Os inversores utilizados no sistema fotovoltaico conectados à rede (SFCR) devem apresentar uma forma de onda senoidal nos seus terminais de saída. Monitoram regularmente a qualidade de energia da rede elétrica aos quais estão conectados, de maneira a só gerarem energia se a rede estiver com tensão. Dependendo do inversor, da potência que ele está desenvolvendo em relação à sua potência nominal, da rede ao qual está conectado e das características da carga que ele alimentará, podem ser apresentadas distorções na rede de energia em relação à forma de onda senoidal pura, tanto a nível de tensão como a nível de corrente elétrica. Não é incomum os dispositivos que são conectados a redes apresentarem-se como geradores de harmônicos, principalmente os eletrônicos. Estas distorções, conhecidas na literatura como distorções harmônicas, afetam o desempenho dos inversores quando ligados a redes elétricas. Nestas redes, como pode haver distorções significativas. Os parâmetros elétricos que os inversores se baseiam para obter as características da rede a qual estão conectados,devido a estas distorções, podem fazer com que os mesmos se desconectem. O inversor também se desconectará automaticamente da rede ao perceber a ocorrência de variação acentuada da rede ou a falta dela; a esse sistema, dá-se a denominação antiilhamento. Portanto, é de bastante importância que se consiga reproduzir teoricamente o comportamento das cargas e das redes elétricas, nas quais os inversores serão conectados para que seja possível estudá-los quando interligados às diferentes cargas. Entretanto, devido ao inversor ser também um equipamento eletrônico baseado em fonte chaveada para “remontar” a onda senoidal, o mesmo também acaba introduzindo uma deformação tanto na tensão como na corrente da rede elétrica ao qual está conectado, e esta deformação é também significativa em SFCR de grande porte (instalação de geração fotovoltaica com grande número de inversores). Assim, este trabalho visa implementar a modelagem de cargas não lineares (degradadoras da qualidade de energia) para serem aplicadas em simulações de inversores de SFCR, com aplicação especial no parâmetro “cargas” do programa para computadores FVCONECT desenvolvido pelo Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. / It is known that the inverters used in photovoltaic systems connected to mains power (SFCR), when connected to the power grid, should provide a sinusoidal waveform at its output terminals. The photovoltaic systems inverters regularly monitor the power grid quality they are connected to, so they generate power only if the grid of the Concessionaire or external power grid presents voltage. Depending on the inverter, on the power that it develops over the same rated power, on the power grid it is connected to and on the characteristics of the load that it also feeds, it is possible to occur certain distortions on the power grid compared to pure sine waveform, in terms of voltage or even in terms of electric current. The devices connected to grid commonly present themselves as harmonic generators. The loads cause large distortions in the power grid causing disorders occur both voltage and current in a distribution line or power circuit. These distortions, commented in the literature as harmonic distortions, greatly affect the inverters performance when connected to power grids. On these grids, as it is possible to identify significant distortions, the parameters for pairing the power grid, in which the inverters are based, can turn them into disconnection. The inverter automatically disconnects from the grid if for some reason the grid stops powering the power grid - such system is called anti-islanding. Therefore, it is important to theoretically reproduce the behavior of power grids which the inverters are connected to, in order to study them. However, due to the fact that the inverter is also a switched source-based electronic equipment to "reassemble" the sine wave, it provides a deformation not only on the voltage but also on the power grid current which it is connected to, being this deformation also significant in large SFCR (photovoltaic generation facility with large numbers of inverters). In this sense, the present work aims to implement the modeling of nonlinear loads (which can degrade the power quality) in SFCR inverters simulations, based on the special application of loads parameters from the FVCONECT software, developed by the Solar Energy Laboratory, Federal University of Rio Grande do Sul.

Inversores de sistemas fotovoltaicos são equipamentos de eletrônica de potência que fornecem energia elétrica em corrente alternada (CA) a partir de uma fonte de energia elétrica em corrente contínua (CC), no caso, os módulos fotovoltaicos. Estes inversores quando em operação aumentam sua temperatura. Este aumento de temperatura é indesejável, porém é inerente ao seu funcionamento. Equipamentos eletrônicos possuem um limite seguro de temperatura de operação, acima do qual podem ocorrer instabilidades de operação, redução da vida útil ou até mesmo falha drástica. O conhecimento da eficiência de conversão elétrica e das perdas responsáveis pelo aquecimento é importante para o adequado dimensionamento de inversores quando aplicados em sistemas fotovoltaicos conectados à rede, assim como para o desenvolvimento do inversor como produto. Para proteção, para aumento da vida útil, para maior confiabilidade, para maior estabilidade e para maior segurança de operação de componentes, inversores possuem rotinas em seus algoritmos de controle com estratégias automatizadas dedicadas ao gerenciamento térmico. Estas rotinas de proteção e gerenciamento térmico, sempre quando acionadas, tendem a reduzir a capacidade de conversão de potência do inversor, seja pelo acionamento de um ventilador auxiliar, seja pelo deslocamento do ponto de operação em máxima potência. Fabricantes de inversores tratam deste assunto pelo termo “temperature derating” (em inglês) Esta tese apresenta um estudo relacionado a influência da temperatura sobre o desempenho de inversores fotovoltaicos conectados à rede. Avalia tipos de estratégias de gerenciamento térmico e proteção de uso corrente em inversores comerciais. Apresenta resultados de ensaios experimentais para determinação de parâmetros térmicos característicos dos inversores. Descreve um modelo preditivo da temperatura de operação em regime transiente. A partir da determinação experimental de parâmetros térmicos, o modelo preditivo de temperatura de operação foi implementado no software de simulação dinâmica para dimensionamento e avaliação de sistemas fotovoltaicos FVCONECT, desenvolvido no LABSOL/UFRGS, estando o mesmo apto para simular a operação e estimar perdas anuais de desempenho energético decorrentes das rotinas de gerenciamento térmico, dos seus efeitos e das limitações impostas durante a operação de inversores fotovoltaicos conectados à rede. Um dos resultados da simulação é a evolução da temperatura do inversor, permitindo avaliar a frequência e amplitude dos ciclos térmicos ao qual o inversor é submetido e, consequentemente, determinar uma estimativa para durabilidade do inversor. / Photovoltaic inverters are electronic power devices that provide electrical energy in alternating current (AC) from a source of electrical energy in direct current (DC) - a photovoltaic generator, in this case. Inverters increase their temperature when in operation. This rise in temperature is not desirable, but inherent to its operation. Any electronic equipment has a safe operating temperature limit. When this limit is surpassed, operating instability, life reduction or even drastic failure may occur. The knowledge of the electrical conversion efficiency and the losses responsible for the heating is important for the proper sizing of grid-tie inverters in photovoltaic systems, as well as for the development of the inverter as a product. In order to increase the useful life of the device and its components, for greater reliability, safety, stability and security of operation, inverters have routines in their algorithms of control with automated strategies dedicated to the thermal management. These protection and thermal management routines, whenever activated, tend to reduce the power conversion capacity of the inverter, either by the activation of an auxiliary fan or by the displacement of the operating point at maximum power. Inverter manufacturers address this issue by the term "temperature derating". This thesis presents a methodology to evaluate the influence of the performance of different strategies to avoid excessive temperature of the inverter components on its performance and durability It is also made an evaluation of different thermal management strategies and protection used in commercial inverters. Results of experimental tests for determination of thermal parameters characteristic of the inverters are presented. A predictive model of transient operating inverter temperature is also described. From the experimental determination of thermal parameters, the predictive model of operating temperature was implemented to the FVCONECT, a dynamic simulation software for sizing and evaluation of photovoltaic systems developed in LABSOL / UFRGS. With this modification, the software was able to simulate the operation and estimate losses of energy due to the thermal management routines, their effects and the limitations imposed during the operation of grid-tie inverters. One of the results of the simulation is the evolution of the inverter temperature, allowing to evaluate the frequency and amplitude of thermal cycles to which the inverter is subjected and, as a consequence, an estimate of durability of the inverter.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This thesis addresses the design of adaptive current controllers applied for voltagesource grid-connected converters with LCL-filter. Due to the grid equivalent impedance uncertainty and/or variation at the point of connection, the current controller of such converters may become unstable or have a poor performance with fixed-gain controllers because the grid impedance is part of the dynamic model. So, adaptive control techniques are proposed to ensure stability and performance of current controllers for grid-connected converter with LCL-filter even without knowledge of the grid equivalent impedance. Continuous time adaptive control, from the theoretical point of view, is a well established control technique. However, in this application, a discrete-time current controller is implemented. There are some differences between discrete-time and continuous-time adaptive controllers. When the controlled variable is the converter current, a model reference adaptive state feedback is proposed. The adaptation algorithm, responsible to update the gains in real-time, consists on a recursive least-squares (RLS) algorithm. When the controlled variable is the grid current, a model reference adaptive state feedback is also used. However, the RLS algorithm has some modifications to keep the controller robust under unmodeled dynamics. The RLS algorithm is used because it has better parametric convergence characteristics compared to other algorithms. The grid voltage disturbance is rejected making some small modifications on the controller structure. Simulation results are validated by experimental results in a 5,5kW three-phase grid-connected converter, which shows good convergence and steady state stability of the adaptive controllers. Finally, some comparisons with fixed gain current controllers are presented to show de advantages and disadvantages of each controller. / Esta tese trata do projeto de controladores adaptativos aplicados a conversores estáticos alimentados em tensão conectados à rede elétrica através de filtro LCL. Devido às características incertas e/ou variantes da impedância equivalente da rede no ponto de conexão de conversores estáticos, o controle da corrente de tais conversores pode se tornar instável ou o desempenho pode ser degradado com a utilização de controladores com ganhos fixos, pois a característica da rede faz parte do modelo dinâmico. Com base nisso, é proposto o uso de técnicas de controle adaptativo para garantir a estabilidade e o desempenho do controlador de corrente de conversores conectados à rede mesmo sem o conhecimento da sua impedância equivalente. Controle adaptativo em tempo contínuo, no ponto de vista teórico, é uma técnica de controle bem consolidada. No entanto, na aplicação em questão, o controlador de corrente é implementado em tempo discreto. Controle adaptativo em tempo discreto apresenta algumas diferenças quanto aos controladores em tempo contínuo. Quando a variável de controle é a corrente do conversor, é proposta a utilização de uma retroação de estados adaptativa por modelo de referência cujo adaptador, responsável por atualizar os ganhos em tempo real, consiste em um algoritmo recursivo por mínimos quadrados (RLS). Quando a variável de controle é a corrente da rede, também é utilizada uma retroação de estados adaptativa por modelo de referência, porém o algoritmo RLS apresenta modificações para torná-lo robusto à dinâmicas não modeladas. O algoritmo RLS é utilizado por ter melhores características de convergência paramétrica se comparado a outros algoritmos. O distúrbio de tensão da rede é rejeitado fazendo-se algumas modificações na estrutura da lei de controle. Os resultados de simulação são validados através de resultados experimentais em um conversor de potência nominal de 5,5kW, os quais mostram as características promissoras dos controladores de corrente adaptativos. Por fim, são apresentadas comparações com controladores de corrente de ganhos fixos, mostrando as vantagens e desvantagens de cada uma dos controladores.

Inversores de sistemas fotovoltaicos são equipamentos de eletrônica de potência que fornecem energia elétrica em corrente alternada (CA) a partir de uma fonte de energia elétrica em corrente contínua (CC), no caso, os módulos fotovoltaicos. Estes inversores quando em operação aumentam sua temperatura. Este aumento de temperatura é indesejável, porém é inerente ao seu funcionamento. Equipamentos eletrônicos possuem um limite seguro de temperatura de operação, acima do qual podem ocorrer instabilidades de operação, redução da vida útil ou até mesmo falha drástica. O conhecimento da eficiência de conversão elétrica e das perdas responsáveis pelo aquecimento é importante para o adequado dimensionamento de inversores quando aplicados em sistemas fotovoltaicos conectados à rede, assim como para o desenvolvimento do inversor como produto. Para proteção, para aumento da vida útil, para maior confiabilidade, para maior estabilidade e para maior segurança de operação de componentes, inversores possuem rotinas em seus algoritmos de controle com estratégias automatizadas dedicadas ao gerenciamento térmico. Estas rotinas de proteção e gerenciamento térmico, sempre quando acionadas, tendem a reduzir a capacidade de conversão de potência do inversor, seja pelo acionamento de um ventilador auxiliar, seja pelo deslocamento do ponto de operação em máxima potência. Fabricantes de inversores tratam deste assunto pelo termo “temperature derating” (em inglês) Esta tese apresenta um estudo relacionado a influência da temperatura sobre o desempenho de inversores fotovoltaicos conectados à rede. Avalia tipos de estratégias de gerenciamento térmico e proteção de uso corrente em inversores comerciais. Apresenta resultados de ensaios experimentais para determinação de parâmetros térmicos característicos dos inversores. Descreve um modelo preditivo da temperatura de operação em regime transiente. A partir da determinação experimental de parâmetros térmicos, o modelo preditivo de temperatura de operação foi implementado no software de simulação dinâmica para dimensionamento e avaliação de sistemas fotovoltaicos FVCONECT, desenvolvido no LABSOL/UFRGS, estando o mesmo apto para simular a operação e estimar perdas anuais de desempenho energético decorrentes das rotinas de gerenciamento térmico, dos seus efeitos e das limitações impostas durante a operação de inversores fotovoltaicos conectados à rede. Um dos resultados da simulação é a evolução da temperatura do inversor, permitindo avaliar a frequência e amplitude dos ciclos térmicos ao qual o inversor é submetido e, consequentemente, determinar uma estimativa para durabilidade do inversor. / Photovoltaic inverters are electronic power devices that provide electrical energy in alternating current (AC) from a source of electrical energy in direct current (DC) - a photovoltaic generator, in this case. Inverters increase their temperature when in operation. This rise in temperature is not desirable, but inherent to its operation. Any electronic equipment has a safe operating temperature limit. When this limit is surpassed, operating instability, life reduction or even drastic failure may occur. The knowledge of the electrical conversion efficiency and the losses responsible for the heating is important for the proper sizing of grid-tie inverters in photovoltaic systems, as well as for the development of the inverter as a product. In order to increase the useful life of the device and its components, for greater reliability, safety, stability and security of operation, inverters have routines in their algorithms of control with automated strategies dedicated to the thermal management. These protection and thermal management routines, whenever activated, tend to reduce the power conversion capacity of the inverter, either by the activation of an auxiliary fan or by the displacement of the operating point at maximum power. Inverter manufacturers address this issue by the term "temperature derating". This thesis presents a methodology to evaluate the influence of the performance of different strategies to avoid excessive temperature of the inverter components on its performance and durability It is also made an evaluation of different thermal management strategies and protection used in commercial inverters. Results of experimental tests for determination of thermal parameters characteristic of the inverters are presented. A predictive model of transient operating inverter temperature is also described. From the experimental determination of thermal parameters, the predictive model of operating temperature was implemented to the FVCONECT, a dynamic simulation software for sizing and evaluation of photovoltaic systems developed in LABSOL / UFRGS. With this modification, the software was able to simulate the operation and estimate losses of energy due to the thermal management routines, their effects and the limitations imposed during the operation of grid-tie inverters. One of the results of the simulation is the evolution of the inverter temperature, allowing to evaluate the frequency and amplitude of thermal cycles to which the inverter is subjected and, as a consequence, an estimate of durability of the inverter.

Os inversores utilizados no sistema fotovoltaico conectados à rede (SFCR) devem apresentar uma forma de onda senoidal nos seus terminais de saída. Monitoram regularmente a qualidade de energia da rede elétrica aos quais estão conectados, de maneira a só gerarem energia se a rede estiver com tensão. Dependendo do inversor, da potência que ele está desenvolvendo em relação à sua potência nominal, da rede ao qual está conectado e das características da carga que ele alimentará, podem ser apresentadas distorções na rede de energia em relação à forma de onda senoidal pura, tanto a nível de tensão como a nível de corrente elétrica. Não é incomum os dispositivos que são conectados a redes apresentarem-se como geradores de harmônicos, principalmente os eletrônicos. Estas distorções, conhecidas na literatura como distorções harmônicas, afetam o desempenho dos inversores quando ligados a redes elétricas. Nestas redes, como pode haver distorções significativas. Os parâmetros elétricos que os inversores se baseiam para obter as características da rede a qual estão conectados,devido a estas distorções, podem fazer com que os mesmos se desconectem. O inversor também se desconectará automaticamente da rede ao perceber a ocorrência de variação acentuada da rede ou a falta dela; a esse sistema, dá-se a denominação antiilhamento. Portanto, é de bastante importância que se consiga reproduzir teoricamente o comportamento das cargas e das redes elétricas, nas quais os inversores serão conectados para que seja possível estudá-los quando interligados às diferentes cargas. Entretanto, devido ao inversor ser também um equipamento eletrônico baseado em fonte chaveada para “remontar” a onda senoidal, o mesmo também acaba introduzindo uma deformação tanto na tensão como na corrente da rede elétrica ao qual está conectado, e esta deformação é também significativa em SFCR de grande porte (instalação de geração fotovoltaica com grande número de inversores). Assim, este trabalho visa implementar a modelagem de cargas não lineares (degradadoras da qualidade de energia) para serem aplicadas em simulações de inversores de SFCR, com aplicação especial no parâmetro “cargas” do programa para computadores FVCONECT desenvolvido pelo Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. / It is known that the inverters used in photovoltaic systems connected to mains power (SFCR), when connected to the power grid, should provide a sinusoidal waveform at its output terminals. The photovoltaic systems inverters regularly monitor the power grid quality they are connected to, so they generate power only if the grid of the Concessionaire or external power grid presents voltage. Depending on the inverter, on the power that it develops over the same rated power, on the power grid it is connected to and on the characteristics of the load that it also feeds, it is possible to occur certain distortions on the power grid compared to pure sine waveform, in terms of voltage or even in terms of electric current. The devices connected to grid commonly present themselves as harmonic generators. The loads cause large distortions in the power grid causing disorders occur both voltage and current in a distribution line or power circuit. These distortions, commented in the literature as harmonic distortions, greatly affect the inverters performance when connected to power grids. On these grids, as it is possible to identify significant distortions, the parameters for pairing the power grid, in which the inverters are based, can turn them into disconnection. The inverter automatically disconnects from the grid if for some reason the grid stops powering the power grid - such system is called anti-islanding. Therefore, it is important to theoretically reproduce the behavior of power grids which the inverters are connected to, in order to study them. However, due to the fact that the inverter is also a switched source-based electronic equipment to "reassemble" the sine wave, it provides a deformation not only on the voltage but also on the power grid current which it is connected to, being this deformation also significant in large SFCR (photovoltaic generation facility with large numbers of inverters). In this sense, the present work aims to implement the modeling of nonlinear loads (which can degrade the power quality) in SFCR inverters simulations, based on the special application of loads parameters from the FVCONECT software, developed by the Solar Energy Laboratory, Federal University of Rio Grande do Sul.

Este trabalho caracteriza a Geração Distribuída de eletricidade, no Brasil, por meio de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede (SFCR), a partir de aspectos técnicos, econômicos e regulatórios. O país possui, atualmente, 35 SFCR em operação, totalizando uma potência instalada de 161,32 kWp. A maior parte dessa potência se encontra nas Regiões Sul e Sudeste e foi implementada por universidades, centros de pesquisa e concessionárias de energia elétrica, com uma pequena participação da iniciativa privada. Foi calculado o custo de geração, a partir da energia solar, utilizando-se SFCR, para dezesseis localidades estrategicamente selecionadas. Esse valor varia em função da maior ou menor disponibilidade do recurso solar e da taxa de desconto adotada, tendo sido encontrado o valor médio de US$ 0,56 /kWh, cerca de 2,1 vezes maior que a tarifa residencial média nas mesmas cidades. Argumentando-se que a tarifa convencional tende a crescer nos próximos anos, pressionada pelo descompasso entre oferta e demanda, e que o custo de geração fotovoltaico tende a diminuir, no mesmo período, devido a ganhos de produtividade no processo de fabricação de componentes fotovoltaicos, elaborou-se um modelo matemático para prever o momento em que esses dois indicadores equiparar-se-ão. Verificou-se que o tempo médio de equiparação será de 7 anos, podendo ser menor que 5,0 anos em localidades onde a tarifa é mais cara que a média nacional e a irradiação média anual é superior à verificada no restante do país. Por fim, o trabalho analisa o enquadramento que a legislação faz dos geradores fotovoltaicos interligados à rede pública de distribuição, apontando os pontos favoráveis e os entraves legais à disseminação dos SFCR. / This work characterizes the Distributed Generation of electricity from Grid-Connected Photovoltaic Systems (GCPS) in Brazil, according to technical, economic and regulatory aspects. The country currently has 35 GCPS in operation, totaling an installed power of 161.32 kWp. Most of this power is in the South and Southeast and has been implemented by universities, research centers and electric power utilities, with a small participation of private initiative. The solar energy generation cost from GCPS was calculated for sixteen strategically selected localities. This value varies varies according to the greater or minor availability of the solar resource and the adopted discounting rate. The average value found was 0.56 US$ /kWh, about 2,1 times bigger than the average residential tariff in the same cities. Arguing that the conventional tariff tends to grow in coming years, pressed by the imbalance between supply and demand, and that the cost of photovoltaic generation tends to decrease over the same period due to productivity gains in the manufacturing process of photovoltaic components, a mathematical model was developed to predict the time that these two indicators will be equal. It was found that the average time of equalization will be 7.0 years and may be less than 5.0 years in locations where the conventional energy is more expensive than the national average and average annual irradiation is higher than that in the rest of the country. Finally, this work presents how the Brazilian legislation deals with the photovoltaic generators connected to the public distribution network, showing the points for and legal obstacles to the dissemination of GCPS.

No Brasil, quando uma unidade consumidora (UC) sob regime de microgeração ou de minigeração distribuída tem parte ou a totalidade da sua demanda por potência ativa suprida pela planta geradora, mas sua demanda por potência reativa é atendida exclusivamente pela rede elétrica, verifica-se uma aparente deterioração do fator de potência dessa UC, sob a ótica da concessionária. Esse efeito decorre do fato de que o fator de potência, de acordo com a regulamentação vigente, é determinado apenas a partir das medições dos fluxos de potência ativa e reativa trocados entre a UC e a rede elétrica e não também entre a planta geradora e UC. Para consumidores do Grupo A (tensão de fornecimento igual ou superior a 2,3 kV) nessa situação, de acordo com o perfil da carga, pode haver cobrança por excedentes de reativos, constituindo-se assim uma barreira. Especificamente no caso de sistemas fotovoltaicos conectados à rede, existe a possibilidade de se utilizar os próprios inversores c.c.-c.a para suprir a demanda de reativos da UC e, dessa forma, minimizar o problema apresentado. Com o objetivo de se avaliar essa alternativa no contexto brasileiro, tendo-se em vista condições reais de operação e os limites normativos de injeção de potência reativa para inversores de sistemas fotovoltaicos, foi realizado um estudo de caso de uma planta fotovoltaica instalada no telhado do prédio da Administração do Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo. O estudo mostrou que a compensação realizada por meio do inversor selecionado evitou a cobrança de excedentes de reativos sem afetar de forma significativa a produtividade do sistema fotovoltaico. Do ponto de vista elétrico, verificou-se que a injeção de reativos pelo inversor não provocou variações significativas de tensão no ponto de acoplamento ou no alimentador e, ainda, se verificou considerável liberação de capacidade do sistema supridor da concessionária. Dessa forma, a análise dos resultados indica uma tendência a se considerar a compensação de reativos proporcionada pelo próprio inversor a opção mais viável para se lidar com os excedentes de reativos, comparativamente a métodos convencionais de compensação ou à situação em que nenhuma ação compensatória seja implementada. / In Brazil, when a consumer unit (CU) under a distributed microgeneration or minigeneration scheme has part or all of its demand for active power supplied by the generating plant, but its demand for reactive power is served exclusively by the grid, the power factor of this CU appears deteriorated, from the perspective of the utility. This effect is due to the fact the power factor, according to the current regulations, is determined only from measurements of the flows of active and reactive power exchanged between the UC and the grid and not also between the generating plant and UC. Users of group A (supply voltage equal to or greater than 2.3 kV) in this situation, according to the CU load profile, may be charged due the reactive power excess, thus constituting a barrier. Specifically in the case of grid-connected photovoltaic systems, there is the possibility of using the d.c.- a.c. inverters to suply the CU reactive power demand and, thus, minimizing the presented problem. In order to evaluate this alternative in the Brazilian context, keeping in view real operating conditions and regulatory limits for the reactive power injection for photovoltaic inverters, we conducted a case study with a photovoltaic plant installed on the roof of the University of São Paulo Institute for Energy and Environment administration building. The study showed that the compensation performed by the selected inverter prevented the reactive power excess charging without affecting significantly the photovoltaic system productivity. From an electrical point of view, it was found that the injection of reactive power by the inverter did not cause significant voltage variations at the coupling point or at the transformer and, additionally, there was a significant release in the utility suply system capacity. Thus, the analysis results indicates a tendency to consider the compensation provided by the inverter itself the most viable option for dealing with the surplus of reactive power compared to conventional compensation methods or to the situation in which no compensatory action is implemented.

Os inversores utilizados no sistema fotovoltaico conectados à rede (SFCR) devem apresentar uma forma de onda senoidal nos seus terminais de saída. Monitoram regularmente a qualidade de energia da rede elétrica aos quais estão conectados, de maneira a só gerarem energia se a rede estiver com tensão. Dependendo do inversor, da potência que ele está desenvolvendo em relação à sua potência nominal, da rede ao qual está conectado e das características da carga que ele alimentará, podem ser apresentadas distorções na rede de energia em relação à forma de onda senoidal pura, tanto a nível de tensão como a nível de corrente elétrica. Não é incomum os dispositivos que são conectados a redes apresentarem-se como geradores de harmônicos, principalmente os eletrônicos. Estas distorções, conhecidas na literatura como distorções harmônicas, afetam o desempenho dos inversores quando ligados a redes elétricas. Nestas redes, como pode haver distorções significativas. Os parâmetros elétricos que os inversores se baseiam para obter as características da rede a qual estão conectados,devido a estas distorções, podem fazer com que os mesmos se desconectem. O inversor também se desconectará automaticamente da rede ao perceber a ocorrência de variação acentuada da rede ou a falta dela; a esse sistema, dá-se a denominação antiilhamento. Portanto, é de bastante importância que se consiga reproduzir teoricamente o comportamento das cargas e das redes elétricas, nas quais os inversores serão conectados para que seja possível estudá-los quando interligados às diferentes cargas. Entretanto, devido ao inversor ser também um equipamento eletrônico baseado em fonte chaveada para “remontar” a onda senoidal, o mesmo também acaba introduzindo uma deformação tanto na tensão como na corrente da rede elétrica ao qual está conectado, e esta deformação é também significativa em SFCR de grande porte (instalação de geração fotovoltaica com grande número de inversores). Assim, este trabalho visa implementar a modelagem de cargas não lineares (degradadoras da qualidade de energia) para serem aplicadas em simulações de inversores de SFCR, com aplicação especial no parâmetro “cargas” do programa para computadores FVCONECT desenvolvido pelo Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. / It is known that the inverters used in photovoltaic systems connected to mains power (SFCR), when connected to the power grid, should provide a sinusoidal waveform at its output terminals. The photovoltaic systems inverters regularly monitor the power grid quality they are connected to, so they generate power only if the grid of the Concessionaire or external power grid presents voltage. Depending on the inverter, on the power that it develops over the same rated power, on the power grid it is connected to and on the characteristics of the load that it also feeds, it is possible to occur certain distortions on the power grid compared to pure sine waveform, in terms of voltage or even in terms of electric current. The devices connected to grid commonly present themselves as harmonic generators. The loads cause large distortions in the power grid causing disorders occur both voltage and current in a distribution line or power circuit. These distortions, commented in the literature as harmonic distortions, greatly affect the inverters performance when connected to power grids. On these grids, as it is possible to identify significant distortions, the parameters for pairing the power grid, in which the inverters are based, can turn them into disconnection. The inverter automatically disconnects from the grid if for some reason the grid stops powering the power grid - such system is called anti-islanding. Therefore, it is important to theoretically reproduce the behavior of power grids which the inverters are connected to, in order to study them. However, due to the fact that the inverter is also a switched source-based electronic equipment to "reassemble" the sine wave, it provides a deformation not only on the voltage but also on the power grid current which it is connected to, being this deformation also significant in large SFCR (photovoltaic generation facility with large numbers of inverters). In this sense, the present work aims to implement the modeling of nonlinear loads (which can degrade the power quality) in SFCR inverters simulations, based on the special application of loads parameters from the FVCONECT software, developed by the Solar Energy Laboratory, Federal University of Rio Grande do Sul.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-09-21T17:33:46Z No. of bitstreams: 1 viniciussobreiralacerda.pdf: 3531215 bytes, checksum: 422eca8f67f53625eceb5e46317386f9 (MD5) / Approved for entry into archive by Diamantino Mayra (mayra.diamantino@ufjf.edu.br) on 2016-09-26T20:27:18Z (GMT) No. of bitstreams: 1 viniciussobreiralacerda.pdf: 3531215 bytes, checksum: 422eca8f67f53625eceb5e46317386f9 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-26T20:27:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 viniciussobreiralacerda.pdf: 3531215 bytes, checksum: 422eca8f67f53625eceb5e46317386f9 (MD5) Previous issue date: 2010-08-30 / FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Este trabalho aborda a análise, a modelagem matemática, o projeto e a simulação computacional de um sistema monofásico de aproveitamento fotovoltaico (PV) nãoisolado conectado à rede elétrica, em que se pretende sintetizar uma corrente de baixa distorção harmônica mantendo-se o ponto de máxima potência dos painéis. São avaliadas duas estruturas conversoras equivalentes, uma com dois estágios de processamento de energia e outra com apenas um estágio. Ambas as estruturas desempenham o papel de converter a energia CC dos painéis fotovoltaicos em energia CA, sob a forma de corrente elétrica de baixa distorção injetada na rede. Uma revisão sucinta dos modelos matemáticos de representação do comportamento termo-fotoelétrico do painel fotovoltaico (ou conjunto de painéis) é realizada, resultando na adaptação de uma das alternativas na forma de modelo numérico adaptado à ferramenta computacional PSIM. Algumas alternativas monofásicas de conversão CC-CA são elencadas neste trabalho, com destaque para o número de estágios de conversores, característica de isolamento e qualidade da energia injetada. Como base nesta análise, propõe-se um sistema composto por um conversor CCCC tipo buck operando em modo de condução contínua em alta frequência, em cascata com um inversor fonte de corrente (CSI) acionado na frequência da rede, para realização do aproveitamento fotovoltaico desejado. Amparado por ferramentas de integração de estágios de conversores, percebe-se que o conjunto de dois estágios pode ser arranjado em uma única etapa conversora baseada no inversor fonte de tensão (VSI). Ambas as propostas são modeladas, projetadas e simuladas no PSIM. A descrição teórico-matemática da planta PV, incluindo suas malhas de controle, é realizada. Com propósito de validação das concepções teóricas, tais sistemas são simulados, inicialmente, empregando-se elementos idealizadores e, em segundo momento, adotando-se um arranjo que inclui alguns componentes parasitas, sensores em escala real e o subcircuito do integrado UC3854. Os resultados numéricos, realizados para variações da irradiação solar e perturbações na tensão da rede, confirmam que o conceito proposto é factível, resultando em uma alternativa simples, compacta e possivelmente de baixo custo. / This work deals with the analysis, mathematical modeling, design and computer simulation of a single phase non-isolated photovoltaic (PV) system, which is connected to the electrical grid and is controlled to synthesize a low harmonic current while keeps the maximum power point of the panels. Two structures are evaluated, one with two stages of processing power and another with a single stage. Both structures converts DC power from solar panels into AC power, in the form of a low distortion electrical current to be injected into the grid. A brief review of PV panel mathematical models is performed, resulting in the adaptation of one alternative in the form of a numerical model oriented to the computational tool PSIM. Moreover, some alternatives to single-phase DC-AC conversion are listed in this work, highlighting the number of stages of inverters, isolation characteristic and quality of the power injected. To support this analysis, a two-stage system has been firstly studied, which is constituted of a buck converter operating in continuous conduction mode at high frequency, cascaded with a current source inverter (CSI) which works in the frequency of the grid. Using the integration of stages theory, the two stage system can be arranged into a single stage converter based on a voltage source inverter (VSI). Both proposals are modeled, designed and simulated in PSIM program. The theoretical and mathematical description of the PV plant, including its control loops, is presented. With the purpose of validation of the theoretical concepts, such systems are simulated, initially, using idealized elements, and then, adopting an arrangement that includes some parasitic components, sensors and full-scale integrated subcircuit of UC3854. The numerical results carried out for changes in solar radiation and mains voltage sags/swells, confirm that the proposed concept is feasible, resulting in a simple, compact and potentially low cost.

Meeting electricity demand and power shortage remains as a challenge to the people of the Gambia. As the country is undergoing tremendous electricity accessibility expansion [1], to secure the environment for the future generation, it is necessary to consider renewable energy to be the major source of electricity production, to be specific, solar energy. This is because the country experiences the radiation from the sun throughout the year, it is sustainable not only to our environment for the future generations, but also economically. However, due to the intermittent nature of most renewable energy technologies, it is cumbersome to rely on them 100 % as a primary source of electricity production. Nonetheless, with suitable storage technologies, combination of different renewable sources, and intercountry grid connections can enhance to overcome this challenge. In this thesis work, designed and techno economic evaluation was carried out for high PV penetration that will meet 50 % electricity demand of the Gambia in year 2040. Three scenarios were considered in this study, based on the Strategic Electricity Roadmap 2020 to 2040 [1]. These scenarios are high, universal access (AU), and low electricity demand. Economically, 50 % electricity supply to meet the demand is possible for all the three cases. Consideration was mainly put on four key figures, thus, levelized cost of electricity (LCOE), payback period (PBP), net present cost (NPC) and solar fraction (SF). To achieve 50 % SF for the high electricity demand scenario, LCOE and PBP are 0.129 $/kWh and 12 years respectively. As for AU electricity demand case, 50 % SF is achieved with 0.126 $/kWh and 10 years for LCOE and PBP respectively. For low electricity demand scenario, 0.127 $/kWh and 10 years for LCOE and PBP respectively for 50 % SF. However, the optimum design recommended by HomerPro were 45 % SF with LCOE of 0.126 $/kWh and PBP of 9 years for high electricity demand scenario. As for the AU electricity demand case, the optimum design is 48 % SF, LCOE of 0.125 $/kWh, and PBP of 9 years. In the last scenario, which is low electricity demand case, 46 % SF, 0.124 $/kWh LCOE, and 9 years PBP.