This thesis deals with quantifying the merits of Distributed Maximum Power Point Tracking (DMPPT), as well as providing solutions to achieve DMPPT in PV systems. A general method based on 3D modeling is developed to determine the energy yield of PV installations exploiting different levels of DMPPT granularity. Sub-string-level DMPPT is shown to have up to 30% more annual energy yield than panel-level DMPPT. A Multi-Input-Single-Output (MISO) dc-dc converter is proposed to achieve DMPPT in parallel-connected applications. A digital current-mode controller is used to operate the MISO converter in pseudo-CCM mode. For series-connected applications, the virtualparallel concept is introduced to utilize the robustness of the parallel connection. This concept is demonstrated on a three-phase boost converter. The topology offers reduced output voltage ripple under shading which increases the life-time of the output capacitor. The prototypes yield output power benefits of up to 46% and 20% for the tested shading conditions.

This master work was focused on modelling and investigation of a photovoltaic module which operates in non-uniform solar irradiance and temperature changes which is typical to Lithuanian climate. 60 polycrystalline silicon cells were used to model photovoltaic module. Matlab®/Simulink® was used for modelling and calculating the whole system. To generate solar insolation curve, the latitude, longitude of the geographic place and a number of days in a year have to be selected. Buck-boost DC-DC converter and hill-climbing maximum power point tracking algorithm was used to produce maximum power point of the photovoltaic module. Modeled system has reached 93.95 % of maximum power from the photovoltaic module. Structure: introduction, review of maximum power point algorithms, system modelling, research results, conclusions, references. The thesis consists of: 60 pages, 41 figures, 16 tables, 37 references. Appendixes included. / Šiame magistro darbe buvo sumodeliuotas ir ištirtas fotovoltinio modulio veikimas, veikiant Lietuvoje būdingiems saulės apšvietos ir temperatūros pokyčiams. Fotovoltinį modulį sudaro 60 polikristalinių silicio celių sujungtų nuosekliai sistema. Modeliavimui ir skaičiavimas atlikti buvo naudojamas Matlab®/Simulink® programinės įrangos paketas. Įvedus vietos ilgumą, platumą ir pasirinkus metų dieną sugeneruojama saulės apšvietos kreivė paros bėgyje. Išgauti maksimalią galią iš fotovoltinio elemento buvo pasirinkta „buck-boost“ tipo įtampos keitiklis ir „Kalno-kilimo“ didžiausios galios taško algoritmas. Naudojant pasirinkto tipo įtampos keitiklį ir algoritmą galima pasiekti iki 93,95 % maksimalios galios. Darbą sudaro 7 dalys: įvadas, maksimalios galios algoritmų literatūros apžvalga, sistemos modeliavimas, maksimalios galios algoritmo sudarymas, rezultatai, išvados, literatūros sąrašas. Darbo apimtis 60 puslapiai, 2 priedai, 41 iliustracijų 16 lentelių, 37 bibliografiniai šaltiniai.

Os controladores Proporcional+Integral+Derivativo (PID) são largamente empregados na indústria devido à sua estrutura contendo ações integral e derivativa e por possuir ordem fixa. Na literatura, encontram-se vários métodos para a sua sintonia. Nesse trabalho é apresentada uma forma de obter a sintonia do PID utilizando o índice de desempenho H∞ de forma não-iterativa. Essa sintonia é feita utilizando-se a representação em espaço de estado na forma canônica controlável. No entanto, como trata-se de um controlador de ordem fixa, variações na planta podem interferir de forma significativa no desempenho desejado e precisam ser compensadas. Assim, propõe-se também uma adaptação dos parâmetros do PID de modo a manter a função de transferência de malha fechada o mais próximo possível da nominal utilizada na sintonia. Para isso, modela-se a estrutura de controle como um sistema linear sobre-determinado com restrições lineares, advindos de conjuntos estabilizantes baseados no conceito de assinatura Hurwitz, e utiliza-se um método de otimização quadrática para obter os parâmetros do controlador. Para circunvir o conservadorismo da norma H∞, um método para mitigar apenas o efeito de algumas harmônicas na saída do sistema também é proposto, restringindo-se a sensibilidade do sistema que é representada por elipses no lugar geométrico dos ganhos estabilizantes do PID. Simulações no software Matlab, Simulink e PSIM foram utilizadas para validar os modelos e metodologias propostas. Resultados experimentais demonstraram a eficácia do método para mitigação de harmônicos em um conversor CC–CC do tipo boost. / Proportional + integral + derivative (PID) controllers are widely used in the industry due to their structure containing integral and derivative actions and for having a fixed order. In the literature, there are several methods for PID tuning. In this work it is presented a way to obtain PID tuning using a non-iterative H∞ design. This tuning is done using the state-space representation in the controllable canonical form. However, because it is a fixed-order controller, plant variations can significantly interfere with the desired performance and need to be compensated. Thus, it is also proposed to adapt the PID parameters so as to keep the closed-loop transfer function as close as possible to the nominal used in the tuning. For this, the control structure is modeled as an over-determined linear system with linear constraints, derived from stabilizing sets based on the Hurwitz signature concept, and a quadratic optimization method is used to obtain the controller parameters. In order to circumvent the conservatism of the norm H∞, a method to mitigate only the effect of selected harmonics on the output of the system is also proposed, constraining the sensitivity function of the system which is represented by ellipses in the stabilizing gains locus of the PID. Simulations in Matlab, Simulink and PSIM softwares were used to validate the proposed models and methodologies. Experimental results demonstrated the effectiveness of the harmonic mitigation method in a boost DC–DC converter.

<div> Recent advancements of health monitoring sensing technologies are enabling plethora of new applications in a variety of biomedical areas. In this work, we present a new sensing technology that enables a fully autonomous monitoring of urinary tract infection (UTI). UTI is the second most common infection in the human body caused by bacterial pathogens, and costs millions of dollars each year to the patients and the health care industry. UTI is easily treatable using antibiotics if identified in early stages. However, when early stage identification is missed, UTI can be a major source of serious complications such as ascending infections, loss of kidney function, bacteremia, and sepsis. Unfortunately, the limitations of existing UTI monitoring technologies such as high cost, time-intensive sample preparation, and relatively high false alarm rate prohibit reliable detection of UTI in early stages. The problem becomes more serious in certain patient groups such as infants and geriatric patients suffering from neurodegenerative diseases, who have difficulties in realizing the symptoms and communicating the symptoms with their caregivers. In addition to the aforementioned difficulties, the fact that UTI is often asymptomatic makes early stage identifications quite challenging, and the reliable monitoring and detection of UTI in early stages remain as a serious problem.</div><div> To address these issues, we propose a diaper-embedded, self-powered, and fully autonomous UTI monitoring sensor module that enables autonomous monitoring and detection of UTI in early stages with minimal effort. The sensor module consists of a paper-based colorimetric nitrite sensor, urine-activated batteries, a boost dc-dc converter, a low-power sensor interface utilizing pulse width modulation, a Bluetooth low energy module for wireless transmission, and a software performing calibration at run-time. </div><div> To further optimize the sensor module, a new fully integrated DC-DC converter with low-profile and low ripple is developed. The proposed DC-DC converter maintains an extremely low level of output voltage ripples in the face of different battery output voltages, which is crucial for realizing low-noise sensor interfaces. Since the DC-DC converter is a part of a module embedded into a diaper, it is highly desirable for the DC-DC converter to have a small physical form factor in both area and height. To address this issue, the proposed DC-DC converter adopts a new charge recycling technique that enables a fully integrated design without utilizing any off-chip components. In addition, the DC-DC converter utilizes sub-module sharing techniques – multiple modules share a voltage buffer and a recycle capacitor to reduce power consumption and save chip area. The DC-DC converter provides a regulated voltage of 1.2V and achieves a maximum efficiency of 80% with a 300ohm load resistance. The output voltage ripple is in the range of 19.6mV to 26.6mV for an input voltage ranging from 0.66 to 0.86V.<br></div>

Este trabalho, constitui-se em uma contribuição para o estudo das estratégias de mo-dulação direta baseadas em histerese e que funcionam em frequência fixa de comutação. Tem como objetivo principal propor a estratégia delta modificada, que diferencia-se na forma de ajuste da largura de banda de histerese, alterando-se seus limites e em como executa o comando de bloqueio das chaves de potência, para que a corrente de saída se mantenha em frequência fixa de operação e apresente rápida resposta dinâmica no sistema controlado. Para tanto, não necessita da utilização de derivadas, nem de uma corrente média de referência, tão pouco, se utiliza dos tempos de comutação. A estratégia proposta, comprova que é possível produzir os adequados pulsos de comando para o processamento da energia proveniente de célula combustível, através do conversor estático de potência, utilizando-se, principalmente, dos valores de ultrapassagem nos limites estabelecidos de histerese. Como objetivo secundário desta pesquisa, desenvolve-se um conversor CC/CC auxiliar para adaptar e estabilizar a energia proveniente da CAC, compondo-se um sistema útil que serve de base para fornecer energia, aos mais diversos tipos de cargas em CC. Além disso, apresenta-se uma revisão das estratégias de modulação em modo direto para o controle da corrente de saída no conversor estático, tendo como base a tensão nos terminais de um indutor. Contudo, outras estratégias são naturalmente citadas, no transcorrer deste trabalho, devido haver combinações entre as diferentes estratégias moduladoras e controladoras comentadas. / This work, is a contribution to the study of direct modulation strategies based on hysteresis and that operate at fixed switching frequency. Its main objective is to propose the modified delta strategy, which differentiates from the others strategies in the form of adjustment of hysteresis bandwidth, changing its limits and in executing the locking command of the power keys, so that the output current is maintain at fixed frequency of operation and a rapid dynamic response in the controlled system. In order to do so, it does not require the use of derivatives or a reference average current and also the switching times are not used. This strategy shows that it is possible to produce the appropriate command pulses for the processing of fuel cell energy by the static power converter using mainly the exceedance limit values. As a secondary objective of this research, an auxiliary DC/DC converter is developed to adapt and stabilize the energy coming from the fuel cell, forming a useful system that serves as a base to supply power to the most diverse types of DC loads. In addition, we present a review of the direct-mode modulation strategies for the control of the output current in the static converter, updating data, and based on the voltage at the terminals of an inductor; how-ever, others strategies are naturally cited because there are combinations between the different modulating strategies and controllers commented on in the course of this work.

O presente trabalho aborda a análise e o desenvolvimento de conversores CC-CC com alto ganho de tensão, para aplicações com fontes de energia de baixíssima tensão, porém capazes de fornecer altas correntes, como: painéis fotovoltaicos, células a combustível e baterias. O principal objetivo deste trabalho é elevar a tensão de uma única célula a combustível até um nível adequado de tensão para realizar a carga de uma bateria com tensão nominal de aproximadamente 12 V, de modo eficiente, com baixa ondulação na corrente de entrada do conversor e com baixa ondulação na tensão de saída. Para alcançar o objetivo proposto, dezenas de topologias de conversores foram estudadas, analisadas, simuladas e implementadas. O trabalho também apresenta uma comparação entre topologias de conversores CC-CC que realizam a transferência de energia por meio de indutores acoplados, com uma topologia de conversor que opera com transferência direta de energia por meio de um transformador. Por fim, os resultados experimentais são apresentados com o intuito de validar os resultados simulados e teóricos. / This work shows the analysis and development of DC-DC converters with high voltage gain, for applications with energy sources of low input voltage, but capable of providing high currents, such as: photovoltaic panels, fuel cells and batteries. The main objective of this work is to raise the voltage of a single fuel cell to a suitable vol-tage level to efficiently charge a battery with rated voltage of approximately 12 V, with low current ripple in the converter and with low output voltage ripple. To achieve the proposed objective, dozens of topologies of converters were studied, analyzed, simulated and implemented. This work shows a comparison between topologies of DC-DC converters that perform power transfer via coupled inductors, with a converter topology operating with direct energy transfer through a transformer. Finally, experimental results are presented in order to validate the theoretical and simulated results.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O presente trabalho apresenta o estudo de um conversor CC/CC com dois estÃgios para aplicaÃÃo no desenvolvimento de sistemas autÃnomos de energia elÃtrica. O conversor sob estudo consiste basicamente da associaÃÃo de dois conversores CC/CC, em que entre eles à inserido um banco de baterias para dar continuidade ao fornecimento de energia em perÃodos em que nÃo hà radiaÃÃo solar. Todos os conversores utilizados para a composiÃÃo do sistema sÃo do tipo boost utilizando a cÃlula de comutaÃÃo de trÃs estados (CCTE). O primeiro conversor tem a funÃÃo enviar energia desde os painÃis fotovoltaicos a um banco de baterias de 48 V e permitir a operaÃÃo dos painÃis fotovoltaicos no ponto de mÃxima potÃncia (MPP- Maximum Power Point). O segundo estÃgio à constituÃdo por um conversor de alto ganho de tensÃo, cujo papel à elevar a tensÃo do banco de baterias de 48 V para uma tensÃo de 400 Vcc, formando assim o barramento de saÃda do sistema em tensÃo contÃnua. Para garantir a regulaÃÃo da tensÃo em 400 Vcc, foi implementada a tÃcnica de controle LQR (Linear Quadratic Regulator). Para o projeto do controle LQR à utilizado uma metodologia simplificada para a obtenÃÃo de um modelo reduzido do conversor de alto ganho de tensÃo. Para cada estÃgio à apresentado seu estudo teÃrico, anÃlise de perdas e dimensionamento dos componentes para o atendimento das especificaÃÃes de projeto. Para verificar a anÃlise teÃrica foi montado um protÃtipo para cada estÃgio e os resultados experimentais sÃo apresentados neste trabalho. / This work presents a study of a DC/DC converter with two stages for implementation of a stand-alone photovoltaic power system. The converter under study consists of two DC/DC converters, in which between them is inserted a battery bank to give continuity to the energy supply in periods when there isnât solar radiation. All converters used for the composition of the system are of type boost based on the three-state switching cell (TSSC). The first converter has function of to send energy from photovoltaic panels to a battery bank of 48 V formed by four batteries of 12V connected in series, and its function is to allow the photovoltaic panels operation at the maximum power point (MPP). The second stage consists of a converter of high voltage gain, whose role is to raise the 48 V battery bank voltage to 400V DC output bus voltage. To ensure the regulation of voltage at 400 V DC, was implemented the control LQR (Linear Quadratic Regulator). To design the controller LQR, a simplified methodology to obtain a model of the high-gain voltage converter is used. For each stage is presented its theoretical study, analysis and the components were designed and specified. To verify the theoretical analysis, was developed a prototype for each stage and the experimental results are presented in this work.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / With global need to reduce energy consumption, the search for more efficient technologies has become the focus of many studies. Among these technologies, it can mention the photovoltaic solar energy and LEDs, which have shown an expansion in recent decades. Photovoltaic generation is shown as an attractive energy source because it is renewable and its raw material is practically inexhaustible. While LEDs have a promising advance in lighting and is used in several applications. To integrate these technologies, this paper proposes the study of a DC-DC step-up switched-capacitor (SC) converter for LEDs applied to photovoltaic stand-alone systems. The proposed circuit differs from other topologies SC to insert an inductor in series with the input source, which can operate in discontinuous conduction mode (DCM), reducing losses switching, or continuous conduction mode (CCM), allowing the reduction of conduction losses in the circuit. The converter is driven by the frequency modulation, which is obtained as a function of input voltage. For this reason, the current in the LEDs can be stabilized without the need for sensor or feedback. The prototype developed in the laboratory was designed for a lamp of 54 W and operating at high frequency (up to 165 kHz), allowing the reduction of the circuit volume. Experimental results of the circuit in DCM and CCM show that the converter has a high yield, validating the proposal. / Tendo em vista a tendÃncia da reduÃÃo do consumo de energia no mundo, a busca por tecnologias mais eficientes tem se tornado o foco de muitos estudos. Dentre estas tecnologias, pode-se citar a energia solar fotovoltaica e os LEDs, que vem apresentando uma expansÃo nas ultimas dÃcadas. A geraÃÃo fotovoltaica se mostra como uma atrativa fonte de energia, por ser renovÃvel e sua matÃria-prima ser praticamente inesgotÃvel. Enquanto os LEDs apresentam um avanÃo promissor na iluminaÃÃo, sendo utilizado nas mais diversas aplicaÃÃes. Visando a integraÃÃo destas tecnologias, este trabalho propÃe o estudo de um conversor CC-CC elevador com capacitor comutado (Switched Capacitor - SC) para LEDs, aplicado a sistemas fotovoltaicos autÃnomos. O circuito proposto se difere de outras topologias SC por inserir um indutor em sÃrie com a fonte de entrada, o qual pode operar no modo de conduÃÃo descontÃnua (MCD), reduzindo as perdas por comutaÃÃo, ou no modo de conduÃÃo contÃnua (MCC), possibilitando a reduÃÃo das perdas por conduÃÃo do circuito. O conversor à acionado atravÃs da modulaÃÃo por frequÃncia, a qual à obtida em funÃÃo da tensÃo de entrada. Por este motivo, a corrente nos LEDs pode ser estabilizada sem a necessidade de sensores ou de realimentaÃÃo. O protÃtipo desenvolvido em laboratÃrio foi projetado para uma luminÃria de 54 W e operando em alta frequÃncia (atà 165 kHz), possibilitando a reduÃÃo do volume do circuito. Os resultados experimentais obtidos do circuito MCD e MCC sÃo analisados e validam a proposta, mostrando que o conversor apresenta rendimento elevado

Este trabalho propÃe o estudo de uma nova topologia, com dois estÃgios, de um conversor estÃtico, onde existe um fluxo de potÃncia auxiliar com o objetivo de aumentar o rendimento do sistema. O primeiro estÃgio à um conversor CA-CC com correÃÃo do fator de potÃncia (PFC) e o segundo estÃgio à um conversor CC-CC isolado em alta frequÃncia. Os dois estÃgios do conversor proposto sÃo modelados por equaÃÃes diferenciais e atravÃs desses modelos sÃo desenvolvidas tÃcnicas de controle nÃo linear para o funcionamento dos conversores em malha fechada. A correÃÃo do fator de potÃncia do primeiro estÃgio à realizada pela tÃcnica de controle PBC (passivity-based control), enquanto que a tensÃo de saÃda do primeiro estÃgio à realizada pelo controle I&I (immersion and invariance). O segundo estÃgio necessita controlar somente a tensÃo de saÃda atravÃs do controle backstepping, por se tratar de um conversor CC-CC. / This work proposes a study of a new static converter topology with two stages, where the first is an AC-DC converter with PFC and the second is a DC-DC converter isolated in high-frequency. In addition, the static converter has a secondary power flow to achieve a better efficiency from the system. The two converterâs stages are modeled as differential equations, and through those models nonlinear control techniques are developed for close loop operation. The power-factor correction in the first stage is performed by the PBC (passivity-based control) control technique, while the output voltage from the first stage is performed by the I&I (immersion and invariance) control. As the second stage is a DC-DC converter, it only needs to control the output voltage, which is achieved through the backstepping control.

O presente trabalho aborda a análise e o desenvolvimento de conversores CC-CC com alto ganho de tensão, para aplicações com fontes de energia de baixíssima tensão, porém capazes de fornecer altas correntes, como: painéis fotovoltaicos, células a combustível e baterias. O principal objetivo deste trabalho é elevar a tensão de uma única célula a combustível até um nível adequado de tensão para realizar a carga de uma bateria com tensão nominal de aproximadamente 12 V, de modo eficiente, com baixa ondulação na corrente de entrada do conversor e com baixa ondulação na tensão de saída. Para alcançar o objetivo proposto, dezenas de topologias de conversores foram estudadas, analisadas, simuladas e implementadas. O trabalho também apresenta uma comparação entre topologias de conversores CC-CC que realizam a transferência de energia por meio de indutores acoplados, com uma topologia de conversor que opera com transferência direta de energia por meio de um transformador. Por fim, os resultados experimentais são apresentados com o intuito de validar os resultados simulados e teóricos. / This work shows the analysis and development of DC-DC converters with high voltage gain, for applications with energy sources of low input voltage, but capable of providing high currents, such as: photovoltaic panels, fuel cells and batteries. The main objective of this work is to raise the voltage of a single fuel cell to a suitable vol-tage level to efficiently charge a battery with rated voltage of approximately 12 V, with low current ripple in the converter and with low output voltage ripple. To achieve the proposed objective, dozens of topologies of converters were studied, analyzed, simulated and implemented. This work shows a comparison between topologies of DC-DC converters that perform power transfer via coupled inductors, with a converter topology operating with direct energy transfer through a transformer. Finally, experimental results are presented in order to validate the theoretical and simulated results.