Estratégia de gerenciamento e controle visando o aumento da vida útil de baterias utilizadas em inversores fotovoltaicos híbridos off-grid
| Ano de defesa: | 2025 |
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| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Pato Branco Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação UTFPR |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36905 |
Resumo: | Li-ion batteries are an efficient solution for energy storage in photovoltaic hybrid inverters due to their high energy and power density. To use them efficiently, estimating their state of charge () and state of health () is necessary. For this purpose, estimators that depend on the parameters of the electrical equivalent circuit of the battery, which vary with the operating point, are used. Prior tests are usually performed to obtain these parameters. To avoid dependence on these tests, this work presents a real-time estimation of the parameters of the electrical equivalent circuit of the battery. To improve the accuracy of the estimates, a calibration strategy for the maximum battery capacity is also presented, together with the characterization of the open circuit voltage ( ) curve as a function of the state of charge. Additionally, to ensure proper battery utilization in the off-grid hybrid photovoltaic inverter, aiming to extend battery life, this work proposes using model-based predictive control ( ) as a system power management strategy. The entire study was conducted through hardware-in-the-loop () simulation, using the Typhoon platform to simulate the inverter and the battery. The estimation, calibration, and power management strategy was implemented on the TMS320F28379D microcontroller. The estimation and calibration results demonstrated average percentage errors lower than 1.881% for the estimation and a maximum percentage error of 1.8% for the estimation. The power management performance was compared with two other strategies: rule-based and frequency-based. For all the evaluated indicators, such as the battery life cycle usage, the effective current ( ), and the energy dissipation in the storage system, the proposed strategy presented better results when compared to the rule-based and frequency-based techniques. |
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Estratégia de gerenciamento e controle visando o aumento da vida útil de baterias utilizadas em inversores fotovoltaicos híbridos off-gridManagement and control strategy aimed at increasing the lifespan of batteries used in off-grid hybrid photovoltaic invertersInversores elétricosBaterias elétricasCapacitadoresVida útil (Engenharia)Electric invertersElectric batteriesCapacitorsService life (Engineering)CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAEngenharia/Tecnologia/GestãoLi-ion batteries are an efficient solution for energy storage in photovoltaic hybrid inverters due to their high energy and power density. To use them efficiently, estimating their state of charge () and state of health () is necessary. For this purpose, estimators that depend on the parameters of the electrical equivalent circuit of the battery, which vary with the operating point, are used. Prior tests are usually performed to obtain these parameters. To avoid dependence on these tests, this work presents a real-time estimation of the parameters of the electrical equivalent circuit of the battery. To improve the accuracy of the estimates, a calibration strategy for the maximum battery capacity is also presented, together with the characterization of the open circuit voltage ( ) curve as a function of the state of charge. Additionally, to ensure proper battery utilization in the off-grid hybrid photovoltaic inverter, aiming to extend battery life, this work proposes using model-based predictive control ( ) as a system power management strategy. The entire study was conducted through hardware-in-the-loop () simulation, using the Typhoon platform to simulate the inverter and the battery. The estimation, calibration, and power management strategy was implemented on the TMS320F28379D microcontroller. The estimation and calibration results demonstrated average percentage errors lower than 1.881% for the estimation and a maximum percentage error of 1.8% for the estimation. The power management performance was compared with two other strategies: rule-based and frequency-based. For all the evaluated indicators, such as the battery life cycle usage, the effective current ( ), and the energy dissipation in the storage system, the proposed strategy presented better results when compared to the rule-based and frequency-based techniques.Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Baterias de Li-íon são uma solução eficiente para armazenamento de energia em inversores híbridos fotovoltaicos devido à sua elevada densidade de energia e potência. Para utilizá-las de maneira eficiente, é necessário estimar seu estado de carga () e estado de vida (). Para isso, são utilizados estimadores que dependem de parâmetros do circuito equivalente da bateria que variam com o ponto de operação. Para a obtenção destes parâmetros, geralmente s˜ao realizados ensaios prévios. Visando evitar a dependência desses ensaios, este trabalho apresenta a estimação ao em tempo real dos parâmetros do circuito equivalente da bateria. Para aprimorar a acurácia das estimativas, também é apresentada uma estratégia de calibração da capacidade máxima da bateria, juntamente com a caracterização da curva de tensão de circuito aberto ( ) em função do estado de carga. Adicionalmente, para garantir o uso adequado da bateria no inversor fotovoltaico híbrido off-grid, buscando ampliar a vida útil da bateria, este trabalho também propõe a utilização do controle preditivo baseado em modelo ( ) como estratégia de gerenciamento de potência do sistema. Todo o estudo foi conduzido por meio de simulação hardware-in-the-loop (), utilizando a plataforma Typhoon para simular o inversor e a bateria, enquanto a implementação da estratégia de estimação, calibração e gerenciamento de potência foi realizada no microcontrolador TMS320F28379D. Os resultados da estimação e calibração demonstraram erros percentuais médios inferiores a 1,881% para a estimação do e erro percentual máximo de 1,8% para a estimação do . O desempenho do gerenciamento de potência foi comparado com outras duas estratégias, uma baseada em regras e outra baseada em frequência. Para todos os indicadores avaliados, tais como o uso do ciclo de vida da bateria, a corrente eficaz ( ) e a dissipação de energia no sistema de armazenamento, a estratégia proposta apresentou melhores resultados quando comparados com as técnicas baseadas em regra e em frequência.Universidade Tecnológica Federal do ParanáPato BrancoBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de ComputaçãoUTFPRCardoso, Rafaelhttps://orcid.org/0000-0002-2193-2056http://lattes.cnpq.br/8148387096236908Silva, Edivan Laercio Carvalho dahttps://orcid.org/0000-0002-8389-8703http://lattes.cnpq.br/7572444750472723Carati, Emerson Giovanihttps://orcid.org/0000-0001-6766-7190http://lattes.cnpq.br/8681744957229767Cardoso, Rafaelhttps://orcid.org/0000-0002-2193-2056http://lattes.cnpq.br/8148387096236908Gonschorowski, Ezequiel2025-05-23T14:26:58Z2025-05-23T14:26:58Z2025-03-07info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfGONSCHOROWSKI, Ezequiel. Estratégia de gerenciamento e controle visando o aumento da vida útil de baterias utilizadas em inversores fotovoltaicos híbridos off-grid. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2025.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36905porhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2025-09-26T14:34:30Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/36905Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2025-09-26T14:34:30Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false |
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Li-ion batteries are an efficient solution for energy storage in photovoltaic hybrid inverters due to their high energy and power density. To use them efficiently, estimating their state of charge () and state of health () is necessary. For this purpose, estimators that depend on the parameters of the electrical equivalent circuit of the battery, which vary with the operating point, are used. Prior tests are usually performed to obtain these parameters. To avoid dependence on these tests, this work presents a real-time estimation of the parameters of the electrical equivalent circuit of the battery. To improve the accuracy of the estimates, a calibration strategy for the maximum battery capacity is also presented, together with the characterization of the open circuit voltage ( ) curve as a function of the state of charge. Additionally, to ensure proper battery utilization in the off-grid hybrid photovoltaic inverter, aiming to extend battery life, this work proposes using model-based predictive control ( ) as a system power management strategy. The entire study was conducted through hardware-in-the-loop () simulation, using the Typhoon platform to simulate the inverter and the battery. The estimation, calibration, and power management strategy was implemented on the TMS320F28379D microcontroller. The estimation and calibration results demonstrated average percentage errors lower than 1.881% for the estimation and a maximum percentage error of 1.8% for the estimation. The power management performance was compared with two other strategies: rule-based and frequency-based. For all the evaluated indicators, such as the battery life cycle usage, the effective current ( ), and the energy dissipation in the storage system, the proposed strategy presented better results when compared to the rule-based and frequency-based techniques. |
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