Estudo do Inversor ĆUK Integrado Monofásico em Operação Autônoma no Modo de Condução Descontínua

Rafael T. Inoue; Anderson A. Dionizio; Leonardo P. Sampaio; Sérgio A. O. da Silva; Moacyr A. G. de Brito; Guilherme M. Pelz

doi:10.18618/REP.2005.2.009016

Authors

Rafael T. Inoue Universidade Tecnológica Federal do Paraná https://orcid.org/0009-0009-9330-8330
Anderson A. Dionizio Universidade Tecnológica Federal do Paraná https://orcid.org/0000-0001-6749-6512
Leonardo P. Sampaio Universidade Tecnológica Federal do Paraná https://orcid.org/0000-0002-6854-3015
Sérgio A. O. da Silva Universidade Tecnológica Federal do Paraná https://orcid.org/0000-0003-3546-1088
Moacyr A. G. de Brito Universidade Federal de Mato Grosso do Sul https://orcid.org/0000-0003-4902-409X
Guilherme M. Pelz Universidade Tecnológica Federal do Paraná https://orcid.org/0000-0002-1399-8151

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2005.2.009016

Keywords:

Conversor Ćuk, Inversor de Único Estágio, Inversor Integrado, Inversor Monofásico, Modo de Condução Descontínua

Abstract

Estruturas de inversores integrados vêm sendo amplamente adotados na interface de fontes de energia elétrica em CC com aplicações em CA. Desta forma, este trabalho contribui com estudos acerca do inversor Ćuk integrado (ICI) monofásico, apresentando a modelagem da estrutura, além de uma nova estratégia de comutação para os interruptores de potência. O ICI é projetado para operar no modo de condução descontinua, bem como para atuar de forma autônoma, a fim de fornecer tensão senoidal e controlada para cargas locais em CA. A partir da modelagem em espaço de estados, é obtida a função de transferência do inversor, bem como projetado o controlador de tensão. O ICI se destaca por: i) empregar menor número de componentes; ii) operar somente com um interruptor em alta frequência; iii) ser capaz de elevar a tensão de entrada e fornecer uma tensão senoidal de forma simultânea. Por meio de resultados de simulações computacionais e experimentais, a viabilidade do ICI é avaliada e validada. Os testes experimentais demonstram que o ICI possui elevado rendimento e é capaz de fornecer uma tensão senoidal com baixa distorção harmônica.

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Author Biographies

Rafael T. Inoue, Universidade Tecnológica Federal do Paraná

é engenheiro eletrônico (2023), pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Cornélio Procópio (UTFPR-CP). Atualmente é mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UTFPR-CP, desenvolvendo suas atividades no Laboratório de Laboratório de Eletrônica de Potência, Qualidade de Energia e Energias Renováveis (LEPQER). Suas áreas de interesse são: eletrônica de potência, qualidade de energia elétrica, conversores estáticos, inversores integrados, sistemas fotovoltaicos.

Anderson A. Dionizio, Universidade Tecnológica Federal do Paraná

é engenheiro de controle e automação (2021), mestre em engenharia elétrica (2023) pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Cornélio Procópio (UTFPR-CP). Atualmente é doutorando do Programa de Pós-Graduação Associado em Engenharia Elétrica da UTFPR-CP, desenvolvendo suas atividades de pesquisa no Laboratório de Eletrônica de Potência, Qualidade de Energia e Energias Renováveis (LEPQER). Suas áreas de interesse são: energia renováveis, qualidade de energia elétrica, conversores estáticos, filtros ativos de potência e microrredes bipolares. É membro da SBA e da SOBRAEP.

Leonardo P. Sampaio, Universidade Tecnológica Federal do Paraná

é engenheiro eletricista (2008), mestre em engenharia elétrica (2010) e doutor em engenharia elétrica (2013) pela Universidade Estadual Paulista - Ilha Solteira (UNESP/IS). É professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR-CP) desde 2012. É membro e colaborador do Laboratório de Eletrônica de Potência, Qualidade de Energia e Energias Renováveis (LEPQER). Atualmente, é bolsista produtividade PQ-2 do CNPq. Atualmente, é coordenador do Programa de Pós-Graduação Associado em Engenharia Elétrica da UTFPR-CP. Suas áreas de interesse são: energias renováveis, qualidade de energia elétrica, conversores estáticos de potência, ferramentas educacionais e programação em Java. É membro da SOBRAEP.

Sérgio A. O. da Silva, Universidade Tecnológica Federal do Paraná

é engenheiro eletricista (1987) e mestre em engenharia elétrica (1989) pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC); e doutor em engenharia elétrica (2001) pela Universidade Federal de Minas Gerais. É professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, (UTFPR-CP) desde 1993. É coordenador do Laboratório de Eletrônica de Potência, Qualidade de Energia e Energias Renováveis (LEPQER). Atualmente, é coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UTFPR-CP. Atualmente, é bolsista produtividade PQ-1D do CNPq. Suas áreas de interesse são: sistemas de energia ininterrupta, condicionadores ativos de energia elétrica, qualidade da energia elétrica, energias renováveis e ferramentas educacionais para o ensino de eletrônica de potência. É membro da SOBRAEP e do IEEE.

Moacyr A. G. de Brito, Universidade Federal de Mato Grosso do Sul

é engenheiro eletricista (2005), mestre em engenharia elétrica (2008) e doutor em engenharia elétrica (2013), pela Universidade Estadual Paulista - Ilha Solteira (UNESP/IS). Atualmente, é professor Adjunto da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul – Campus de Campo Grande - MS atuando nos cursos de Graduação em Engenharia Elétrica e de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. É bolsista produtividade PQ-2 do CNPq. Suas áreas de interesse são controle aplicado à Eletrônica de Potência, uso de FPGAs, inversores em conexão com a rede de energia elétrica para fontes alternativas de energia e conversores para veículos elétricos. É membro da SOBRAEP e do IEEE.

Guilherme M. Pelz, Universidade Tecnológica Federal do Paraná

é engenheiro de controle e automação (2016), mestre em engenharia elétrica (2018) e doutor em engenharia elétrica (2023) pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Cornélio Procópio (UTFPR-CP). É professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, (UTFPR-CP) desde 2023. É pesquisador no Laboratório de Eletrônica de Potência, Qualidade de Energia e Energias Renováveis (LEPQER). Suas áreas de interesse englobam sistemas de energia renováveis, qualidade de energia, filtros ativos de potência, microrredes e controle de conversores.

References

N. M. Haegel, S. R. Kurtz, "Global Progress Toward Renewable Electricity: Tracking the Role of Solar (Version 2)", IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 12, no. 6, pp. 1265-1272, Nov. 2022, doi:https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2022.3206532 DOI: https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2022.3206532

A. Qazi, F. Hussain, N. A. Rahim, G. Hardaker, D. Alghazzawi, K. Shaban, K. Haruna, "Towards Sustainable Energy: A Systematic Review of Renewable Energy Sources, Technologies, and Public Opinions", IEEE Access, vol. 7, pp. 63837-63851, Maio 2019, doi:https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2906402 DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2906402

Z. Tang, Y. Yang, F. Blaabjerg, "Power Electronics: The Enabling Technology for Renewable Energy Integration", CSE Journal of Power Electronics Systems, vol. 8, no. 1, pp. 39-52, Jan. 2022, doi:

V. F. Pires, A. Pires, A. Cordeiro, "DC Microgrids: Benefits, Architectures, Perspectives and Challenges", Energies, vol. 16, no. 3, pp. 1-20, Jan. 2023, doi:https://doi.org/10.3390/en16031217 DOI: https://doi.org/10.3390/en16031217

T. Dragičević, X. Lu, J. C. Vasquez and J. M. Guerrero, "DC Microgrids-Part II: A Review of Power Architectures, Applications, and Standardization Issues", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 5, pp. 3528-3549, May 2016, doi:https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2464277 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2464277

L. Xu et al., "A Review of DC Shipboard Microgrids-Part I: Power Architectures, Energy Storage, and Power Converters", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 37, no. 5, pp. 5155-5172, May 2022, doi:https://doi.org/10.1109/TPEL.2021.3128417 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2021.3128417

Q. Zhang et al., "An Improved Distributed Cooperative Control Strategy for Multiple Energy Storages Parallel in Islanded DC Microgrid", IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 10, no. 1, pp. 455-468, Feb. 2022, doi:https://doi.org/10.1109/JESTPE.2021.3072701 DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2021.3072701

M. A. G. de Brito, L. P. Sampaio, J. C. U. Peña, C. A. Canesin, "Família de Inversores Integrados Monofásicos e Trifásicos", Eletrônica de Potência, vol. 19, no. 4, pp. 368-376, Set./Nov. 2014, doi:https://doi.org/10.18618/REP.2014.4.368376 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2014.4.368376

A. A. Dionizio, L. P. Sampaio, S. A. O. da Silva, "Inversor Integrado Zeta para Aplicações em Sistemas Autônomos Monofásicos de Geração de Energia", Eletrônica de Potência, vol. 27, no. 4, pp. 313-324, Out./Dez. 2022, doi:https://doi.org/10.18618/REP.2022.4.0016 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2022.4.0016

D. Murodia, A. K. Sharma, S. Singh, "Analysis of Single-Stage Boost Inverter for Renewable Energy Generation System (REGS) in Discontinuous Conduction Mode (DCM)", in 2019 International Conference on Communication and Electronics Systems (ICCES), pp. 1438-1443, 2019, doi:https://doi.org/10.1109/ICCES45898.2019.9002152 DOI: https://doi.org/10.1109/ICCES45898.2019.9002152

A. A. Khan, H. Cha, "Dual-Buck-Structured High Reliability and High Efficiency Single-Stage Buck-Boost Inverters", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 4, pp. 3176-3187, Apr. 2018, doi:https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2752145 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2752145

U. A. Khan, J.-W. Park, "Full-Bridge Single-Inductor-Based Buck-Boost Inverters", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 2, pp. 1909-1920, Feb. 2021, doi:https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.3011462 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.3011462

S. A. A. Kormath, K. M. Shafeeque, K. T. Ajmal, "Non-Isolated Five Switch CCM Boost Inverter", in 2020 International Conference on Electronics and Sustainable Communication Systems (ICESC), pp. 1056-1061, 2020, doi:https://doi.org/10.1109/ICESC48915.2020.9155820 DOI: https://doi.org/10.1109/ICESC48915.2020.9155820

F. Akbar, H. Cha, H.-G. Kim, "Novel Virtual-Ground Single-Stage Single-Inductor Transformerless Buck-Boost Inverter", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 68, no. 8, pp. 6927- 6938, Aug. 2021, doi:https://doi.org/10.1109/TIE.2020.3007117 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2020.3007117

J. B. B. Quispe, Inversor Integrado Ćuk para Aproveitamento da Energia Fotovoltaica em Conexão com a Rede em Corrente Alternada, Master's thesis, Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira, Brasil, fevereiro 2019.

R. W. Erickson, Fundamentals of Power Electronics, 1st ed., Springer, Cham, Suíça, 1997.https://doi.org/10.1007/978-1-4615-7646-4_1 DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4615-7646-4_1

A. A. Dionizio, Análise de Topologias de Inversores Integrados Monofásicos Empregando Conversores Zeta e Ćuk, Master's thesis, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, Brasil, 2023.

R. C. Viero, F. S. dos Reis, "Modelo de Pequenos Sinais do Conversor Zeta Operando no Modo de Condução Descontínua", Eletrônica de Potência, vol. 20, no. 4, pp. 334-346, Set./Nov. 2015, doi:https://doi.org/10.18618/REP.2015.4.2520 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2015.4.2520

A. A. Dionizio, L. P. Sampaio, S. A. O. da Silva, S. de Jesús Manrique Machado, "Grid-Tied Single-Phase Integrated Zeta Inverter for Photovoltaic Applications", Energies, vol. 16, no. 9, Apr. 2023, doi:https://doi.org/10.3390/en16093622 DOI: https://doi.org/10.3390/en16093622

D. S. L. Simonetti, J. Sebastián, F. S. dos Reis, J. Uceda, "Design criteria for SEPIC and Ćuk converters as power factor preregulators in discontinuous conduction mode", in Proceedings of the 1992 International Conference on Industrial Electronics, Control, Instrumentation, and Automation, vol. 1, pp. 283-288, 1992, doi: DOI: https://doi.org/10.1109/IECON.1992.254619

V. F. Pires, A. Cordeiro, C. Roncero-Clemente, S. Rivera, T. Dragičević, "DC-DC Converters for Bipolar Microgrid Voltage Balancing: A Comprehensive Review of Architectures and Topologies", IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 11, no. 1, pp. 981-998, Feb. 2023, doi:https://doi.org/10.1109/JESTPE.2022.3208689 DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2022.3208689

G. Salagiannis, E. Tatakis, "Review on Non-Isolated Multiport Converters for Residential DC Microgrids", Energies, vol. 17, no. 1-19, 2024, doi:https://doi.org/10.3390/en17010222 DOI: https://doi.org/10.3390/en17010222

G. M. Pelz, S. A. O. da Silva, L. P. Sampaio, "Comparative analysis involving PI and state-feedback multi-resonant controllers applied to the grid voltage disturbances rejection of a unified power quality conditioner", International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 115, pp. 1-14, Feb. 2020, doi:https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2019.105481 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2019.105481

B. A. Angélico, L. B. G. Campanhol, S. A. O. da Silva, "Proportional-integral/proportional-integral-derivative tuning procedure of a single-phase shunt active power filter using Bode diagram", IET Power Electronics, vol. 7, no. 10, pp. 2647-2659, Mar. 2014, doi:https://doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0789 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0789

PRODIST - Módulo 8 - Qualidade do Fornecimento de Energia Elétrica, ANEEL, 2021.

IEEE Standard for Harmonic Control in Electric Power Systems, IEEE Std. 519-2022 (Revision of IEEE Std 519-2014), Aug. 2022.

Voltage Characteristics of Electricity Supplied by Public Electricity Networks, UNE EN 50160:2023, 2023.

Scott D. Sudhoff, Power Magnetic Devices: A Multi-Objective Design Approach, IEEE-Press, 2ª Edição, New Jersey, 2022.https://doi.org/10.1002/9781119674658 DOI: https://doi.org/10.1002/9781119674658

M. K. Kazimierczuk, F. Corti, G. M. Lozito, A. Reatti, "Non-Isolated Zeta PWM DC-DC Power Converter Analysis for CCM Including Parasitics", IEEE Access, vol. 12, pp. 2635-2647, 2024, doi:https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3347750 DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3347750

M. K. Jutty, M. K. Kazimierczuk, "Efficiency of the transformer Cuk PWM converter", in Proc. of the National Aerospace and Electronics Conference-NAECON 1993, pp. 639-644, 1993, doi: DOI: https://doi.org/10.1109/NAECON.1993.290864

C. A. Canesin, I. Barbi, "Estudo experimental comparativo das perdas entre seis diferentes conversores do tipo boost com 1,6 kW, usando IGBT's", Eletrônica de Potência, vol. 1, no. 1, pp. 26-34, Jun. 1996, doi:https://doi.org/10.18618/REP.1996.1.026034 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.1996.1.026034

A. V. C. Pereira, M. C. Cavalcanti, G. M. S. Azevedo, F. Bradaschia, C. A. Caldeira, E. A. O. Barbosa, "Família de conversores c.c./c.c. de alto ganho com chave única", Eletrônica de Potência, vol. 29, p. e202410, May 2024, doi:https://doi.org/10.18618/REP.2024.1.0001 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2024.1.0001