A company in Linköping has a project where a solar power home system is designed. The plan is that families that lack grid connection in rural areas of Mali and other countries shall use this system for cooking food and powering every day items. Designing a solar home system for West Africa is more difficult than for other parts of the world, mainly because of the climate, with heat and dust particles in the air, but also because the installation location often is unreachable in short notice. This makes for several specific requirements like high ambient temperature, passive cooling, high efficiency and a long mean time between service needed. On top of this, to get the system modular and easy to install, each physical panel should be independent and smart. The system designed is a push pull dc step-up converter that can be assembled to the back of a solar panel. A base platform for the converter is built and a method of power line communication is proposed. Tests show promising results and further development is ongoing.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-12-03Bitstream added on 2014-06-13T20:29:04Z : No. of bitstreams: 1 fernandes_rc_me_ilha.pdf: 1607084 bytes, checksum: d60bd1d35a36564730a6c9f6b43790ab (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho propõe um novo conversor CA-CC trifásico de múltiplos pulsos com estágios CC-CC elevadores de tensão controlados pela técnica de histerese constante. Nesta proposta não são empregados indutores de interfase. A finalidade deste conversor é a de possibilitar um barramento CC regulado para aplicações embarcadas, acionamentos elétricos e afins, sempre com preocupações relacionadas aos aspectos de Qualidade de Energia Elétrica. Assim, a proposta deve apresentar elevado fator de potência, baixa distorção harmônica total de corrente drenada da rede elétrica. Ampla revisão bibliográfica, reunindo as propostas mais recentes da literatura para conversores com mesma finalidade, é feita para que sejam estudadas as estruturas de potência, técnicas de controle, versatilidade, possibilidade de isolamento galvânico e robustez. Em seguida, é detalhada a proposta principal deste trabalho por meio da apresentação do equacionamento do autotransformador, dos estágios elevadores de tensão e da técnica de controle. Esta análise permite que sejam feitas simulações com todos os elementos do conversor CA-CC e então, se desenvolva o projeto físico dos elementos magnéticos e se escolham os componentes eletrônicos do protótipo. O número reduzido de componentes de controle e a simplicidade dos circuitos de potência são grandes atrativos da proposta discutida. Todas as informações relevantes são descritas detalhadamente e, sempre que possível, meios alternativos de solucionar problemas são também apresentados, de forma que fiquem claras as possibilidades de melhoria da técnica empregada. A operação conjunta de todos os elementos mais a técnica de controle foi validada, de maneira que se comprovou, por meio de ensaios, todos os princípios de funcionamento da proposta de conversor CA-CC. Pelos resultados experimentais, obteve-se corrente drenada... / This work proposes a new AC-DC three-phase multipulse converter with DC-DC boost stages and constant hysteresis control. The objective of this converter is to provide a reliable DC bus for on-board applications, electric motor drives and similars, always considering power quality issues. Thus, the proposal presents high power factor and low harmonic distortions in the currents from the mains. A wide revision is made on other recent proposals found in the scientific literature. Different topologies are compared considering power circuits, control techniques, isolation possibility and robustness. The second chapter presents the details on the main proposal of this work and also the mathematical equations that describe the autotransformer, boost converters and control strategy. Later, simulation results are commented and discussed and the physical design is detailed. The output filter elements, power components and control elements are specified. Experimental results including main waveforms, efficiency, voltage regulation and temperature rise are presented for the autotransformer. The boost stages are also tested and its results are discussed. Finally, the proposed AC-DC converter is tested and the control technique applied to the power stage is validated

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the analysis and implementation of a connection between two power converters, applied to street lighting with LEDs. This connection is called optimized cascade. The main idea of this connection is the reduction of the processed energy by the second converter, increasing this way the system efficiency. Besides that, the electrolytic capacitor is eliminated, aiming the life-span increase of the converter. To do that, the capacitance is reduced, causing a low frequency ripple, which is compensated by the second converter. This way, it is possible to unify high eficiency with long life-span on this converter. Such characteristics are considered fundamentals on LED driver. To prove the idea, two prototypes were built, one based on feedback control scheme and the other on a feedback plus feedforward control scheme. Both had shown good results, however the feedback plus feedforward controller proved to be more effiective on the active compensation of the low frequency ripple. In the end, a comparison between the two most used topologies on LED driver with the optimized cascade was performed. The results had shown a possible application range, advantages e limitations of this idea. / Este trabalho apresenta a análise e implementação de uma conexão entre dois conversores de potência, com aplicação para iluminação pública com LEDs. Essa conexão foi chamada de cascata otimizada. A principal ideia dessa conexãoo é a minimização da energia processada pelo segundo conversor, aumentando assim a eficiência do sistema. Além disso, o capacitor eletrolítico é eliminado desta topologia com o intuito de aumentar a vida útil do sistema. Para tal, a capacitância é reduzida, sendo a ondulação de baixa frequência, proveniente de tal redução, compensada ativamente pelo segundo conversor. Com isso, é possível unir alta eficiência e durabilidade, características consideradas fundamentais em um driver para LEDs. Para provar a ideia, dois protótipos foram desenvolvidos, um baseado em controle feedback e o outro baseado na união de um controle feedback com feedforward. Ambos mostraram bons resultados, o entanto o controle feedback mais o feedforward mostrou-se mais eficaz na compensação ativa da ondulação de barramento. Por fim, uma comparação entre as duas topologias mais utilizadas em drivers para LED e a cascata otimizada foi realizada. Os resultados obtidos mostraram sua possível faixa de aplicação, bem como vantagens e limitações.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis presents a design methodology for the dual active bridge converter, that includes the influence of the nominal phase-shift angle in the behavior of the DAB converter for entire power and voltage ranges. The analysis presented focus on two important performance parameters of the DAB converter: the nonactive power and the limits of ZVS operation. The study of these two parameters results in a prior knowledge of the qualitative characteristics of the conduction and switching losses, respectively. Using this knowledge it is possible to optimize the converter operation considering the priorities of application performance. The experimental results were performed for three different projects nominal angles and three different input voltages for the whole load range, and they prove the feasibility of the proposed analysis. The analyse of the limit ZVS area took into account the switches intrinsic capacitances, and the dead time between the complementary switches. The DAB converter placed at a three-stage structure applied to solid state transformer, has voltage ripple at low frequency in their bus voltages because of the connection into the distribution network. Thus, it becomes possible to apply a low frequency burst mode modulation, without needing to oversize the bus capacitors. Three burst mode modulations are evaluated in simulation. The modulation which performed better results in simulation was implemented in practice, and the experimental results showed significant improvement in the converter´s efficiency when it is operating in light loads. Finally, a discussion of the parameters to be evaluated for the DAB converter´s design is proposed. / Esta tese de doutorado apresenta uma metodologia de projeto do conversor DAB, a qual inclui a influência do ângulo nominal de defasagem no comportamento do conversor DAB para toda faixa de potência e de tensão. Além disso, as análises focam em dois importantes parâmetros de desempenho do conversor DAB: a potência não ativa e os limites de operação com ZVS. O estudo destes dois parâmetros resulta em um conhecimento prévio das características qualitativas das perdas de condução e comutação, respectivamente. Através deste conhecimento é possível otimizar a operação do conversor considerando as prioridades de desempenho da aplicação. Os resultados experimentais, que comprovam as análises referentes à potência não ativa e aos limites de operação com ZVS, são realizados para três diferentes projetos de ângulos nominais e três diferentes tensões de entrada, para toda faixa de operação de carga. O estudo dos pontos de perda de ZVS considerou as capacitâncias intrínsecas dos interruptores e o tempo morto entre os interruptores complementares. O conversor DAB funcionando em uma estrutura de três estágios, aplicado a transformadores de estado sólido, apresenta ondulação de tensão em baixa frequência em seus barramentos, provinente da conexão da estrutura na rede de distribuição. Deste modo, torna-se possível a aplicação de modulações de baixa frequência do tipo burst, sem a necessidade de sobredimensionamento dos capacitores. Três modulações são realizadas e avaliadas em simulação. A modulação que apresentou melhores resultados em simulação foi implementada na prática, e os resultados experimentais mostraram melhora significativa da eficiência do conversor em baixas cargas. Por fim, uma discussão sobre as considerações a serem avaliadas nos parâmetros de projeto do conversor DAB é proposta.

nÃo hà / O presente trabalho propÃe o estudo do conversor boost CC-CC de alto ganho de tensÃo baseado na cÃlula de comutaÃÃo de trÃs estados e nas cÃlulas multiplicadoras de tensÃo (mc). Este trabalho investiga um modelo matemÃtico para o citado conversor. A anÃlise proposta à baseada na ferramenta âmodelagem do interruptor PWM para conversores CC-CCâ. O modelo deve ser encontrado por uma simples inspeÃÃo do circuito do conversor. Deve ser possÃvel aplicÃ-lo para realizar diversas anÃlises, como em regime permanente, regime transitÃria e anÃlise de pequenos sinais por meio de um uma abordagem unificada. Considerando um dado nÃmero de cÃlulas multiplicadoras de tensÃo, duas situaÃÃes sÃo analisadas com esta ferramenta: operaÃÃo com uma Ãnica cÃlula multiplicadora de tensÃo (mc=1) e vÃrias cÃlulas multiplicadoras de tensÃo (mc> 1). O mÃtodo proposto à validado por simulaÃÃes e à verificada sua efetividade. AlÃm disso, à analisado neste trabalho o controle modo corrente mÃdia convencional, o qual à aplicado em uma das configuraÃÃes em estudo. O rendimento do conversor e a efetividade do controlador proposto sÃo demonstrados por resultados experimentais para um protÃtipo do laboratÃrio de 1 kW. / The present work proposes the study of the boost converter based on three-state switching cell and voltage multipliers cells (mc). A mathematical model of the aforementioned converter is investigated here. The proposed analysis is based on the tool named âPWM-Switch Modeling of DC-DC Convertersâ. The model must be found by a simple inspection of the converterâs circuit. It is possible to apply such model in order to realize various analyses such as steady-state, transient, and small-signal analysis in a single and same model. Considering the number of voltage multipliers cells (mc), two situations are analyzed: operation with a single multiplier cell (mc=1) and operation with multiple voltage multiplier cells (mc>1).The proposed method was validated through simulations and its effectiveness was verified. In addition to this, conventional average current mode control is also applied to one of the studied configurations. The performance of the converter and the effectiveness of the proposed controller are demonstrated by experimental results obtained from a 1-kW laboratory prototype.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / This work presents the analysis, design example, simulations and experimental results on a soft-switching bidirectional isolated three-phase dc-dc converter using dual phase-shift control with variable duty cycle. The topology uses three single H-bridges in the primary side and a three-phase inverter in the secondary side. High-frequency isolation is ensured by using three single-phase transformers connected in open delta-wye configuration. The variation of both phase-shift (PS) angles between the H-bridge legs and/or primary and secondary sides allows controlling the power flow, while reduced reactive power flow is possible. The variable duty cycle is used to ensure a constant voltage bus and/or zero voltage switching (ZVS) operation. A detailed analysis is presented considering a model based on the fundamental components for the voltages and currents in the transformer and, aiming its validation, a second analysis from the operation stages of the converter has also been developed. Besides, the dynamic model of the converter, based on fundamental components and employing the gyrator theory has been developed. A design example with nominal values assumptions, stresses and specifications for components, discrete control system characterization and its FPGA programming are presented. Simulation and experimental results in steady state and closed-loop performance are presented and discussed to validate the proposed approach. / Este trabalho apresenta a anÃlise, exemplo de projeto, simulaÃÃes e resultados experimentais de um conversor CC-CC trifÃsico isolado bidirecional com comutaÃÃo suave, dual phase shift (DPS) e razÃo cÃclica variÃvel. A topologia utiliza trÃs pontes H monofÃsicas no lado primÃrio e um inversor trifÃsico no lado secundÃrio. A isolaÃÃo em alta frequÃncia à garantida utilizando-se trÃs transformadores monofÃsicos conectados em uma configuraÃÃo delta aberto/estrela. A variaÃÃo de ambos os Ãngulos de deslocamento de fase, entre os braÃos de uma ponte H e/ou entre os lados primÃrio e secundÃrio, permitem o controle do fluxo de potÃncia. Esta flexibilidade garante a obtenÃÃo de um baixo conteÃdo reativo na anÃlise de projeto da topologia. A razÃo cÃclica variÃvel à utilizada para assegurar um barramento constante e uma operaÃÃo dos interruptores com comutaÃÃo suave. Uma anÃlise matemÃtica da estrutura à apresentada considerando um modelo baseado em componentes fundamentais e, com o propÃsito de comprovar a validade deste modelo, uma segunda anÃlise a partir das etapas de operaÃÃo do conversor tambÃm foi desenvolvida. O modelo dinÃmico do conversor, baseado nas componentes fundamentais, tambÃm foi concebido com auxÃlio da teoria do gyrator. Um exemplo de projeto, com a obtenÃÃo de valores nominais, esforÃos e especificaÃÃes dos componentes, caracterizaÃÃo do sistema de controle discreto e sua programaÃÃo atravÃs de FPGA sÃo desenvolvidos. SimulaÃÃes e resultados experimentais do conversor operando em regime permanente e dinÃmico sÃo apresentados para validar o modelo proposto.

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.

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.

Ce mémoire présente une solution de conversion d’énergie permettant de couplerdeux sources de tension électrique similaire à dimensionnement réduit. Appliqué à un système de stockage hybridé puissance/énergie pour véhicule électrique, cette solution présente un compromis de coût de production, de masse et de rendement énergétique meilleur que celui des hacheurs classiques. Nous proposons en réponse à cette problématique l’utilisation d’une source de courant contrôlée placée en série avec les deux sources de tension pour réaliser leur couplage. Une structure de convertisseur permettant ce couplage est étudiée, puis comparée à une structure classique, et enfin réalisée au travers d’un démonstrateur à échelle de tension réduite afin de mettre en évidence ses avantages et inconvénients / This thesis deals with the development of a power conversion solution, allowing for the coupling of two similar voltage sources. Applied to a combined battery storage sys-tem power/energy for electric vehicles, the proposed solution presents a compromise between production costs, mass and energy performance, providing a better solution than those currently in existence. As such, the two voltage sources are coupled in series with a controlled current source. A structure of the converter allowing the coupling is studied and compared to a classic structure. Finally a demonstrator on a reduced voltage scale has been realized and shows advantages of this converter solution.

The grid-connected photo-voltaic (PV) system is one of the most promising renewable energy solutions which offers many benefits to both the end user and the utility network and thus it has gained the popularity over the last few decades. However, due to the very nature of its invariability and weather dependencies, the large scale integration of this type of distributed generation has created challenges for the network operator while maintaining the quality of the power supply and also for reliable and safe operations of the grids. In this study, the behavioral impact of large scale PV system integration which are both steady and dynamic in nature was studied.  An aggregate PV model suited to study the impacts was built using MATLAB/Simulink.  The integration impacts of PV power to existing grids were studied with focus on the low voltage residential distribution grids of Mälarenergi Elnät AB (10/0.4 kV). The steady state impacts were related to voltage profile, network loss. It was found that the PV generation at the load end undisputedly improves the voltage profile of the grid especially for the load buses which are situated at farther end of the grid. Further, with regard to the overvoltage issue, which is generally a concern during the low load demand period it was concluded that, at a 50% PV penetration level, the voltage level for the load buses is within the limit of 103% as prescribed by the regulator excepting for few load buses. The voltage level for load buses which deviate from the regulatory requirement are located at distance of 1200 meter or further away from the substation. The dynamic impact studied were for voltage unbalancing in the grid, which was found to have greater impact at the load buses which is located farther compared to a bus located nearer to the substation. With respect to impact study related to introduction of harmonics to the grid due to PV system integration, it was found that amount of harmonic content which was measured as total harmonic distortion (THD) multiplies with integration of more number of PV system. For a 50 % penetration level of PV, the introduced harmonics into the representative network is very minimal. Also, it was observed from the simulation study that THD content are be less when the grid operates at low load condition with high solar irradiance compared to lower irradiance and high load condition.