Conversor CC-CC Bidirecional De Três Portas, Estágio Único E Alto Ganho De Tensão Para Aplicações Em Sistemas Fotovoltaicos

Authors

  • Paulo Peixoto Praça Universidade Federal do Ceará – UFC, Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC), Fortaleza – CE, Brasil
  • Diego Bruno Saraiva Alves Universidade Federal do Ceará – UFC, Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC), Fortaleza – CE, Brasil
  • Demercil de Souza Oliveira Júnior Universidade Federal do Ceará – UFC, Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC), Fortaleza – CE, Brasil
  • Luan Carlos dos Santos Mazza Universidade Federal do Ceará – UFC, Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC), Fortaleza – CE, Brasil
  • Luiz Henrique Silva Colado Barreto Universidade Federal do Ceará – UFC, Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC), Fortaleza – CE, Brasil

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2017.3.2683

Keywords:

Alto Ganho, comutação suave, Conversores Três Portas, Energias Renováveis

Abstract

Este artigo tem por escopo apresentar o estudo e desenvolvimento de um conversor CC-CC não isolado de três portas, adequado à integração em um único estágio de conversão: um banco de baterias, um conjunto de painéis fotovoltaicos e o link CC. A topologia proposta apresenta um conversor boost de alto ganho baseado na versão bidirecional da célula de comutação de três estados na qual se tem integrado um banco de baterias e um conjunto de painéis fotovoltaicos com capacidade para gerar um barramento CC de 200V em um único estágio de processamento. A característica bidirecional da topologia permite que os painéis fotovoltaicos carreguem as bateiras e alimente a carga dependendo da potência gerada pelo PV. No caso de ausência de sol, o banco de baterias supre a carga. Outra importante característica deste conversor é a comutação suave em modo ZVS para todas as chaves. Foi desenvolvido um protótipo experimental com potência nominal de 500W de forma a validar todo o embasamento teórico e de simulação apresentados. O conversor desenvolvido foi submetido a três condições: o fluxo de energia da bateria para a carga, do painel fotovoltaico para a carga e do painel para o banco de baterias, sendo obtido o rendimento de 94,18%, 96,09% e 94,67% respectivamente para cada condição. Além disso, as formas de ondas experimentais e de simulação para cada condição e o comparativo de rendimento de topologias, também são apresentados. O alto ganho e o rendimento alcançado nesta topologia, a torna uma forte solução quando há necessidade de elevar a tensão a partir de baterias ou painéis fotovoltaicos, quando os valores fornecidos por estes geralmente são de 12V, 24V ou 48V.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Paulo Peixoto Praça, Universidade Federal do Ceará – UFC, Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC), Fortaleza – CE, Brasil

- Possui graduação em Engenharia Eletrônica pela Universidade de Fortaleza (UNIFOR) em 2003, mestrado e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Ceará em 2006 e 2011 respectivamente. Desde 2009 é professor da Universidade Federal do Ceará - UFC. Atualmente encontra-se como professor adjunto III da Universidade Federal do Ceará e Chefe do Departamento de Engenharia Elétrica da mesma instituição. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica e Eletrônica, com ênfase em Eletrônica de Potência, atuando principalmente nos seguintes temas: Energias Renováveis, Conversores CC/CC e CC/CA, Carregadores de Baterias, Controle Digital e Sistemas UPS.

Diego Bruno Saraiva Alves, Universidade Federal do Ceará – UFC, Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC), Fortaleza – CE, Brasil

– Graduado em Engenharia de Controle e Automação pela Universidade de Fortaleza - UNIFOR (2011), mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Ceará - UFC (2014). Atua profissionalmente com projetos de Sistemas Embarcados: Hardware e Firmware. Tem experiência na área de projeto de produtos e automação de subestações de energia. Seus temas de interesse são: Energia Solar, Conversores CC-CC, Sistemas Operacionais de Tempo Real, Microcontroladores 8/32 bits, IoT, Protocolos de Comunicação, Sistema SCADA e Hardware Design.

Demercil de Souza Oliveira Júnior, Universidade Federal do Ceará – UFC, Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC), Fortaleza – CE, Brasil

- Possui graduação e mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia (1999, 2001)), e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (2004). Atualmente é Professor Associado II da Universidade Federal do Ceará, e revisor da IEEE Transactions on Industrial Electronics (0278-0046), IEEE Transactions on Power Electronics e da revista da Sobraep. Foi coordenador do curso de Graduação em Eng. Elétrica da UFC entre 2009 e 2011. É coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica desde 2015. Em 2009 ganhou o Prêmio Santander na Catagoria Indústria e foi orientador do vencedor no Prêmio Jovem Cientista 2010 - CNPQ. Atualmente é bolsista produtividade 2 do CNPQ e senior member do IEEE. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Eletrônica de Potência, atuando principalmente nos seguintes temas: comutação suave, conversores estáticos para geração eólica e fotovoltaica, conversão CC/CC trifásica e Transformadores de Estado Sólido.

Luan Carlos dos Santos Mazza, Universidade Federal do Ceará – UFC, Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC), Fortaleza – CE, Brasil

Possui graduação em Tecnologia em Mecatrônica Industrial pelo IFCE - Campus Limoeiro do Norte - CE (2011). Especialista em Engenharia de Segurança do Trabalho pela Faculdades Integradas de Jacarepaguá (FIJ) - RJ (2011). Especialista em Reengenharia de Projetos Educacionais com Ênfase em Matemática pela Faculdade de Selvíria (FAS) - MS (2012). Técnico em Eletroeletrônica pela Faculdade de Tecnologia CENTEC de Limoeiro do Norte - CE (2007). Mestre (2014) e Doutorando em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Ceará (UFC) Campus do Pici, Fortaleza, CE. Atualmente é professor efetivo do IFCE Campus Tabuleiro do Norte. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Eletrônica de Potência, Automação e Controle e Energias Renováveis, atuando principalmente nos seguintes temas: automação industrial, CLP, geração fotovoltaica e eólica, conversores estáticos CC-CC, CC-CA e CA-CC e eficiência energética em instalações elétricas.

Luiz Henrique Silva Colado Barreto, Universidade Federal do Ceará – UFC, Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC), Fortaleza – CE, Brasil

– Natural de Naviraí, MS, possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Mato Grosso (1997); mestrado e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia (1999, 2003). Realizou estágio pós-doutoral no Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Knoxville, TN, USA (2016/2017) Atualmente é Professor da Universidade Federal do Ceará, e revisor da IEEE Transactions on Industrial Electronics, IEEE Transactions on Power Electronics e da revista da Sobraep. Foi coordenador do curso de Pós-Graduação em Eng. Elétrica da UFC entre 2007 e 2011 e chefe do departamento de engenharia elétrica de 2011 a 2015. Atualmente é bolsista produtividade 2 do CNPQ e senior member do IEEE. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Eletrônica de Potência, atuando principalmente nos seguintes temas: comutação suave, conversores estáticos para geração eólica e fotovoltaica, conversão CC/CC trifásica e Transformadores de Estado Sólido.

References

J. G. De Matos, L. A. S. Ribeiro, F. S. F. E Silva, "Controle da Potência Gerada em Microrredes Autônomas e Isoladas com Fontes de Energia Renováveis e Sistema de Armazenamento com Bancos de Baterias", Eletrônica de Potência, vol. 19, no 2, pp. 152-162, Maio 2014.https://doi.org/10.18618/REP.2014.2.152162 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2014.2.152162

D. I. Brandão, F. P. Marafão, F. A. Farret, M. G. Simões, "Proposta de Metodologia Para o Gerenciamento Automático de Sistemas Fotovoltaicos de Geração Distribuída", Eletrônica de Potência , vol. 18, no 4, pp. 1257-1265, Novembro 2013.https://doi.org/10.18618/REP.2013.4.12571265 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2013.4.12571265

P. M. De Almeida, P. G. Barbosa, A. A. Ferreira, H. A. C. Braga, P. F. Ribeiro, "Controle e Redução das Correntes Harmônicas de Um Sistema de Geração Fotovoltaico Interligado À Rede Elétrica Sem Filtros Passivos”, Eletrônica de Potência , vol. 18, no 4, pp. 1149-1160, Novembro 2013.https://doi.org/10.18618/REP.2013.4.11491160 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2013.4.11491160

D. C. Martins, M. M. Casaro, L. Schmitz, C. Knaesel, "Modified Dual-stage Inverter Applied In A Three-phase Grid-connected Pv System Using Behavior Matching Technique", Eletrônica de Potência, vol. 18, no 1, pp. 793-803, Fevereiro 2013. Fig. 27. Protótipo experimental. Eletrôn. Potên., Campo Grande, v. 22, n. 3, p. 258-268, jul./set. 2017https://doi.org/10.18618/REP.2013.1.793803 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2013.1.793803

M. Mezaroba, R. L. Klein, R. J. M. Dos Santos, A. F. De Paiva, A. L. Batscauer, "Conversor CC-CC Bidirecional em Corrente ZVZCS PWM com Grampeamento Ativo", Eletrônica de Potência, vol. 17, no 2, pp. 503-512, Maio 2012.https://doi.org/10.18618/REP.2012.2.503512 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2012.2.503512

Y. R. De Novaes, J. B. F. Cabral, S. V. G. Oliveira, "Conversor CC-CC Boost Quadrático Para Aplicação em Fontes Alternativas", Eletrônica de Potência, vol. 18, no 3, pp. 1064-1072, Agosto 2013.https://doi.org/10.18618/REP.2013.3.10641072 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2013.3.10641072

L. C. G. De Freitas, L. S. Garcia, L. C. De Freitas, J. B. Vieira Jr, E. A. A. Coelho, V. J. Farias, "Single-stage Current Source Inverter With Amplified Sinusoidal Output Voltage: Analysis, Simulation And Experimental Results", Eletrônica de Potência, vol. 16, no 3, pp. 222-232, Agosto 2011.https://doi.org/10.18618/REP.20113.222232 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.20113.222232

E. Sreeraj, C. Kishore, B. Santanu, "One-Cycle-Controlled Single-Stage Single-Phase Voltage-Sensorless Grid-Connected PV System", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 3, pp. 1216-1224, March 2013.https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2191755 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2191755

W. Li, W. Li, Y. Deng, X. He, "Single-Stage Single-Phase High-Step-Up ZVT Boost Converter for Fuel-Cell Microgrid System", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 25, no. 12, pp. 3057-3065, December 2010.https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2079955 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2079955

Y. Ye, K. W. E. Cheng, "A Family of Single-Stage Switched-Capacitor-Inductor PWM Converters", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 11, pp. 5196-5205, November 2013.https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2245918 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2245918

L. J. Chien, C. C. Chen, J. F. Chen, Y. P. Hsieh, "Novel Three-Port Converter With High-Voltage Gain", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 9, pp. 4693-4703, September 2014.https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2285477 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2285477

Y. M. Chen, A. Q. Huang, X. Yu, "A High Step-Up Three-Port DC-DC Converter for Stand-Alone PV/Battery Power Systems", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 11, pp. 5049-5062, November 2013.https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2242491 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2242491

H. Wu, K. Sun, R. Chen, H. Hu, Y. Xing, "Full-Bridge Three-Port Converter With Wide Input Voltage Range for Renewable Power Systems", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 9, pp. 3965-3974, September 2012.https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2188105 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2188105

H. Wu, R. Chen, J. Zhang, Y. Xing, H. Hu, H. Ge, "A Family of Three-Port Half-Bridge Converters for a Stand-Alone Renewable Power System", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 9, pp. 2697-2706, September 2011.https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2125991 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2125991

Z. Wang, H. Li, "An Integrated Three-Port Bidirectional DC-DC Converter for PV Application on a DC Distribution System", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 10, pp. 4612-4624, October 2013.https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2236580 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2236580

P. P. Praça, L. H. S. C. Barreto, D. S. Oliveira Jr, R. P. T. Bascopé, "Single-stage topologies integrating battery charging, high voltage step-up and photovoltaic energy extraction capabilities", IET Journals & Magazines - Electronics Letters, vol. 47, no. 1, pp. 49-50, January 2011.https://doi.org/10.1049/el.2010.2944 DOI: https://doi.org/10.1049/el.2010.2944

P. P. Praça, L. H. S. C. Barreto, D. S. Oliveira Jr, G. A. L. Henn, R. A. Camara, R. N. A. L. Silva, "High voltage gain boost converter battery charger applied to PV systems", in Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 1526-1531, 2011.

P. P. Praça, L. H. S. C. Barreto, D. S. Oliveira Jr, G. A. L. Henn, R. N. A. L. Silva, "Single Stage High Voltage Gain Boost Converter With Voltage Multipier Cells for Battery Charging Using Photovoltaic Panels" Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC),pp. 364-368, 2012.

P. P. Praça, L. H. S. C. Barreto, D. S. Oliveira Jr, , R. N. A. L. Silva, "High-voltage gain boost converter based on three-state commutation cell for battery charging using PV panels in a single conversion stage", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 1, pp. 150-158, January 2014.https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2248023 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2248023

G. V. T. Bascope, I. Barbi, "Generation of a family of non-isolated DC-DC PWM converters using new three-state switching cells", in Power Electronics Specialists Conference, PESC 00. pp. 858-863, 2000.

J. P. R. Balestero, F. L. Tofoli, G. V. T. Bascope, J. F. M. de Seixas, "A DC-DC Converter Based on the Three-State Switching Cell for High Current and Voltage Step-Down Applications", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 1, pp. 398-407, January 2013.https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2197419 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2197419

G. C. Silveira, F. L. Tofoli, L. D. S. Bezerra, R. P. T. Bascopé, "A Nonisolated DC-DC Boost Converter With High Voltage Gain and Balanced Output Voltage", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, no. 12, pp. 6739-6746, December 2014.https://doi.org/10.1109/TIE.2014.2317136 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2014.2317136

R. W. De Doncker, D. M. Divan, M. H. Kheraluwala, "A Three-Phase Soft-Switched High Power Density DC/DC Converter for High Power Applications", IEEE Transactions on Industrial Applications, vol. 27, no. 1, pp. 63-73, February 1991.https://doi.org/10.1109/28.67533 DOI: https://doi.org/10.1109/28.67533

Downloads

Published

2017-09-30

How to Cite

[1]
P. Peixoto Praça, D. Bruno Saraiva Alves, D. de Souza Oliveira Júnior, L. Carlos dos Santos Mazza, and L. H. Silva Colado Barreto, “Conversor CC-CC Bidirecional De Três Portas, Estágio Único E Alto Ganho De Tensão Para Aplicações Em Sistemas Fotovoltaicos”, Eletrônica de Potência, vol. 22, no. 3, pp. 258–268, Sep. 2017.

Issue

Vol. 22 No. 3 (2017)

Section

Original Papers

License

Copyright (c) 2017 Revista Eletrônica de Potência

Creative Commons License

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

Crossref
Scopus
Google Scholar
Europe PMC