Faculdade de Engenharia

221 Pages·2013·10.41 MB·Portuguese

“Júlio de Mesquita Filho”

Faculdade de Engenharia - Campus de Ilha Solteira
Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica
Laboratório de Eletrônica de Potência - LEP

Moacyr Aureliano Gomes de Brito

Inversores Integrados Monofásicos e Trifásicos para Aplicações
Fotovoltaicas: Técnicas para obtenção de MPPT, detecção e
proteção de ilhamento, sincronização e paralelismo com a rede de
distribuição de energia elétrica

Tese apresentada à Faculdade de Engenharia
de Ilha Solteira – FEIS/UNESP – como parte
dos requisitos para a obtenção do título de
Doutor em Engenharia Elétrica. Área de
.
concentração: Automação

Ilha Solteira.
2013.
Moacyr Aureliano Gomes de Brito

Inversores Integrados Monofásicos e Trifásicos para Aplicações
Fotovoltaicas: Técnicas para obtenção de MPPT, detecção e
proteção de ilhamento, sincronização e paralelismo com a rede de
distribuição de energia elétrica

Tese submetida à Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira –
FEIS/UNESP – como parte dos requisitos exigidos para a
obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica.

Orientador
Prof. Dr. Carlos Alberto Canesin

Ilha Solteira.
2013.

À Deus.
À minha amada esposa e aos meus queridos pais.
"Embora ninguém possa voltar atrás e fazer
um novo começo, qualquer um pode começar
agora e fazer um novo fim."
Chico Xavier

"Conhecimento não é aquilo que você sabe,
mas o que você faz com aquilo que se sabe."
Aldous Huxley
Agradecimentos

À Deus pela vida e por colocar em meu caminho todas as pessoas e condições
necessárias para o meu desenvolvimento pessoal e profissional.
À meus pais, Moacyr de Brito e Alice Gomes dos Santos de Brito, sempre presentes,
que me incentivaram durante toda a jornada, me fazendo acreditar que tudo é possível quando
se tem fé e força de vontade.
Ao Prof. Dr. Carlos Alberto Canesin pela confiança em mim depositada e por não medir
esforços para disponibilizar e adquirir itens fundamentais para o êxito da pesquisa. Ainda pelo
incentivo incessante pela produção de artigos científicos de qualidade.
Ao amigo Leonardo Poltronieri Sampaio pela oportunidade de desenvolvermos o
inversor Boost CSI monofásico e pela implementação da interface gráfica para o
gerenciamento dos emuladores de painéis solares. Ao amigo Luigi Galotto Junior pela
oportunidade de realizarmos todos os testes experimentais e refinamentos necessários no
inversor integrado Buck-Boost Tri-State monofásico e pela oportunidade de realizarmos
diversas simulações dos inversores integrados monofásicos no ambiente MatLab/Simulink®.
Ao amigo José Carlos Peña pela oportunidade de desenvolvermos o inversor Buck-Boost
integrado monofásico. Ao amigo Marcos Gutierrez Alves pela oportunidade de
desenvolvermos um projeto de pesquisa e de desenvolvimento de um inversor solar para a
empresa WEG e pela fundamental ajuda durante os aprimoramentos de programação para o
funcionamento do inversor Trifásico Integrado Buck-Boost Tri-State. Ao amigo e Prof. Dr.
Guilherme de Azevedo e Melo pelas contribuições durante diversas discussões acerca dos
resultados experimentais.
À minha querida esposa, Eliana da Costa Alvarenga de Brito, por entender que a
ausência foi necessária para o meu aprimoramento profissional e pelo constante incentivo,
ainda maior, quando as dificuldades se sobressaiam às conquistas.
À minha irmã Deise Gomes de Brito e à minha avó Olívia Alves Gomes pelo carinho e
pela alegria demonstrada, sempre que eu alcançava um objetivo.
Aos Profs. Dr. Henrique Braga e Dr. Fernando Soares dos Reis pelas importantes e
significativas contribuições quando da presença na banca de qualificação de doutorado.
Aos Profs. Dr. Falcondes José Mendes de Seixas, Dr. Guilherme de Azevedo e Melo,
Dr. Luis Carlos de Freitas e Dr. João Batista Vieira pelas importantes e significativas
contribuições quando da presença na defesa desta tese de doutorado.
Ao funcionário Valdemir Chaves e ao amigo Rodrigo Nunes pelo auxílio durante a
usinagem dos dissipadores para a implementação dos protótipos.
À FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) pelo apoio
financeiro concedido, possibilitando o desenvolvimento deste trabalho e permitindo a
participação em congressos.
Resumo

Esta proposta de tese se baseia na necessidade atual e tendência mundial na busca por
sistemas cada vez mais eficientes e que se baseiem em fontes de energia alternativas menos
poluentes, renováveis e que produzam pouco impacto ambiental. Desta forma, são
desenvolvidos sistemas de geração de energia elétrica de pequeno porte baseado em painéis
solares fotovoltaicos. Com o intuito de aumentar o rendimento e a densidade de potência dos
sistemas, são apresentadas novas estruturas de inversores monofásicos e trifásicos integrados
para aplicação como sistemas isolados e/ou conectados à rede de distribuição em corrente
alternada (CA), operando como sistemas de geração distribuídos. Os inversores integrados são
apresentados com o intuito de substituir os usuais sistemas de conversão de energia a duplo
estágio. Incorporado aos inversores integrados são implementados métodos e dispositivos
para extração da máxima potência possível dos painéis fotovoltaicos (algoritmo de MPPT),
aumentando assim o aproveitamento de energia advinda destes painéis. Além disso, em
virtude da necessidade de conexão segura destes sistemas à rede de distribuição de energia
elétrica em corrente alternada, são realizadas análises e a implementação de métodos de
sincronismo com a rede de CA em baixa tensão; além da análise e síntese de métodos híbridos
para detecção e gestão do efeito de ilhamento, a fim de garantir a segurança do sistema. O
controle dos conversores e as técnicas de MPPT, gestão e detecção de ilhamento, bem como
de sincronismo com a rede em CA são implementadas de forma digital, com o objetivo de
propiciar maior flexibilidade na concepção das lógicas de controle adequadas às aplicações
propostas. Finalmente, destaca-se que o trabalho trouxe contribuições significativas para a
melhoria na implementação dos algoritmos de MPPT P&O e IC, que foram denominados de
P&O e IC baseados em PI. Também foram apresentadas as etapas de integração para a
obtenção de novas famílias de inversores integrados monofásicos e trifásicos, destacando a
inovação das topologias ZETA/Cuk integradas. Ainda, destaca-se que esta é a primeira tese
que apresenta os inversores tri-state trifásicos em conexão com a rede de distribuição de
energia elétrica. Inversores estes que foram dotados de uma inovação no controle e em sua
modulação, que leva ao controle independente entre entrada e saída, facilitando a busca do
MPPT e a injeção de potência na rede elétrica.

Palavras-Chave: Conversão fotovoltaica. Inversores integrados. MPPT. Ilhamento e sincronismo.
Abstract

This work is based on the actual necessity and world tendency for high-efficiency
systems based on renewable energy sources which are less pollutant and produces little
environmental impact, and, for this purpose, it is developed some photovoltaic electrical
generation systems to operate as a small distribution generation system (DG). With the
purpose to increase efficiency and power density, new single-phase and three-phase integrated
inverter topologies are presented for operating as stand-alone and/or grid-connected systems.
The main idea of these inverters is the replacement of the conventional two-stage cascaded
solutions. Main maximum power point tracking techniques are implemented and tested in
order to increase energy utilization. Furthermore, because of safe-operation grid connection
necessities this work presents analysis and implementation of active and hybrid anti-island
detection techniques and synchronization methods with the AC low voltage grid. The
converters control system and MPPT techniques, anti-island detection and management
system together with the synchronization are implemented digitally, with the purpose of
increasing flexibility for the overall control circuitry. Finally, this work has presented
significant contributions regarding the P&O and IC based on PI MPPT techniques and has
presented the integration procedures in order to obtain new families of single and three-phase
inverters. Moreover, this is the first thesis that has presented the tri-state three-phase inverters
injecting power into the grid. These inverters have inovations at its control and modulation
that permit the input to output decoupling, making these inverters attractive to interface
renewable energy sources as photovoltaics.

Keywords: Photovoltaic energy conversion. Integrated inverters. MPPT. Island and grid-
synchronization.