Implementação de modulador para aumento de banda passante de um sistema de condicionamento de energia baseado em um conversor multinível
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Data de Publicação: | 2021 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFMG |
Texto Completo: | http://hdl.handle.net/1843/38795 https://orcid.org/0000-0003-1744-062X |
Resumo: | Os problemas de qualidade de energia, apesar de críticos para a rede e/ou cargas sendo alimentadas, não são novos. Afundamentos e elevações de tensão, desbalanços de tensão e de corrente, circulação de correntes reativa e distorções de corrente e de tensão são fenômenos que impactam não só na eficiência da rede elétrica mas também na continuidade e na conformidade do fornecimento de energia a cargas que sofrerão com eles mais ou menos severamente, dependendo de sua sensibilidade. Tais adversidades foram largamente investigadas no passado e seus estudos continuam extremamente pertinentes no presente. De fato, os problemas de qualidade de energia se tornam ainda mais relevantes nos dias de hoje com a instalação de usinas de energia renováveis baseada em inversores como a fotovoltaica e a eólica de grande escala, a popularização de veículos elétricos e do conceito de vehicle-to-grid (V2G) e o crescimento da geração distribuída, dentre outros. O Condicionador Unificado de Qualidade de Energia (UPQC), ainda que relativamente complexo, é considerado um dos dispositivos de condicionamento com maior potencial e versatilidade para superar esses problemas de qualidade de energia. Isso, pois ele possui a capacidade de mitigar quase todos os problemas de qualidade de energia relacionados à tensão e à corrente quando devidamente projetado e operado. Nesse sentido, tendo como objeto de estudo um UPQC, são abordados nesse trabalho tópicos relacionados ao projeto do filtro LCL de conexão do sistema à rede/carga, as estratégias de controle das variáveis elétricas de interesse e ao modulador PWM utilizado quando topologias de conversores multiníveis são consideradas para emprego em tal condicionador de energia. À vista disso, em especial, propõe-se uma estratégia de modulação multi-taxas compatível com conversores multicélulas série e/ou paralelo com portadoras entrelaçadas e um número qualquer de células. Tal modulador faz proveito da possibilidade de atualizar os comandos das chaves semicondutoras em cada subciclo do período de chaveamento definido pelo entrelaçamento das portadoras ao invés de fazê-lo apenas uma ou duas vezes por ciclo como é típico nas modulações clássicas simetricamente amostrada (apenas no pico ou no vale da portadora) e assimetricamente amostrada (no pico e no vale da portadora), respectivamente. Além disso, ele é completamente implementado a nível de software (código) e possui como característica importante a capacidade de evitar naturalmente o chaveamento excessivo, ou seja, o envio de pulsos extras de chaveamento por ciclo de portadora dos dispositivos semicondutores. Com isso, resultados experimentais de um UPQC baseado em inversores trifásicos a dois níveis são apresentados e discutidos. Em adição, propostas de melhoria do desempenho desse sistema no que diz respeito à sua resposta dinâmica e erro em regime permanente são analisadas a nível teórico e de simulação para uma estrutura de conversores trifásicos a dois níveis e, também, multiníveis. De fato, essas soluções incluem o uso do modulador multi-taxas proposto para promover o aumento da banda passante do condicionador de energia, o que é possível devido às características de resposta em frequência e princípio de funcionamento desse modulador. |
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De fato, os problemas de qualidade de energia se tornam ainda mais relevantes nos dias de hoje com a instalação de usinas de energia renováveis baseada em inversores como a fotovoltaica e a eólica de grande escala, a popularização de veículos elétricos e do conceito de vehicle-to-grid (V2G) e o crescimento da geração distribuída, dentre outros. O Condicionador Unificado de Qualidade de Energia (UPQC), ainda que relativamente complexo, é considerado um dos dispositivos de condicionamento com maior potencial e versatilidade para superar esses problemas de qualidade de energia. Isso, pois ele possui a capacidade de mitigar quase todos os problemas de qualidade de energia relacionados à tensão e à corrente quando devidamente projetado e operado. Nesse sentido, tendo como objeto de estudo um UPQC, são abordados nesse trabalho tópicos relacionados ao projeto do filtro LCL de conexão do sistema à rede/carga, as estratégias de controle das variáveis elétricas de interesse e ao modulador PWM utilizado quando topologias de conversores multiníveis são consideradas para emprego em tal condicionador de energia. À vista disso, em especial, propõe-se uma estratégia de modulação multi-taxas compatível com conversores multicélulas série e/ou paralelo com portadoras entrelaçadas e um número qualquer de células. Tal modulador faz proveito da possibilidade de atualizar os comandos das chaves semicondutoras em cada subciclo do período de chaveamento definido pelo entrelaçamento das portadoras ao invés de fazê-lo apenas uma ou duas vezes por ciclo como é típico nas modulações clássicas simetricamente amostrada (apenas no pico ou no vale da portadora) e assimetricamente amostrada (no pico e no vale da portadora), respectivamente. Além disso, ele é completamente implementado a nível de software (código) e possui como característica importante a capacidade de evitar naturalmente o chaveamento excessivo, ou seja, o envio de pulsos extras de chaveamento por ciclo de portadora dos dispositivos semicondutores. Com isso, resultados experimentais de um UPQC baseado em inversores trifásicos a dois níveis são apresentados e discutidos. Em adição, propostas de melhoria do desempenho desse sistema no que diz respeito à sua resposta dinâmica e erro em regime permanente são analisadas a nível teórico e de simulação para uma estrutura de conversores trifásicos a dois níveis e, também, multiníveis. De fato, essas soluções incluem o uso do modulador multi-taxas proposto para promover o aumento da banda passante do condicionador de energia, o que é possível devido às características de resposta em frequência e princípio de funcionamento desse modulador.Power quality issues, while critical to the network and/or loads being powered, are not new. Voltage sags and swells, voltage and current unbalances, reactive current circulation and current and voltage distortions are phenomena that impact not only the efficiency of the electrical grid, but also the continuity and compliance of power supply to loads that will suffer from them more or less severely depending on their sensitivity. Such adversities have been widely investigated in the past and their studies remain pertinent in the present. In fact, power quality issues are even more relevant these days due to the installation of inverter-based renewable energy power plants such as large-scale wind and photovoltaics, the popularization of electric vehicles and the vehicle-to-grid (V2G) concept, and the growth of distributed generation, among others. The Unified Power Quality Conditioner (UPQC), although relatively complex, is considered one of the power conditioning devices with both the greatest potential and versatility to overcome these power quality problems. This is because it can mitigate almost all voltage and current related power quality issues when properly designed and operated. In this sense, having as its object of study a UPQC, this work addresses topics such as the design of the LCL filter connecting the system to the grid/load, the control strategies of the electrical variables of interest, and the PWM modulator used when multilevel converter topologies are considered for use in such a power conditioner. In view of this, in particular, a multirate modulation strategy compatible with series and/or parallel multicell converters with interleaved carriers and any number of cells is proposed. Such a modulator takes advantage of the possibility of updating the switch commands in each subcycle of the switching period defined by the interleaving of the carriers instead of doing it only once or twice per cycle as is typical in classical symmetrically sampled modulations (only at the carrier's peak or at its valley) and asymmetrically sampled (at both the carrier's peak and valley), respectively. In addition, it is fully implemented at a software (code) level and has as an important feature the ability to naturally avoid overswitching, i.e., several extra switching pulses per carrier cycle of the semiconductor devices. Thus, experimental results of a UPQC based on two-level three-phase inverters are presented and discussed. Furthermore, proposals for improving the performance of this system regarding its dynamic response and steady state error are analyzed at the theoretical and simulation level for two-level and multilevel three-phase converters. In fact, these solutions include the use of the proposed multirate modulator to allow increasing the power conditioner’s bandwidth, which is possible due to the frequency response characteristics and working principle of the modulator.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoFAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas GeraisCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorporUniversidade Federal de Minas GeraisPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFMGBrasilENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICAhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/info:eu-repo/semantics/openAccessEngenharia elétricaConversoresModulação (Eletrônica)Energia elétrica - QualidadeUPQCConversores multiníveisModulador multi-taxasControle de conversores conectados à redeQualidade da energiaImplementação de modulador para aumento de banda passante de um sistema de condicionamento de energia baseado em um conversor multinívelinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGORIGINALTese_TiagoFerreira_PDFA.pdfTese_TiagoFerreira_PDFA.pdfapplication/pdf19447686https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/38795/4/Tese_TiagoFerreira_PDFA.pdf575957a6cde9c57577d3e46d24a009adMD54LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82118https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/38795/6/license.txtcda590c95a0b51b4d15f60c9642ca272MD56CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/38795/5/license_rdfcfd6801dba008cb6adbd9838b81582abMD551843/387952021-12-06 14:37:44.579oai:repositorio.ufmg.br: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ório de PublicaçõesPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oaiopendoar:2021-12-06T17:37:44Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false |
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