Projeto e análise de inversores cuk integrados com operação unidirecional e bidirecional

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Inoue, Rafael Takeshi
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Cornelio Procopio
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
UTFPR
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.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38852
Resumo: This work presents a new single-phase bidirectional integrated Cuk inverter (BICI) for DC microgrid interface between DC sources and AC bus. Aditionaly, this work also proposes two new possibilities of operation of the single-phase unidirectional integrated Cuk inverter (UICI). Being: i) The application of a multi-resonant ontroller together with a PI controller (PI-MR) to the ICIU; ii) Proposal of a high frequency modulation (UICI-HF), which allow an improved dynamics to the UICI. The UICI with the muti-ressonant compensator is designed to operate as a interface converter between DC sources and off-grid AC loads, meanwhile the UICI-HF designed to operate in stand-alone mode and grid-connected. These integrated inverters are formed from the junction of the Cuk DC-DC converter and the single-phase voltage source inverter. Both converters UICI and BICI are esigned to operate in discontinuous conduction mode since it presents linear static gain and improved system requency response, which facilitates the implementaion of a control loop for a given frequency bandwidth. These converters also have similar requency respose to the DC-DC Cuk converter. This work present a qualitative and quantitative analisys of the structures, including steady state analisys, small signal modeling and the compensator design. The UICI and BICI were evaluated through computational simulation in MATLAB/Simulink and experimentally. The UICI and UICI-HF were evaluated for three scenarios: i) resistive load; ii) resistive load step; iii) and nonlinear load. The PI-MR showed improvements when compared to the PI compensator, lowering from 7.4% to 4.4% the THD for the third scenario. Meanwhile, the UICI-HF showed improved dynamics in comparison with the UICI, which was capable of supply sinusoidal voltage to the nonliner load with 3,8% with only a PI compensator. And finally, the bidirectional operation of the BICI was evaluated, in which the current in both directions of power flow presented THD lower than 2.2%. The BICI was capable of grid forming while the AC current presented 4.4% of THD.
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These integrated inverters are formed from the junction of the Cuk DC-DC converter and the single-phase voltage source inverter. Both converters UICI and BICI are esigned to operate in discontinuous conduction mode since it presents linear static gain and improved system requency response, which facilitates the implementaion of a control loop for a given frequency bandwidth. These converters also have similar requency respose to the DC-DC Cuk converter. This work present a qualitative and quantitative analisys of the structures, including steady state analisys, small signal modeling and the compensator design. The UICI and BICI were evaluated through computational simulation in MATLAB/Simulink and experimentally. The UICI and UICI-HF were evaluated for three scenarios: i) resistive load; ii) resistive load step; iii) and nonlinear load. The PI-MR showed improvements when compared to the PI compensator, lowering from 7.4% to 4.4% the THD for the third scenario. Meanwhile, the UICI-HF showed improved dynamics in comparison with the UICI, which was capable of supply sinusoidal voltage to the nonliner load with 3,8% with only a PI compensator. And finally, the bidirectional operation of the BICI was evaluated, in which the current in both directions of power flow presented THD lower than 2.2%. The BICI was capable of grid forming while the AC current presented 4.4% of THD.Este trabalho apresenta uma nova topologia de inversor monofásico Cuk integrado bidirecional (ICIB) para interface entre fontes CC e fontes CA. Adicionalmente, são propostas duas novas possibilidades de operação do inversor monofásico Cuk integrado unidirecional (ICIU). Sendo: i) A aplicação de um controlador multi-ressonante em conjunto de um controlador PI (PI-MR) ao ICIU; ii) Proposta de uma modulação em alta frequência (ICIU-AF), que possibilita uma melhor dinâmica ao ICIU. O ICIU com controlador multi-ressonante é projetado para operar como interface entre fontes CC e cargas locais CA, enquanto o ICIU-AF é analisado para a operação autônoma e conectada à rede elétrica. Estes inversores integrados são construídos a partir da combinação do conversor CC-CC Cuk tradicional com o inversor monofásico fonte de tensão. Ambos inversores ICIB e ICIU são projetados para operar no modo de condução descontínua em função da linearidade do ganho estático e de uma melhor resposta em frequência dos sistemas, que por sua vez facilitam o controle para uma dada banda de frequência. As estruturas ICIU e ICIB apresentam respostas em frequência similares à apresentada pelo conversor CC-CC Cuk. Adicionalmente, este trabalho apresenta a análise quantitativa e qualitativa das estruturas, incluindo as análises em regime permanente, a modelagem de pequenos sinais e o projeto dos controladores. As estruturas ICIU e ICIB são avaliadas por meio de simulação computacional usando a plataforma (o simulador) MATLAB/Simulink e experimentalmente. O ICIU e o ICIU-AF foram avaliados em três cenários: i) carga resistiva; ii) degrau de carga ; iii) e carga não-linear. O sistema com o PI-MR apresentou melhorias quando comparado ao uso apenas do controlador PI, reduzindo a DHT de 7,4% para 4,4% para o terceiro cenário. Enquanto isso, o ICIU-AF apresentou uma melhoria na dinâmica em comparação aoICIU,fornecendo tensão senoidal à carga não linear com 3,8% com apenas um controlador PI. Por fim, avaliou-se a operação bidirecional do ICIB, na qual a corrente em ambas as direções do fluxo de potência apresentaram DHT menor que 2,2%. O ICIB foi capaz de operar como formador de rede enquanto a corrente CA apresentou DHT de 4,4%.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCornelio ProcopioBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUTFPRSampaio, Leonardo Poltronierihttps://orcid.org/0000-0002-6854-3015https://lattes.cnpq.br/1273409422257510Silva, Sergio Augusto Oliveira dahttps://orcid.org/0000-0003-3546-1088https://lattes.cnpq.br/7428189879295593Pelz, Guilherme Masquettihttps://lattes.cnpq.br/7773595142804404Campanhol, Leonardo Bruno Garciahttps://lattes.cnpq.br/8053457373498978Sampaio, Leonardo Poltronierihttps://lattes.cnpq.br/1273409422257510Galotto Junior, LuigiBrito, Moacyr Aureliano Gomes deInoue, Rafael Takeshi2025-11-05T16:46:03Z2025-11-05T16:46:03Z2025-09-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfINOUE, Rafael Takeshi. projeto e análise de inversores cuk integrados com operação unidirecional e bidirecional. 2025. 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