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Título: Projeto, implementação e análise de um conversor CC-CC de alto ganho e alto rendimento para aplicações fotovoltaicas
Título(s) alternativo(s): Design, implementation and analysis of a high gain and high eficiency DC-DC converter for photovoltaic applications
Autor(es): Teston, Silvio Antonio
Orientador(es): Stein, Carlos Marcelo de Oliveira
Palavras-chave: Conversores de corrente elétrica
Conversores de frequência
Geração de energia fotovoltaica
Circuitos de comutação
Electric current converters
Frequency changers
Photovoltaic power generation
Switching circuits
Data do documento: 26-Abr-2016
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Citação: TESTON, Silvio Antonio. Projeto, implementação e análise de um conversor CC-CC de alto ganho e alto rendimento para aplicações fotovoltaicas. 2016. 168 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2016.
Resumo: Nos últimos anos a geração fotovoltaica tem tido uma maior inserção na matriz energética dos países mais desenvolvidos, crescendo a taxas anuais superiores a 30%. A pressão pela redução da emissão de poluentes, diversificação da matriz e energética e a queda de preço os principais fatores que impulsionam esse crescimento. Os sistemas conectados à rede desempenham um importante papel no alívio da crise energética e diversificação da matriz energética. Dentre os sistemas conectados à rede, os sistemas integrados as edificações sofrem com o sombreamento parcial sobre os módulos fotovoltaicos e consequentemente há redução da eficiência de geração. Nesses casos, as formas clássicas de conexão dos módulos não produzem bons resultados e novas técnicas foram desenvolvidas para aumentar a quantidade de energia produzida por um conjunto de módulos. Na técnica com conexão paralela de módulos fotovoltaicos são necessários conversores CC-CC com elevado ganho de tensão, os quais são relativamente complexos de se construir com elevado rendimento. Os conversores isolados e alimentados em corrente explorados nesse trabalho apresentam algumas características desejáveis para esse tipo de aplicação, como por exemplo: baixa ondulação da corrente e da tensão de entrada, possuem elevado ganho de tensão, proveem isolação galvânica, apresentam elevada capacidade de potencia e possuem comutação suave em uma ampla faixa de operação. Neste trabalho são apresentadas contribuições ao estudo de um conversor CC-CC de elevado ganho e elevado rendimento para aplicação em um sistema paralelo de geração fotovoltaica, sendo possível o uso em microinversor ou com inversor centralizado. As principais contribuições deste trabalho são: análise da operação do circuito de grampeamento ativo e proposição de conexão do capacitor de grampeamento ao no negativo da fonte de alimentação de forma a reduzir a ondulação da corrente de entrada e, dessa forma, reduzir os requisitos de filtro; utilização de um dobrador de tensão no retificador de saída de forma a reduzir o número de componentes e estender o ganho do conversor; estudo detalhado dos componentes do conversor com o objetivo de elevar o rendimento; obtenção do modelo CA e projeto do sistema de controle. Como resultado, um conversor CC-CC de elevado ganho, elevado rendimento e sem capacitores eletrolítico na etapa de potência foi desenvolvido. Na parte final do trabalho e apresentada a operação do conversor CC-CC conectado a um inversor. Além disso, o controlador de tensão do barramento CC e projetado e são implementados dois algoritmos de rastreamento do ponto de máxima potência. Também são apresentados resultados experimentais da operação do sistema completo conectado a um emulador e, posteriormente, a um módulo fotovoltaico real.
Abstract: In recent years the photovoltaic generation has had greater insertion in the energy mix of the most developed countries, growing at annual rates of over 30%. The pressure for the reduction of pollutant emissions, diversification of the energy mix and the drop in prices are the main factors driving this growth. Grid tied systems plays an important role in alleviating the energy crisis and diversification of energy sources. Among the grid tied systems, building integrated photovoltaic systems suffers from partial shading of the photovoltaic modules and consequently the energy yield is reduced. In such cases, classical forms of modules connection do not produce good results and new techniques have been developed to increase the amount of energy produced by a set of modules. In the parallel connection technique of photovoltaic modules, a high voltage gain DC-DC converter is required, which is relatively complex to build with high efficiency. The current-fed isolated converters explored in this work have some desirable characteristics for this type of application, such as: low input current ripple and input voltage ripple, high voltage gain, galvanic isolation, feature high power capacity and it achieve soft switching in a wide operating range. This study presents contributions to the study of a high gain and high efficiency DC-DC converter for use in a parallel system of photovoltaic generation, being possible the use in a microinverter or with central inverter. The main contributions of this work are: analysis of the active clamping circuit operation proposing that the clamp capacitor connection must be done on the negative node of the power supply to reduce the input current ripple and thus reduce the filter requirements; use of a voltage doubler in the output rectifier to reduce the number of components and to extend the gain of the converter; detailed study of the converter components in order to raise the efficiency; obtaining the AC equivalent model and control system design. As a result, a DC-DC converter with high gain, high efficiency and without electrolytic capacitors in the power stage was developed. In the final part of this work the DC-DC converter operation connected to an inverter is presented. Besides, the DC bus controller is designed and are implemented two maximum power point tracking algorithms. Experimental results of full system operation connected to an emulator and subsequently to a real photovoltaic module are also given.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/1758
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