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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39459| Título: | Análise e implementação do inversor integrado zeta buck-boost em sistemas elétricos on-grid e off-grid |
| Título(s) alternativo(s): | Analysis and implementation of the zeta buck-boost integrated inverter in on-grid and off-grid electrical systems |
| Autor(es): | Pereira, Jhonatan Felipe |
| Orientador(es): | Silva, Sergio Augusto Oliveira da |
| Palavras-chave: | Conversores de corrente elétrica Engenharia elétrica Inversores elétricos Electric current converters Electric engineering Electric inverters |
| Data do documento: | 12-Dez-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Cornelio Procopio |
| Citação: | PEREIRA, Jhonatan Felipe. Análise e implementação do inversor integrado zeta buck-boost em sistemas elétricos on-grid e off-grid. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2025. |
| Resumo: | Este trabalho propõe uma nova topologia de inversor integrado para aplicações em sistemas autônomos e conectados à rede elétrica, para validar seu funcionamento, foi apresentado a análise e implementação do Inversor Zeta Buck-Boost (ZBB) Integrado, que combina as estruturas dos conversores Zeta e Buck-Boost modificados, a topologia atua como conversor de interface entre um sistema fotovoltaico (FV) e a rede elétrica, injetando energia na rede (on-grid), ou como um sistema autônomo (off-grid). O ZBB se destaca por sua capacidade de abaixar ou elevar a tensão do barramento de corrente contínua (CC), permitindo que sua operação com uma tensão inferior ao pico da rede, além de possibilitar isolação galvânica e operação bidirecional. A estrutura do ZBB é composta por cinco interruptores de potência, que operam de maneira distinta nos semiciclos positivo e negativo. O projeto foi desenvolvido para operar no modo de condução descontínua (MCD), e a modelagem dessa topologia é baseada no funcionamento dos interruptores, utilizando os circuitos equivalentes dos conversores CC-CC convencionais. A partir do desenvolvimento matemático, são analisados e equacionados os comportamentos das correntes e tensões nos principais componentes da estrutura, fornecendo os parâmetros necessários para o projeto dos controladores, além disso, são obtidas as funções de transferência (FT) para projeto e implementação dos controladores. O controle para as aplicações on-grid é realizado por meio da estratégia multimalhas, composta por uma malha externa de controle de tensão e uma malha interna de corrente. Por outro lado, quando o ZBB opera de forma autônoma, o controle da tensão de saída é realizado pelo controle proporcional-integral multi-ressonante (PI-MR). Para garantir o sincronismo entre a corrente de saída e a tensão da rede elétrica, é utilizado um sistema de detecção de ângulo de fase Phase-Locked Loop (PLL). Além disso, o algoritmo Perturbe e Observe(P&O) é implementado para assegurar o seguimento do ponto de máxima potência do arranjo fotovoltaico. A viabilidade e funcionalidade da topologia proposta são avaliadas por meio de simulações computacionais no software MATLAB/Simulink® nas aplicações mencionadas e aplicações práticas do protótipo em bancada. A estrutura foi validada experimentalmente por meio da implementação dos algoritmos adequados e do uso de uma fonte CC que simula o comportamento de um arranjo FV. No modo autônomo, os resultados obtidos foram consistentes com as simulações: o conversor sintetizou uma tensão alternada senoidal de 60 Hz com amplitude controlada. A taxa de distorção harmônica (TDH) registrou 1,1% na potência nominal. Para uma carga com característica de corrente não-linear, a TDH observada foi de 5,3%, um pouco acima da TDH de 5% pré-estabelecida pelas normativas vigentes. Nos testes operando conectado à rede, o conversor comportou-se conforme o esperado, injetando uma corrente senoidal na rede elétrica com distorção harmônica de 5,2% na potência nominal. O rendimento do conversor na potência nominal foi de 89%, mas, com a troca dos semicondutores utilizados, há uma perspectiva de que esse valor possa ser elevado para aproximadamente 95%. |
| Abstract: | This work proposes a new integrated inverter topology for applications in autonomous and gridconnected systems. To validate its operation, the analysis and implementation of the Integrated Zeta Buck-Boost (ZBB) Inverter were presented, which combines the structures of modified Zeta and Buck-Boost converters. The topology acts as an interface converter between a photovoltaic (PV) system and the electrical grid, injecting energy into the grid (on-grid), or as a standalone system (off-grid). The ZBB stands out for its ability to step down or step up the DC bus voltage, enabling its operation with a voltage lower than the grid peak, in addition to providing galvanic isolation and bidirectional operation. The ZBB structure is composed of five power switches, which operate differently in the positive and negative half-cycles. The design was developed to operate in Discontinuous Conduction Mode (DCM). The modeling of this topology is based on the operation of the switches, utilizing the equivalent circuits of conventional DC-DC converters. From the mathematical development, the behaviors of the currents and voltages in the main components of the structure are analyzed and formulated, providing the necessary parameters for the design of the controllers. Furthermore, the transfer functions (TF) for the design and implementation of the controllers are obtained. The control for on-grid applications is performed using a multi-loop strategy, composed of an external voltage control loop and an internal current loop. On the other hand, when the ZBB operates autonomously, the output voltage control is carried out by a multi-resonant proportional-integral (PI-MR) control. To ensure synchronization between the output current and the grid voltage, a Phase-Locked Loop (PLL) system is used. Additionally, the Perturb and Observe (P&O) algorithm is implemented to ensure the tracking of the maximum power point of the photovoltaic array. The feasibility and functionality of the proposed topology are evaluated through computer simulations in MATLAB/Simulink ®software for the mentioned applications and through practical testing of the prototype on a bench. The structure was validated experimentally by implementing the appropriate algorithms and using a DC source that simulates the behavior of a PV array. In standalone mode, the results obtained were consistent with the simulations: the converter synthesized a controlled-amplitude sinusoidal AC voltage at 60 Hz. The total harmonic distortion (THD) recorded was 1.1% at rated power. For a load with non-linear current characteristics, the observed THD was 5.3%, slightly above the 5% THD pre-established by current standards. In the tests operating connected to the grid, the converter performed as expected, injecting a sinusoidal current into the electrical grid with harmonic distortion of 5.2% at rated power. The converter’s efficiency at rated power was 89%, but with the replacement of the semiconductors used, there is a prospect that this value can be increased to approximately 95%. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39459 |
| Aparece nas coleções: | CP - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica |
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