Inversor Boost a Capacitor Chaveado Conectado à Rede Elétrica

Jéssika M. de Andrade; Gilberto V. Silva; Roberto F. Coelho; Telles B. Lazzarin

doi:10.18618/REP.2018.4.0005

Authors

Jéssika M. de Andrade Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC, Florianópolis – SC, BRASIL
Gilberto V. Silva Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina – IFSC, Florianópolis – SC, BRASIL
Roberto F. Coelho Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC, Florianópolis – SC, BRASIL
Telles B. Lazzarin Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC, Florianópolis – SC, BRASIL

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2018.4.0005

Keywords:

Capacitor chaveado, Conexão com a Rede Elétrica, Controle, Inversor boost, Linearização, Modelagem

Abstract

Neste artigo propõe-se o emprego do inversor boost diferencial a capacitor chaveado (SCDBI) em aplicações que requerem conexão com a rede elétrica. O SCDBI é um inversor elevador, cujo ganho pode ser aumentado a partir da adição de células a capacitor chaveado, e possui saída em tensão, o que permite injetar correntes na rede com baixa ondulação usando apenas um filtro L. Esses atributos favorecem o emprego da topologia em sistemas de estágio único, onde a tensão de entrada é menor que o valor de pico da tensão de saída. Alguns dos desafios atrelados ao uso do SCDBI estão relacionados à característica de ganho não linear e aos modelos dinâmicos de ordem elevada. Neste artigo, é proposta uma modelagem simplificada e uma técnica de linearização estática, que possibilitam a utilização de um controlador proporcional-integral e uma malha de feedforward para controlar a corrente injetada na rede elétrica. O trabalho também aborda a análise estática do conversor com modulação unipolar e apresenta os procedimentos de dimensionamento. A validação do estudo é feita através dos resultados obtidos a partir de um protótipo de 250 W, conectado à rede de 220 V eficaz, com tensão de entrada de 60 V, frequência de comutação de 50 kHz, rendimento de 90% e corrente de saída com THD menor que 5%.

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Author Biographies

Jéssika M. de Andrade, Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC, Florianópolis – SC, BRASIL

nasceu em Florianópolis, Brasil, em julho de 1994, se formou em Sistemas Eletrônicos no Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC) em Florianópolis, no ano de 2015. Recebeu o título de Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) em Florianópolis, no ano de 2018. Atualmente é aluna de doutorado em engenharia elétrica no Instituto de Eletrônica de Potência na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Seus interesses incluem modelagem e controle aplicados a eletrônica de potência, conversores/inversores com células de ganho, energia renovável e áreas afins.

Gilberto V. Silva, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina – IFSC, Florianópolis – SC, BRASIL

nasceu em Florianópolis-SC (1968) é engenheiro eletricista (1992), possui mestrado (1994) em engenharia pela Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC. Gilberto é professor do Departamento de Eletrotécnica no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina - IFSC (1995). Atualmente é aluno de doutorado no Instituto Eletrônica de Potência da Universidade Federal de Santa Catarina, sob a supervisão do Dr. Telles B. Lazzarin e seus interesses incluem conversores a capacitor chaveado, inversores, modelagem e simulação de conversores chaveados.

Roberto F. Coelho, Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC, Florianópolis – SC, BRASIL

nasceu em Florianópolis, em agosto de 1982. Recebeu o título de Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC, Brasil, em 2006, 2008 e 2013, respectivamente. Atualmente é professor do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da mesma instituição, onde desenvolve trabalhos relacionados ao processamento de energia proveniente de fontes renováveis e ao controle e estabilidade de microrredes. Prof. Roberto é membro da SOBRAEP e do IEEE.

Telles B. Lazzarin, Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC, Florianópolis – SC, BRASIL

nasceu em Criciúma, Santa Catarina, Brasil, em 1979. Recebeu o grau de Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, Brasil, em 2004, 2006 e 2010, respectivamente. Atualmente é professor no Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da UFSC. A área de concentração do Prof. Telles é em eletrônica de potência, com ênfase em energias renováveis (principalmente eólica de pequeno porte), inversores de tensão e conversores estáticos a capacitor chaveado. Prof. Telles é membro da SOBRAEP e do IEEE.

References

S. Z. Mohammad Noor, A. M. Omar, N. N. Mahzan, I. R. Ibrahim, "A review of single-phase single stage inverter topologies for photovoltaic system", in Proc. of IEEE 4th Control and System Graduate Research Colloquium, Shah Alam, pp. 69-74, Agosto 2013. https://doi.org/10.1109/ICSGRC.2013.6653278 DOI: https://doi.org/10.1109/ICSGRC.2013.6653278

S. Kouro, J. I. Leon, D. Vinnikov, L. G. Franquelo, "Grid-Connected Photovoltaic Systems: An Overview of Recent Research and Emerging PV Converter Technology", in IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 9, pp. 47-61, March 2015. https://doi.org/10.1109/MIE.2014.2376976 DOI: https://doi.org/10.1109/MIE.2014.2376976

R. F. Coelho, L. Schmitz, D. C. Martins, "Proposal of a power flow control strategy applied to a hybrid microgrid", in Proc. Of IEEE 13th Brazilian Power Electronics Conference and 1st Southern Power Electronics Conference, Fortaleza, pp. 1-6, 2015. https://doi.org/10.1109/COBEP.2015.7420226 DOI: https://doi.org/10.1109/COBEP.2015.7420226

L. Schmitz, R. F. Coelho, D. C. Martins, "High step-up high efficiency dc-dc converter for module-integrated photovoltaic applications", in Proc. of IEEE 13th Brazilian Power Electronics Conference and 1st Southern Power Electronics Conference, Fortaleza, pp. 1-6, 2015. https://doi.org/10.1109/COBEP.2015.7420072 DOI: https://doi.org/10.1109/COBEP.2015.7420072

J. Zeng, M. Zhuo, H. Cheng, T. Kim, V. Winstead, L. Wu, "Power pulsation decoupling for a two-stage single-phase photovoltaic inverter with film capacitor", in Proc. Of IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Cincinnati, OH, pp. 468-474, October 2017. https://doi.org/10.1109/ECCE.2017.8095820 DOI: https://doi.org/10.1109/ECCE.2017.8095820

R. Caceres, I. Barbi, "A boost DC-AC converter: operation, analysis, control and experimentation", in Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, in Proc. of IEEE IECON, vol.1, n. 1, pp. 546-551, 1995.

J. Garcia, M. A. Dalla-Costa, A. Kirsten, D. Gacio, P. Quintana, "Study of a flyback-based stage as grid interface topology for micro-generation applications", in Proc. International Power Electronics and Motion Control Conference, Novi Sad, pp. LS7a.2-1-LS7a.2-6, 2012.

S. B. Kjaer, J. K. Pedersen, F. Blaabjerg, "A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules", in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 41, no. 5, pp. 1292-1306, Sept-Oct. 2005. https://doi.org/10.1109/TIA.2005.853371 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2005.853371

G. B. N. de Macedo. Microinversor flyback de estágio único para conexão de módulo fotovoltaico a rede elétrica. 181 f. Dissertação - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis, 2017.

B. N. Alajmi, K. H. Ahmed, G. P. Adam, B. W. Williams, "Single-Phase Single-Stage Transformer less Grid-Connected PV System," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 6, pp. 2664-2676, June 2013. https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2228280 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2228280

K. K. H. Dia, M. A. Choudhury, Ahammad, "A single phase differential Zeta rectifier-inverter," in Proc. Of IEEE International WIE Conference on Electrical and Computer Engineering, Dhaka, pp. 284-288, 2015.

W. Yao, X. Zhang, X. Wang, Y. Tang, P. C. Loh, F. Blaabjerg, "Power decoupling with autonomous reference generation for single-phase differential inverters," in Proc. European Conference on Power Electronics and Applications, Geneva, pp. 1-10, 2015. https://doi.org/10.1109/EPE.2015.7311675 DOI: https://doi.org/10.1109/EPE.2015.7311675

M. K. Nguyen, T. T. Tran, "A Single-Phase Single-Stage Switched-Boost Inverter with Four Switches", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, pp. 6769-6781, Agosto 2018. https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2754547 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2754547

D. Chen, Y. Qiu, Y. Chen, Y. He, "Nonlinear PWM-Controlled Single-Phase Boost Mode Grid-Connected Photovoltaic Inverter With Limited Storage Inductance Current", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 4, pp. 2717-2727, April 2017. https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2571725 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2571725

A. Kumar, P. Sensarma, "A Four-Switch Single-Stage Single-Phase Buck-Boost Inverter", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 7, pp. 5282-5292, July 2017. https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2605150 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2605150

G. V. Silva, R. F. Coelho, T. B. Lazzarin, "Switched capacitor boost inverter", in Proc. ofIEEE International Symposium on Industrial Electronics, pp. 528-533, 2016. https://doi.org/10.1109/ISIE.2016.7744945 DOI: https://doi.org/10.1109/ISIE.2016.7744945

G. V. Silva, R. F. Coelho, T. B. Lazzarin, "Switched-capacitor differential boost inverter: Static gain and generalized structure", in Proc. IEEE International Conference on Industry Applications, pp. 1-8, 2016. https://doi.org/10.1109/INDUSCON.2016.7874461 DOI: https://doi.org/10.1109/INDUSCON.2016.7874461

S. Ben-Yaakov, "Behavioral Average Modeling and Equivalent Circuit Simulation of Switched Capacitors Converters", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 2, pp. 632-636, Feb. 2012. https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2171996 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2171996

N. C. Dal Pont, M. Dalla Vecchia, G. Waltrich, T. B. Lazzarin, "Step-up inverter conceived by the integration between a Full-Bridge inverter and a Switched Capacitor Converter", in Proc. ofIEEE Brazilian Power Electronics Conference and Southern Power Electronics Conference, Fortaleza, pp. 1-6, 2015. https://doi.org/10.1109/COBEP.2015.7420138 DOI: https://doi.org/10.1109/COBEP.2015.7420138

D. Cortes, N. Vazquez,J. Alvarez-Gallegos, "Dynamical Sliding-Mode Control of the Boost Inverter", in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, pp. 3467-3476, Setembro 2009. https://doi.org/10.1109/TIE.2008.2010205 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2008.2010205

P. Sanchis, A. Ursaea, E. Gubia, L. Marroyo, "Boost DC-AC inverter: a new control strategy", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 20, pp. 343-353, March 2005. https://doi.org/10.1109/TPEL.2004.843000 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2004.843000

K. Jha, S. Mishra, A. Joshi, "High-Quality Sine Wave Generation Using a Differential Boost Inverter at Higher Operating Frequency", in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 51, pp. 373-384, Jan-Feb 2015. https://doi.org/10.1109/TIA.2014.2330059 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2014.2330059

G. L. Piazza , I. Barbi, "New Step-Up/Step-Down DC-AC Converter", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, pp. 4512-4520, Setembro 2014. https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2277961 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2277961

G. V. Silva, R. F. Coelho, T. B. Lazzarin, "Modelagem do Conversor Boost com Células a Capacitor Chaveado por Meio de um Conversor Equivalente de Ordem Reduzida", Eletrônica de Potência, Campo Grande, v. 22, n. 3, p. 288-297, jul-set 2017. https://doi.org/10.18618/REP.2017.3.2688 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2017.3.2688

R. Middlebrook, S. Cuk, "A general unified approach to modelling switching-converter power stages", in Proc. of Power Electronics Specialists Conference, pp. 18-34, 1976. https://doi.org/10.1109/PESC.1976.7072895 DOI: https://doi.org/10.1109/PESC.1976.7072895

A. F. C. Aquino, G. Santos, U. Miranda, M. Aredes, A. C. M. Araujo, "Synchronizing circuits applied to nonlinear loads models", in Proc. of IEEE/PES Transmision and Distribution Conference and Exposition: Latin America, pp. 700-705, 2004.

H. H. Figueira, H. L. Hey, L. Schuch, C. Rech, L. Michels, "Brazilian grid-connected photovoltaic inverters standards: A comparison with IEC and IEEE", in Proc. ofIEEE International Symposium on Industrial Electronics, Búzios, pp. 1104-1109, 2015. https://doi.org/10.1109/ISIE.2015.7281626 DOI: https://doi.org/10.1109/ISIE.2015.7281626