Conversores CC–CC bidirecionais para regulação série de tensão aplicados em sistemas fotovoltaicos

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2020
Autor(a) principal: Santos, Niwton Gabriel Feliciani dos
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
dARK ID: ark:/26339/001300000jdh8
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Santa Maria
Brasil
Engenharia Elétrica
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Centro de Tecnologia
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/22429
Resumo: This work provides some conceptual and practical contributions about the use of DC–DC power converters connected as step-up/down series voltage regulators in string or multi-string architectures of grid-tie photovoltaic systems, which allow to carry out the partial power processing. In practical terms, the basic implementation restrictions and also the requirements for operation with bidirectional active power flow required to develop topologies of this type are defined. From a conceptual point of view, it is determined that the series connection is a necessary condition, but only a thorough analysis in terms of the non-active power processed can define the requirements that allow characterizing which series regulators are capable of performing partial power processing. For this, it is proposed a new application to the well-known Fryze power theory, which is used to develop a mathematical procedure that allows to evaluate both active and non-active power processing in DC–DC power converters. Through a comparative analysis between two series regulators based on H-bridge converters, it is verified that partial power processing can be achieved by adjusting the turns ratio of the transformers used in these two topologies. Thus, the main advantages of using series regulators to replace traditional step-up/down power converters are demonstrated. Based on the voltage regulation range definition and both European and Californian efficiencies, it is verified that the average value of the weighted total non-active power is higher under the cascade-connected non-inverting buck–boost operation (European: 793.18 var; Californian: 955.19 var), being lower under the series-connected full-bridge/push–pull converter (European: 518.14 var; Californian: 623.89 var) and the series-connected half-bridge/push–pull converter operation (European: 458.68 var; Californian: 552.39 var), thus this latter is the evaluated topology that performs the least power processing. In order to validate the approaches, two 2202 W prototypes were designed and submitted to numerous laboratory tests. Regarding the non-active power processed by the circuit elements of the DC–DC converters, all values obtained experimentally were consistent with the numerical and circuit simulations results. In terms of performance, the series-connected halfbridge/ push–pull prototype without snubbers resulted in weighted average global efficiencies of approximately 98.38% (European) and 98.95% (Californian). Under the same operation conditions, the cascade-connected non-inverting buck–boost prototype resulted in weighted average efficiencies of approximately 98.70% (European) and 98.73% (Californian).
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From a conceptual point of view, it is determined that the series connection is a necessary condition, but only a thorough analysis in terms of the non-active power processed can define the requirements that allow characterizing which series regulators are capable of performing partial power processing. For this, it is proposed a new application to the well-known Fryze power theory, which is used to develop a mathematical procedure that allows to evaluate both active and non-active power processing in DC–DC power converters. Through a comparative analysis between two series regulators based on H-bridge converters, it is verified that partial power processing can be achieved by adjusting the turns ratio of the transformers used in these two topologies. Thus, the main advantages of using series regulators to replace traditional step-up/down power converters are demonstrated. Based on the voltage regulation range definition and both European and Californian efficiencies, it is verified that the average value of the weighted total non-active power is higher under the cascade-connected non-inverting buck–boost operation (European: 793.18 var; Californian: 955.19 var), being lower under the series-connected full-bridge/push–pull converter (European: 518.14 var; Californian: 623.89 var) and the series-connected half-bridge/push–pull converter operation (European: 458.68 var; Californian: 552.39 var), thus this latter is the evaluated topology that performs the least power processing. In order to validate the approaches, two 2202 W prototypes were designed and submitted to numerous laboratory tests. Regarding the non-active power processed by the circuit elements of the DC–DC converters, all values obtained experimentally were consistent with the numerical and circuit simulations results. In terms of performance, the series-connected halfbridge/ push–pull prototype without snubbers resulted in weighted average global efficiencies of approximately 98.38% (European) and 98.95% (Californian). Under the same operation conditions, the cascade-connected non-inverting buck–boost prototype resulted in weighted average efficiencies of approximately 98.70% (European) and 98.73% (Californian).Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESInstituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Geração Distribuída (INCT-GD) – CNPqFundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGSEsta dissertação provê contribuições conceituais e práticas quanto ao emprego de conversores CC–CC conectados como reguladores série abaixadores/elevadores de tensão em arquiteturas string ou multi-string de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica, os quais têm se destacado por possibilitar a realização do processamento parcial de potência. Em termos práticos, são definidas as restrições básicas de implementação e também os requisitos para operação com fluxo bidirecional de potência ativa requeridos para desenvolver topologias deste tipo. Do ponto de vista conceitual, determina-se que a conexão série é uma condição necessária, mas somente uma análise em termos da potência não-ativa processada pode estabelecer os requisitos que permitem distinguir quais reguladores série são capazes de realizar o processamento parcial de potência. Para isto, propõe-se uma nova aplicação à bem-conhecida teoria de Fryze das potências, a qual é utilizada como base para desenvolver um procedimento matemático que permite avaliar o processamento de potência ativa e não-ativa em conversores CC–CC. Por meio de análises comparativas realizadas entre dois reguladores série baseados em conversores H-bridge, constata-se que o processamento parcial de potência pode ser alcançado mediante o projeto adequado da relação de espiras dos transformadores utilizados nas duas topologias. Com isto, demonstra-se as principais vantagens do uso de reguladores série em substituição aos conversores abaixadores/elevadores de tensão tradicionais. Baseado na definição da faixa de regulação de tensão e nas eficiências Europeia e Californiana, verifica-se que o valor médio da potência não-ativa total ponderada é mais significativo na operação do buck–boost não-inversor conectado em cascata (Europeia: 793,18 var; Californiana: 955,19 var), sendo menos expressivo no full-bridge/push–pull conectado em série (Europeia: 518,14 var; Californiana: 623,89 var) e no half-bridge/push–pull conectado em série (Europeia: 458,68 var; Californiana: 552,39 var), o que torna esta última a topologia avaliada que realiza o menor processamento de potência. Para validar as abordagens, dois protótipos de 2202 W foram projetados, construídos e submetidos a inúmeros ensaios de laboratório. Com relação à potência não-ativa processada pelos elementos de circuito dos conversores CC–CC, os valores obtidos experimentalmente se mostraram condizentes com os resultados das simulações numéricas e de circuito. Em termos de desempenho, o protótipo do half-bridge/push–pull conectado em série sem snubbers apresentou eficiências médias ponderadas de 98,38% (Europeia) e 98,95% (Californiana). Nas mesmas condições de operação, o protótipo do buck–boost não-inversor conectado em cascata apresentou eficiências médias ponderadas de 98,70% (Europeia) e 98,73% (Californiana).Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaMartins, Mário Lúcio da Silvahttp://lattes.cnpq.br/2730012969211616Bradaschia, FabrícioCosta, Marco Antônio DallaSantos, Niwton Gabriel Feliciani dos2021-10-18T12:01:12Z2021-10-18T12:01:12Z2020-02-27info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/22429ark:/26339/001300000jdh8porAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2021-10-19T06:01:58Zoai:repositorio.ufsm.br:1/22429Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2021-10-19T06:01:58Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
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description This work provides some conceptual and practical contributions about the use of DC–DC power converters connected as step-up/down series voltage regulators in string or multi-string architectures of grid-tie photovoltaic systems, which allow to carry out the partial power processing. In practical terms, the basic implementation restrictions and also the requirements for operation with bidirectional active power flow required to develop topologies of this type are defined. From a conceptual point of view, it is determined that the series connection is a necessary condition, but only a thorough analysis in terms of the non-active power processed can define the requirements that allow characterizing which series regulators are capable of performing partial power processing. For this, it is proposed a new application to the well-known Fryze power theory, which is used to develop a mathematical procedure that allows to evaluate both active and non-active power processing in DC–DC power converters. Through a comparative analysis between two series regulators based on H-bridge converters, it is verified that partial power processing can be achieved by adjusting the turns ratio of the transformers used in these two topologies. Thus, the main advantages of using series regulators to replace traditional step-up/down power converters are demonstrated. Based on the voltage regulation range definition and both European and Californian efficiencies, it is verified that the average value of the weighted total non-active power is higher under the cascade-connected non-inverting buck–boost operation (European: 793.18 var; Californian: 955.19 var), being lower under the series-connected full-bridge/push–pull converter (European: 518.14 var; Californian: 623.89 var) and the series-connected half-bridge/push–pull converter operation (European: 458.68 var; Californian: 552.39 var), thus this latter is the evaluated topology that performs the least power processing. In order to validate the approaches, two 2202 W prototypes were designed and submitted to numerous laboratory tests. Regarding the non-active power processed by the circuit elements of the DC–DC converters, all values obtained experimentally were consistent with the numerical and circuit simulations results. In terms of performance, the series-connected halfbridge/ push–pull prototype without snubbers resulted in weighted average global efficiencies of approximately 98.38% (European) and 98.95% (Californian). Under the same operation conditions, the cascade-connected non-inverting buck–boost prototype resulted in weighted average efficiencies of approximately 98.70% (European) and 98.73% (Californian).
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