionador unificado de qualidade de energia (UPQC), bem como uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS), permitindo: (i) a supressão das correntes harmônicas da carga; (ii) a compensação de energia reativa da carga; (iii) compensação dos desequilíbrios das correntes de carga; (iv) a compensação de desequilíbrios de tensão da rede; (v) supressão das tensões harmônicas da rede elétrica; (vi) a regulação das tensões de saída (tensões de carga); e (vii) fornecimento de energia ininterrupta para as cargas críticas (sistema UPS). Dentre as três topologias de UPQC/UPS estudadas, uma delas é proposta neste trabalho com o intuito de reduzir a tensão no barramento CC. Além disso, todas as topologias em estudo são constituídas por dois conversores PWM, nos quais é adotada uma estratégia de controle dual. Desse modo, o conversor colocado em paralelo com a carga, funciona como uma fonte de tensão senoidal, enquanto que o conversor colocado em série entre a rede elétrica e a carga, é controlado para operar como uma fonte de corrente senoidal. Tanto os controladores de tensão, quanto os de corrente são implementados no referencial síncrono dq0. Além disso, a técnica de modulação vetorial espacial tridimensional (3-D-SVM) é empregada nos conversores. Testes experimentais são apresentados para validar o desenvolvimento teórico e verificar o bom desempenho estático e dinâmico dos condicionadores ativos de energia elétrica, operando como UPQC, bem como sistema UPS. / This work presents the study, analysis and implementation of three topologies of active power conditioners, which are used to improve the power quality in three-phase four-wire systems. These power quality conditioner can work as unified power quality conditioner (UPQC), as well as an uninterruptible power supply (UPS) system allowing: (i) suppression of load harmonic currents; (ii) compensation of load reactive power; (iii) load unbalances compensation; (iv) utility voltage unbalances compensation; (v) utility voltage harmonics suppression; (vi) regulation of the output voltages (load voltages); and (vii) uninterruptible power for critical loads when working as UPS system. Among the three topologies of UPQC/UPS studied, one of them is proposed in this work in order to reduce the DC-bus voltage. Besides, all the topologies are comprised of two PWM converters, where a dual control strategy is adopted. The first converter, which is placed in parallel with the load, operates as a sinusoidal voltage source, while the second, which is placed in series between the utility grid and the load, is controlled to operate as a sinusoidal current source. Both the voltage and current controllers are implemented into the synchronous rotating reference frame (dq0-axes). In addition, the series and parallel converters use the three-dimensional space vector modulation (3-D-SVM) technique. The experimental tests are presented to validate the theoretical development and to verify the effective static and dynamic performance of the proposed active power conditioners, operating as UPQC and UPS.

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

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Este trabalho propÃe o projeto de uma UPQC-UPS monofÃsica de 1,4 kVA e alta eficiÃncia com capacidade de filtragem ativa atravÃs de dois conversores conectados em sÃrie e em paralelo. Com esta topologia, à possÃvel obter uma elevada eficiÃncia e combinar as vantagens dos tipos de UPS on-line e line-interactive, melhorando, ao mesmo tempo, a qualidade de energia da rede e protegendo as cargas de harmÃnicos e oscilaÃÃes de tensÃo. As referÃncias de compensaÃÃo dos conversores sÃrie e paralelo sÃo gerados utilizando a Teoria p-q, que propÃem um conjunto de definiÃÃes para lidar com sistemas elÃtricos sob condiÃÃes nÃo-senoidais. De acordo com os resultados de simulaÃÃo, foi comprovado que, quando os conversores sÃrie e paralelo estÃo em funcionamento, a corrente de entrada do sistema possui baixa taxa de distorÃÃo harmÃnica (TDHi) e o sistema apresenta um fator de potÃncia elevado, mesmo para cargas nÃo-lineares. AlÃm disso, à fornecida à carga uma tensÃo senoidal com baixa taxa de distorÃÃo harmÃnica (TDHv) e com valor eficaz fixo mesmo com oscilaÃÃes na tensÃo de entrada, tanto no modo rede como no modo bateria. SimulaÃÃes foram desenvolvidas no software PSCAD/EMTDC. / This work proposes the design of an UPQC-UPS high efficiency single phase 1.4 kVA with active filter capabilities throughout the parallel and series converters. With this topology, it is possible to obtain high efficiency and combine the advantages of both on-line and line interactive UPS systems improving, at the same time, the grid energy quality. The series/parallel compensation references were generated using the p-q Theory which defines a joint of power definitions to deal with electric systems under non-sinusoidal conditions. According to the simulation results, it was shown that the system input current has a low total harmonic distortion (THDi) and it presents high power factor. Also, the load voltage has a sinusoidal shape with low total harmonic distortion (THDv), both in its grid and battery mode operation. Such simulations were developed in the software PSCAD/EMTDC.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Fixed speed wind turbines completely dominated the market until the mid-1990s and currently. Although most installed wind turbine are variable speed, many fixed speed wind are still in operation. In this context, this work presents a study concerned to coordinated operation of FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) device with fixed speed wind energy conversion system (WECS) equipped with a squirrel cage induction generator. The applied FACTS device is based on the control strategy of the Unified Conditioner Power Quality with inverted topology (i-UPQC), and consists of two static converters connected in back-to-back topology. A model was developed in the software PSCAD/EMTDC, tested under four different scenarios and discussed in order to validate the presented theory. The i-UPQC performance was analyzed for improving voltage quality in the point of common coupling (PCC), reduction of the harmonic currents drained from the wind turbine, and increasing the induction generator capacity to remain connected during a momentary collapse in the grid voltage. The i-UPQC presented good performance due to its capability to warrant the quality in the PCC voltage in spite of the wind variation and that the voltage sags at the PCC do not change the stator voltages. About the generator current, the i-UPQC has kept the stator current free of harmonic components and the effect of unbalanced loads. Under normal operation it was demonstrated that one of the I-UPQC converters can be sized as 50\% of the generator rated power, which is an advantage for real implementation. A comparison between two ways to connect the I-UPQC to the grid, along with the wind turbine, was made. The series converter connected between the wind turbine and the parallel converter, or between parallel converter and the common connection point (PCC). It was concluded that the shunt converter connected to the generator presents better performance than the series converter due to series converter currents are less than the stator currents. Under this configuration, there is no active power current from the generator injected in the PCC during voltage sags. / Turbinas de velocidade fixa dominaram completamente o mercado atà meados de 1990 e atualmente, apesar da maioria dos aerogeradores instalados serem de velocidade variÃvel, muitos aerogeradores de velocidade fixa ainda se encontram em funcionamento. Neste contexto, este trabalho apresenta um estudo sobre a operaÃÃo coordenada de um dispositivo FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) com um aerogerador de velocidade fixa, equipado com gerador de induÃÃo gaiola de esquilo. O dispositivo FACTS aplicado baseia-se na estratÃgia de controle do Condicionador Unificado de Qualidade de Energia com topologia invertida (i-UPQC, do inglÃs, Unified Power Quality Conditioner with inverted topology), e consiste de dois conversores estÃticos na configuraÃÃo back-to-back. Um modelo foi desenvolvido no software PSCAD/EMTDC e quatro cenÃrios diferentes foram simulados e discutidos a fim de validar a teoria apresentada. A partir dos resultados de simulaÃÃo, foi analisado o desempenho do i-UPQC para melhoria da qualidade da tensÃo no Ponto de ConexÃo Comum (PCC), diminuiÃÃo das correntes harmÃnicas drenadas do aerogerador e aumento da capacidade do gerador de induÃÃo de se manter conectado durante um afundamento momentÃneo da tensÃo da rede. O i-UPQC atuou de forma satisfatÃria, pois nÃo permitiu que variaÃÃes na velocidade do vento afetassem a qualidade da tensÃo fornecida ao PCC, nem que o afundamento da tensÃo no PCC alterasse a tensÃo nos terminais do estator. Quando cargas nÃo lineares foram adicionadas no sistema, o i-UPQC manteve a corrente do estator livre das componentes harmÃnicas e desbalanÃos presentes na corrente da carga. Demonstrou-se que, em condiÃÃes normais de operaÃÃo, um dos conversores do i-UPQC pode ser especificado para 50\% da potÃncia nominal do aerogerador, o que pode representar uma vantagem do i-UPQC para o caso de uma implementaÃÃo real. Foi feita uma comparaÃÃo entre duas diferentes configuraÃÃes de conexÃo do i-UPQC com o aerogerador e a rede: ora com o conversor paralelo conectado entre o conversor sÃrie e o ponto de conexÃo comum (PCC), ora conectado entre o aerogerador e o conversor sÃrie. Concluiu-se que a configuraÃÃo com o conversor paralelo conectado ao aerogerador à mais vantajosa, pois a corrente que circula atravÃs do conversor sÃrie à menor que a corrente do estator. Nesta configuraÃÃo, nenhuma corrente referente à potÃncia ativa do aerogerador à injetada no PCC durante um afundamento de tensÃo.

Este trabalho propõe um sistema fotovoltaico (PV) multifuncional conectado a um sistema elétrico trifásico a quatro fios e operando com estratégia dual de compensação ativa de potência. Além da injeção de potência ativa na rede elétrica, o sistema PV operara como um condicionador unificado de qualidade de energia (UPQC) suprimindo as correntes harmônicas da carga e compensando a potência reativa. Adicionalmente, tensões balanceadas, reguladas e livre de harmônicos são fornecidas para a carga. O sistema PV-UPQC é baseado em uma estratégia de compensação dual, na qual o conversor série opera como uma fonte de corrente senoidal, enquanto o conversor paralelo atua como uma fonte de tensão senoidal. Como resultado, nenhum comportamento transitório é observado na troca entre os modos de operação ilhado e interconectado do sistema PV-UPQC. Além disso, para contornar os problemas associados às mudanças bruscas de irradiação solar, uma malha de controle feed-forward atua na geração das referências de corrente do conversor série, de modo que se obtenha um rápido balanço de potência entre o sistema PV e a rede elétrica. Como resultado, as respostas dinâmicas tanto da corrente elétrica quanto da tensão do barramento CC são melhoradas. A análise detalhada envolvendo o fluxo de potência ativa dos inversores é realizada proporcionando um melhor entendimento sobre a operação do sistema PV-UPQC, bem como auxiliando no dimensionamento dos conversores de potência. Resultados de simulação e experimentais são apresentados para avaliar os desempenhos estáticos e dinâmicos do PV-UPQC conectado ao sistema elétrico de distribuição. / This work proposes a multifunctional single-stage three-phase four-wire grid-connected photovoltaic (PV) system operating with a dual active power-line compensating strategy. Besides injection of active power into the grid, the PV system operates as a unified power quality conditioner (UPQC), suppressing the load harmonic currents and compensating reactive power. Additionally, regulated, balanced and harmonic free output voltages are provided to the load. Since the PV-UPQC is based on a dual compensation strategy, the series converter operates as a sinusoidal current source, whereas the parallel converter operates as a sinusoidal voltage source. Thus, seamless transition can be achieved from the interconnected to the islanding operation modes, and vice-versa, without load voltage transients. Moreover, to overcome problems associated with sudden solar irradiation changes, fast power balance involving the PV array and the grid is obtained, since the feed-forward control loop acts on the generation of the series inverter current references. As a result, the dynamic responses of both inverter currents and dc-bus voltage are improved. Detailed analysis involving the active power flow through the inverters is performed allowing proper understanding of the PV-UPQC operation, as well as assisting to design of the power converters. Simulation and experimental results are presented to evaluate both dynamic and static performances of the PV-UPQC tied to the electrical distribution system.

Este trabalho propõe um sistema fotovoltaico (PV) multifuncional conectado a um sistema elétrico trifásico a quatro fios e operando com estratégia dual de compensação ativa de potência. Além da injeção de potência ativa na rede elétrica, o sistema PV operara como um condicionador unificado de qualidade de energia (UPQC) suprimindo as correntes harmônicas da carga e compensando a potência reativa. Adicionalmente, tensões balanceadas, reguladas e livre de harmônicos são fornecidas para a carga. O sistema PV-UPQC é baseado em uma estratégia de compensação dual, na qual o conversor série opera como uma fonte de corrente senoidal, enquanto o conversor paralelo atua como uma fonte de tensão senoidal. Como resultado, nenhum comportamento transitório é observado na troca entre os modos de operação ilhado e interconectado do sistema PV-UPQC. Além disso, para contornar os problemas associados às mudanças bruscas de irradiação solar, uma malha de controle feed-forward atua na geração das referências de corrente do conversor série, de modo que se obtenha um rápido balanço de potência entre o sistema PV e a rede elétrica. Como resultado, as respostas dinâmicas tanto da corrente elétrica quanto da tensão do barramento CC são melhoradas. A análise detalhada envolvendo o fluxo de potência ativa dos inversores é realizada proporcionando um melhor entendimento sobre a operação do sistema PV-UPQC, bem como auxiliando no dimensionamento dos conversores de potência. Resultados de simulação e experimentais são apresentados para avaliar os desempenhos estáticos e dinâmicos do PV-UPQC conectado ao sistema elétrico de distribuição. / This work proposes a multifunctional single-stage three-phase four-wire grid-connected photovoltaic (PV) system operating with a dual active power-line compensating strategy. Besides injection of active power into the grid, the PV system operates as a unified power quality conditioner (UPQC), suppressing the load harmonic currents and compensating reactive power. Additionally, regulated, balanced and harmonic free output voltages are provided to the load. Since the PV-UPQC is based on a dual compensation strategy, the series converter operates as a sinusoidal current source, whereas the parallel converter operates as a sinusoidal voltage source. Thus, seamless transition can be achieved from the interconnected to the islanding operation modes, and vice-versa, without load voltage transients. Moreover, to overcome problems associated with sudden solar irradiation changes, fast power balance involving the PV array and the grid is obtained, since the feed-forward control loop acts on the generation of the series inverter current references. As a result, the dynamic responses of both inverter currents and dc-bus voltage are improved. Detailed analysis involving the active power flow through the inverters is performed allowing proper understanding of the PV-UPQC operation, as well as assisting to design of the power converters. Simulation and experimental results are presented to evaluate both dynamic and static performances of the PV-UPQC tied to the electrical distribution system.