Metodologia para Estimação da Distorção Harmônica Total em Inversores Monofásicos Conectados à Rede Elétrica

Authors

  • Víctor F. Gruner Instituto de Eletrônica de Potência – INEP, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil https://orcid.org/0000-0002-0541-5702
  • Christopher F. Gonçalves Instituto de Eletrônica de Potência – INEP, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil
  • Lenon Schmitz Instituto de Eletrônica de Potência – INEP, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil https://orcid.org/0000-0003-4912-1519
  • Denizar C. Martins Instituto de Eletrônica de Potência – INEP, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil https://orcid.org/0000-0002-0806-1831
  • Roberto F. Coelho Instituto de Eletrônica de Potência – INEP, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil https://orcid.org/0000-0002-4672-0885

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2023.4.0027

Keywords:

Distorção Harmônica Total, Inversores Conectados à Rede, Inversores Monofásicos, Modelagem em Malha Fechada, qualidade de energia

Abstract

Este artigo apresenta uma metodologia paraestimar, ainda na etapa de projeto, a distorção harmônicatotal da corrente injetada na rede elétrica por inversores fonte de tensão de dois estágios. Como tais inversores operam em malha fechada, a qualidade da corrente injetada na rede elétrica é altamente dependente da dinâmica das malhas de controle. Assim, é necessário focar em uma abordagem que modele o comportamento da corrente injetada na rede considerando as perturbações em malha fechada. A abordagem proposta possibilita a derivação de uma equação para prever o comportamento da corrente injetada na rede e estimar sua distorção harmônica, tornando-se uma importante ferramenta para otimizar o projeto de inversores conectados à rede. Para validar a acurácia da metodologia desenvolvida, são apresentados resultados experimentais em diferentes cenários de operação.

 

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Víctor F. Gruner, Instituto de Eletrônica de Potência – INEP, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil

nasceu em Florianópolis, SC, Brasil, em 15 de março de 1987 é engenheiro eletricista (2015), mestre em engenharia elétrica (2017) pela Universidade de Federal de Santa Catarina. Atualmente é estudante de doutorado no Instituto de Eletrônica de Potência INEP-UFSC.

Christopher F. Gonçalves, Instituto de Eletrônica de Potência – INEP, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil

nasceu em Pelotas, RS, Brasil. Ele recebeu o título de Engenheiro Elétrico pelo Instituto Federal de Tecnologia Sul-Rio-Grandense (IFSUL), RS, Brasil, com período no exterior na Universidade do Colorado em Boulder, CO, Estados Unidos, em 2016. Atualmente, ele está cursando Mestrado em Engenharia Elétrica na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), SC, Brasil. Suas áreas de interesse incluem conversores elevadores de alta eficiência e desempenho, conversores estáticos de energia e processamento de energia a partir de fontes renováveis.

Lenon Schmitz, Instituto de Eletrônica de Potência – INEP, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil

nasceu em Blumenau, SC, Brasil em 28 de março de 1990. Ele recebeu os títulos de Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) em 2013, 2015 e 2020, respectivamente. Atualmente é Professor Adjunto do Departamento de Computação (DEC) da UFSC. Suas áreas de interesse incluem conversores estáticos de potência, processamento de energia proveniente de fontes renováveis e sistemas conectados à rede elétrica. É membro da SOBRAEP e do IEEE.

Denizar C. Martins, Instituto de Eletrônica de Potência – INEP, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil

nasceu em São Paulo, SP, Brasil, em 24 de abril de 1955. Ele recebeu o título de Engenheiro Elétrico e Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), SC, Brasil, em 1978 e 1981, respectivamente, e o título de Doutor em Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional Politécnico de Toulouse, Toulouse, França, em 1986. Atualmente, ele é professor no Departamento de Engenharia Elétrica da UFSC, onde desenvolve trabalhos sobre os seguintes temas: conversores estáticos CC-CC e CC-CA, correção do fator de potência, qualidade de energia, processamento eletrônico de energia solar fotovoltaica, redes ativas de distribuição, simulação de conversores estáticos e acionamento elétrico. Ele é membro da IEEE, SOBRAEP e SBA.

Roberto F. Coelho, Instituto de Eletrônica de Potência – INEP, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil

o nasceu em Florianópolis, em agosto de 1982. Ele recebeu o título de Engenheiro Elétrico, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, SC, Brasil, em 2006, 2008 e 2013, respectivamente. Atualmente, ele é professor no Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica na mesma instituição, onde desenvolve trabalhos relacionados ao processamento de energia a partir de fontes renováveis, controle e estabilidade de microrredes e conversores elevadores de alta eficiência e desempenho. Ele é membro da SOBRAEP e IEEE.

References

Szeberényi, A.; Rokicki, T.; Papp-Váry, Á. "Examining the relationship between renewable energy and environmental awareness",Energies,vol.15, nº19, pp. 7082, setembro2022. https://doi.org/10.3390/en15197082 DOI: https://doi.org/10.3390/en15197082

Jiayi, H.; Chuanwen, J.; Xu, R. "A review on distributed energy resources and microgrid", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol.12, nº9, pp. 2472-2483, dezembro 2008. https://doi.org/10.1016/j.rser.2007.06.004 DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2007.06.004

Gaddala, R.K.; Majumder, M.G.; Rajashekara, K. "DC-Link voltage stability analysis of grid-tied converters using dc impedance models", Energies, vol.15, nº17, pp. 6247, agosto 2022. https://doi.org/10.3390/en15176247 DOI: https://doi.org/10.3390/en15176247

Wang, X.; Blaabjerg, F.; Wu, W. "Modeling and analysis of harmonic stability in an ac power-electronics-based power system", IEEE Transactionon Power Electronics, vol.29, nº 12, pp. 6421-6432, fevereiro2014. https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2306432 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2306432

IEEE Application Guide for IEEE Std 1547, IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems. 2008.IEEE Std.1547.2-2008.

Lee, J.H.; Yoon, Y.H.; Kim, J.M. "Analysis of IEC 61727 Photovoltaic (PV) systems characteristics of the utility interface", International Journal of Internet, Broadcasting and Communication, vol.7, nº 2, pp. 90-95, junho 2015.

Kumar, D.; Zare, F. "Harmonic analysis of grid connected power electronic systems in low voltage distribution networks", IEEE Journal of Emerging SelectedTopics in Power Electronics, vol.4, nº 1, pp. 70-79, março 2016. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2015.2454537

Kefalas, T.D.; Kladas, G.K. "Harmonic impact on distribution transformer no-load loss", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.57, nº 1, pp. 193-200, janeiro 2010. https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2030207

Jain, S.K.; Singh, S.N. "Harmonics Estimation in Emerging Power System: Key Issues and Challenges", Electric Power Systems Research, vol. 81, nº 9, pp. 1754-1766, setembro2011. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2011.05.004 DOI: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2011.05.004

Blaabjerg, F.; Teodorescu, R.; Liserre, M.; Timbus, A.V. "Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.53, nº 5, pp. 1398-1409, outubro 2006. https://doi.org/10.1109/TIE.2006.881997 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2006.881997

Balaguer, I.J.; Lei, Q.; Yang, S.; Supatti, U.; Peng, F.Z. "Controlfor grid-connected and intentional islanding operations of distributed power generation", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.58, nº 1, pp. 147-157, janeiro 2011. https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2049709 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2049709

Pozzebon, G.G.; Goncalves, A.F.Q.; Pena, G.G.; Mocambique, N.E.M.; Machado, R.Q. "Operation of a Three-Phase Power Converter Connected to a Distribution System", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, nº 5, pp. 1810-1818, maio 2013. https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2191751 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2191751

Lee, J.-H.; Jeong, H.-G.; Lee, K.-B. "Performance Improvement of Grid-Connected Inverter Systems Under Unbalanced and Distorted Grid Voltage by Using a PR Controller", Journal of Electrical Engineering and Technology, vol. 7, nº 6, pp. 918-925, novembro 2012. https://doi.org/10.5370/JEET.2012.7.6.918 DOI: https://doi.org/10.5370/JEET.2012.7.6.918

Jeong, H.-G.; Kim, G.S.; Lee, K.-B. "Second-Order Harmonic Reduction Technique for Photovoltaic Power Conditioning Systems Using a Proportional-Resonant Controller", Energies, vol. 6, nº 1, pp. 79-96, janeiro 2013. https://doi.org/10.3390/en6010079 DOI: https://doi.org/10.3390/en6010079

Chicco, G.; Schlabbach, J.; Spertino, F. "Experimental Assessment of the Waveform Distortion in Grid-Connected Photovoltaic Installations", Solar Energy, vol. 83, nº 7, pp. 1026-1039, julho 2009. https://doi.org/10.1016/j.solener.2009.01.005 DOI: https://doi.org/10.1016/j.solener.2009.01.005

Infield, D.G.; Onions, P.; Simmons, A.D.; Smith, G.A. "Power Quality from Multiple Grid-Connected Single-Phase Inverters", IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 19, nº 4, pp. 1983-1989, outubro 2004. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2004.829950 DOI: https://doi.org/10.1109/TPWRD.2004.829950

Wu, T.F.; Sun, K.H.; Kuo, C.L.; Yu, G.R. "Current Distortion Improvement and DC-Link Voltage Regulation for Bi-Directional Inverter in DC-Microgrid Applications", In Proceedings of the 26th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Fort Worth, UnitedStates, 06-11 March 2011. https://doi.org/10.1109/APEC.2011.5744805 DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2011.5744805

Khajeh, K.G.; Solatialkaran, D.; Zare, F.; Mithulananthan, N. "Harmonic Analysis of Grid-Connected Inverters Considering External Distortions: Addressing Harmonic Emissions Up to 9 kHz", IET Power Electronics, vol. 13, nº 6, pp. 1934-1945, junho 2020. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2019.1363 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2019.1363

Xu, J.; Qian, Q.; Zhang, B.; Xie, S. "Harmonics and Stability Analysis of Single-Phase Grid-Connected Inverters in Distributed Power Generation Systems Considering Phase-Locked Loop Impact", IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol. 10, nº 3, pp. 1470-1480, julho 2019. https://doi.org/10.1109/TSTE.2019.2893679 DOI: https://doi.org/10.1109/TSTE.2019.2893679

Karimi-Ghartemani, M. "Linear and Pseudolinear Enhanced Phased-Locked Loop (EPLL) Structures", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, nº 3, pp. 1464-1474, março 2014. https://doi.org/10.1109/TIE.2013.2261035 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2013.2261035

Liu, X.; Sun, H.; Wang, R.; Sun, Q.; Zhang, L.; Wang, P. "Stability Enhancement Method for Grid-Connected Inverters Under Weak Grid: An Improved Feedforward Control Considering Phase-Locked Loop", IET Electric Power Applications, vol. 16, nº 8, pp. 1004-1016, agosto 2022. https://doi.org/10.1049/elp2.12206 DOI: https://doi.org/10.1049/elp2.12206

Hu, A.; Harb, S.; Kutkut, N.; Batarseh, I.; Shen, Z.J. "A Review of Power Decoupling Techniques for Microinverters with Three Different Decoupling Capacitor Locations in PV Systems", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, nº 6, pp. 2711-2726, junho 2013. https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2221482 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2221482

Lahyani, A.; Venet, P.; Grellet, G.; Viverge P.J. "Failure Prediction of Electrolytic Capacitors During Operation of a Switch Mode Power Supply", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 13, nº 6, pp. 1199-1207, novembro 1998. https://doi.org/10.1109/63.728347 DOI: https://doi.org/10.1109/63.728347

Sun, Y.; Liu, Y.; Su, M.; Xiong, W.; Yang, J. "Review of Active Power Decoupling Topologies in Single-Phase Systems", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, nº 8, pp. 4778-4794, agosto 2016.

Qin, Z.; Tang, Y.; Loh, P.C.; Blaabjerg, F. "Benchmark of AC and DC Active Power Decoupling Circuits for Second-Order Harmonic Mitigation in Kilowatt-Scale Single-Phase Inverters", IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 4, nº 1, pp. 15-25, março 2016. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2015.2490199 DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2015.2490199

Bae, H.S.; Lee, S J.; Choi, K.S.; Cho, B.H.; Jang, S.S. "Current Control Design for a Grid Connected Photovoltaic/Fuel Cell DC-AC Inverter", In Proceedings of the 24th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Washington, United States, 15-19 February 2009. https://doi.org/10.1109/APEC.2009.4802939 DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2009.4802939

Serban, I. "Power Decoupling Method for Single-Phase H-Bridge with No Additional Power Electronics", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, nº 8, pp. 4805-4813, agosto 2015. https://doi.org/10.1109/TIE.2015.2399274 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2015.2399274

Tang, Y.; Yao, W.; Loh, P.; Blaabjerg, F. "Highly Reliable Transformerless Photovoltaic Inverters with Leakage Current and Pulsating Power Elimination", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, nº 8, pp. 1016-1026, agosto 2015. https://doi.org/10.1109/TIE.2015.2477802 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2015.2477802

McGrath B.P.; Holmes D.G. "A General Analytical Method for Calculating Inverter DC-Link Current Harmonics", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 45, nº 5, pp. 1851-1859, setembro-outubro 2009. https://doi.org/10.1109/TIA.2009.2027556 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2009.2027556

Du, Y.; Lu, D.D.C.; Chu, G.M.L.; Xiao, W. "Closed-Form Solution of Time-Varying Model and Its Applications for Output Current Harmonics in Two-Stage PV Inverter", IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol. 6, nº 1, pp. 142-150, janeiro 2015. https://doi.org/10.1109/TSTE.2014.2360616 DOI: https://doi.org/10.1109/TSTE.2014.2360616

Kefalas, T.D.; Kladas, A.G. "Harmonic Impact on Distribution Transformer No-Load Loss", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, nº 1, pp. 193-200, janeiro 2010. https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2030207 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2030207

Kumar, D.; Zare, F. "Harmonic Analysis of Grid Connected Power Electronic Systems in Low Voltage Distribution Networks", IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 4, nº 1, pp. 70-79, março 2016. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2015.2454537 DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2015.2454537

Y. Du and D. D.-C. Lu, "Harmonic Distortion Caused by Single-Phase Grid-Connected PV Inverter", Power System Harmonics -Analysis, Effects and Mitigation Solutions for Power Quality Improvement. InTech, May2018. https://doi.org/10.5772/intechopen.73030 DOI: https://doi.org/10.5772/intechopen.73030

R. N. Beres, X. Wang, F. Blaabjerg, M. Liserre and C. L. Bak, "Optimal Design of High-Order Passive-Damped Filters for Grid-Connected Applications", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, nº3, pp. 2083-2098, março2016 https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2441299 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2441299

Downloads

Published

2023-12-31

How to Cite

[1]
V. F. Gruner, C. F. Gonçalves, L. Schmitz, D. C. Martins, and R. F. Coelho, “Metodologia para Estimação da Distorção Harmônica Total em Inversores Monofásicos Conectados à Rede Elétrica”, Eletrônica de Potência, vol. 28, no. 4, pp. 314–323, Dec. 2023.

Issue

Vol. 28 No. 4 (2023)

Section

Original Papers

License

Copyright (c) 2023 Víctor F. Gruner, Christopher F. Gonçalves, Lenon Schmitz, Denizar C. Martins

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Crossref
Scopus
Google Scholar
Europe PMC