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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37269| Título: | Análise e implementação do inversor cc/ca monofásico zeta cuk integrado aplicado a sistemas fotovoltaicos |
| Título(s) alternativo(s): | Analysis and implementation of the integrated zeta cuk single-phase dc/ac inverter applied to photovoltaic systems. |
| Autor(es): | Guedes, Aylla Rafaela Menezes |
| Orientador(es): | Sampaio, Leonardo Poltronieri |
| Palavras-chave: | Conversores de corrente elétrica Eletrônica Geração distribuída de energia elétrica Inversores elétricos Electric current converters Electronics Distributed generation of electric power Electric inverters |
| Data do documento: | 25-Abr-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Cornelio Procopio |
| Citação: | GUEDES, Aylla Rafaela Menezes. Análise e implementação do inversor cc/ca monofásico zeta cuk integrado aplicado a sistemas fotovoltaicos . 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2025. |
| Resumo: | Este trabalho apresenta o estudo, implementação e análise de uma nova topologia denominada Inversor Zeta Ćuk Integrado (IZCI), baseado na associação das estruturas dos conversores convencionais Zeta e Ćuk, que pode ser aplicado tanto em sistemas autônomos quanto atuando como um conversor de interface entre um sistema de geração de energia fotovoltaica (FV) e a rede elétrica monofásica em corrente alternada (CA). Sua estrutura apresenta seis interruptores de potência, que atuam de forma distinta nos semiciclos positivo e negativo. Projetada para operar no modo de condução descontínua (MCD), a estrutura apresenta três etapas de operação para cada período de chaveamento. Através do funcionamento desses interruptores torna-se possível realizar a modelagem da topologia considerando os circuitos equivalentes dos conversores CC/CC convencionais na qual ela é composta, devido à similaridade entre o comportamento estático e dinâmico. Para tal, é aplicada a técnica de modelagem da Rede Média Generalizada de Comutação. Baseado na análise teórica, foi realizado o projeto dos elementos passivos do conversor. Além disso, é obtida a função de transferência que será aplicada nos dois modelos de controladores empregados, sendo eles do tipo Proporcional-Integral Multi-Ressonantes (PI-MR) aplicado no Modo Autônomo, e o Proporcional-Integral (PI) projetado para realizar o controle da corrente da saída quando a topologia operar como conversor de interface entre um arranjo fotovoltaico e a rede elétrica. É empregado um sistema de atracamento de fase (PLL) para garantir o sincronismo entre a corrente de saída do IZCI com a tensão da rede elétrica. Adicionalmente é implementado o algoritmo Perturbe e Observe (P&O), a fim de garantir o seguimento do ponto de máxima potência do arranjo fotovoltaico. Por meio de simulação computacional, empregando o software Simulink®, foi possível averiguar o funcionamento e as principais características do conversor operando no modo autônomo e como interface entre arranjo fotovoltaico e rede elétrica. Por fim, foram apresentados os resultados experimentais a partir da montagem prática do conversor em bancada, onde por meio de implementação dos devidos algoritmos e uso de uma fonte CC que simula o comportamento de um arranjo fotovoltaico, foram obtidos os resultados que comprovam o funcionamento da estrutura. Os resultados experimentais para o modo autônomo foram condizentes com os apresentados em simulação, onde o conversor foi capaz de sintetizar uma tensão alternada senoidal de 60 Hz com amplitude controlada. A taxa de distorção harmônica (THD) para a tensão de saída permaneceu abaixo dos valores limites dispostos em norma, com o valor de 2% para a potência nominal. Já para uma carga com característica de uma corrente não-linear, a THD foi de 3,7%. Por fim, os resultados do conversor operando conectado à rede foram apresentados, condizendo com o esperado, injetando uma corrente senoidal à rede elétrica, com baixa taxa de distorção harmônica (4 % para a potência nominal) e fator de potência unitário. Apesar do rendimento do conversor ser de 90,3% para a potência nominal, com os semicondutores aplicados, há uma perspectiva de que este valor possa ser elevado até aproximadamente 97,5%. |
| Abstract: | This work presents the study, implementation, and analysis of a new topology called the Integrated Zeta-'Cuk Inverter (IZCI), based on the combination of the conventional Zeta and 'Cuk converter structures. This topology can be applied both in standalone systems and as an interface converter between a photovoltaic (PV) energy generation system and the single-phase alternating current (AC) power grid. The structure features six power switches that operate differently during the positive and negative half-cycles. Designed to operate in discontinuous conduction mode (DCM), the topology has three operating stages for each switching period. By analyzing the operation of these switches, it is possible to model the topology using the equivalent circuits of the conventional DC/DC converters it is composed of, due to the similarity in their static and dynamic behavior. To achieve this, the Generalized Averaged Network Modeling technique is applied. Based on the theoretical analysis, the passive components of the converter were designed. Furthermore, the transfer function was derived and used in the two implemented control models: a Multi-Resonant Proportional-Integral (PI-MR) controller for standalone mode, and a Proportional-Integral (PI) controller designed to regulate the output current when the topology operates as a grid-connected interface converter. A phase-locked loop (PLL) system is employed to ensure synchronization between the IZCI output current and the grid voltage. Additionally, the Perturb and Observe (P&O) algorithm is implemented to ensure maximum power point tracking (MPPT) of the photovoltaic array. Through computer simulations using Simulink®, the functionality and main characteristics of the converter operating in standalone mode and as a PV-grid interface were verified. Finally, experimental results from the practical assembly of the converter on a test bench are presented. By implementing the appropriate algorithms and using a DC source that simulates the behavior of a photovoltaic array, results were obtained that confirm the functionality of the proposed topology. The experimental results for the standalone mode aligned with the simulation outcomes, with the converter successfully synthesizing a 60 Hz sinusoidal AC voltage with controlled amplitude. The total harmonic distortion (THD) of the output voltage remained below the standard limits, with a value of 2% at nominal power. For a load with nonlinear current characteristics, the THD was 3.7%. Lastly, the results for the grid-connected operation of the converter are presented, showing the expected performance: injecting a sinusoidal current into the grid with low harmonic distortion (4% at nominal power) and a unity power factor. Although the converter's efficiency was 90.3% at nominal power with the applied semiconductors, there is a prospect of increasing this value to approximately 97.5%. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37269 |
| Aparece nas coleções: | CP - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica |
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