conversor multinÍvel monofÁsico para sistemas .conversor multinÍvel monofÁsico para ......

Download CONVERSOR MULTINÍVEL MONOFÁSICO PARA SISTEMAS .CONVERSOR MULTINÍVEL MONOFÁSICO PARA ... dissertação

Post on 08-Nov-2018

224 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • Fbio Patrcio Domingues Gonalves

    CONVERSOR MULTINVEL MONOFSICO

    PARA

    SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

    Dissertao de Mestrado em Engenharia Eletrotcnica e de Computadores rea de Especializao em Energia

    Fevereiro de 2015

  • Departamento de Engenharia Eletrotcnica e de Computadores

    Dissertao de Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotcnica e de

    Computadores

    rea de Especializao em Energia

    Conversor Multinvel Monofsico

    para

    Sistemas Fotovoltaicos

    Fbio Patrcio Domingues Gonalves

    Jri:

    Professor Doutor Srgio Manuel ngelo da Cruz (Presidente)

    Professor Doutor Andr Manuel dos Santos Mendes (Orientador)

    Professor Doutor Marco Alexandre Cravo Gomes (Vogal)

    Coimbra, Fevereiro de 2015

  • Agradecimentos

    Ao longo dos 5 anos deste curso e particularmente na elaborao deste trabalho foram

    vrias as pessoas que me apoiaram e ajudaram, de modo a que todo este percurso fosse possvel.

    Antes de mais gostaria de agradecer aos meus pais, por todo o apoio e incentivo ao longo

    desta etapa, sem quais no era possvel ter chegado aqui. No esquecendo tambm a ajuda

    prestada pela minha irm.

    Agradeo ao meu orientador, o Professor Doutor Andr Manuel dos Santos Mendes, por todo

    o apoio prestado, a grande disponibilidade demonstrada e por toda a experincia e conhecimento

    transmitidos.

    Gostaria de agradecer em particular aos colaboradores do Laboratrio de Sistemas de

    Energia do Instituto de Telecomunicaes, o Lus Caseiro e o Emanuel Marques, por toda a ajuda,

    pela permanente disponibilidade e pelo companheirismo.

    Agradeo aos meus colegas e amigos do Laboratrio de Eletrnica de Potncia pela

    entreajuda, troca de ideias e companheirismo ao longo do desenvolvimento deste trabalho.

    Agradeo a todos os professores que ao longo do curso contriburam para a minha

    formao.

    Agradeo minha namorada, a Kelly, por todo o apoio e compreenso ao longo da

    realizao deste trabalho e dos 5 anos do curso.

    Agradeo a todos os meus colegas e amigos que contriburam para a concluso desta etapa.

    Obrigado!

  • Resumo

    O crescimento da populao mundial e o contnuo desenvolvimento tecnolgico tornam as

    necessidades energticas cada vez maiores. Aliando a isso os elevados custos econmicos e

    ambientais das formas de energia no renovveis, torna-se urgente encontrar meios de utilizar

    as fontes de energia renovveis para sustentar o crescente consumo energtico. Uma das

    solues em maior desenvolvimento e expanso os sistemas fotovoltaicos, que realizando a

    converso da energia solar diretamente em energia eltrica, so vistos como uma das tecnologias

    mais viveis para aproveitar a energia proveniente do Sol.

    Um dos elementos mais importantes dentro dos sistemas fotovoltaicos os conversores de

    potncia, responsveis pela adaptao da tenso entre os painis fotovoltaicos e a carga/rede. Em

    paralelo a isso, na rea da eletrnica de potncia, os conversores multinvel (CM) surgem como

    uma das opes mais prometedoras para melhorar o desempenho dos conversores de potncia.

    Assim, juntando as duas condies anteriores, constata-se que a integrao dos CM nos sistemas

    fotovoltaicos uma opo bastante promissora.

    Tendo como ponto de partida a concluso anterior, definiu-se como objetivo principal desta

    dissertao o estudo e implementao de um CM num sistema fotovoltaico. Inicialmente

    realizado o estudo das diversas topologias de CM existentes e do seu modo de funcionamento, a

    partir desse estudo escolhida a topologia que melhor se adapta aos sistemas a desenvolver. Em

    paralelo a isso so investigados os mtodos de controlo que so utilizados nos CM, sendo escolhido

    qual o tipo de controlo que se ajusta a cada aplicao dos sistemas fotovoltaicos. Para comprovar

    o correto funcionamento das aplicaes desenvolvidas, realizada a simulao computacional

    seguida da apresentao e anlise dos resultados obtidos. Por fim realizada a construo dos

    prottipos permitindo a recolha e anlise dos resultados experimentais.

    Palavras-chave: Conversor Multinvel para Sistemas Fotovoltaicos, Inversores, Eletrnica de

    Potncia, Sistemas Fotovoltaicos, Energia Renovvel.

  • Abstract

    The world population growth and the continuous technological development increase the

    demands for energy. Combining this with high economic and environmental costs of the "non-

    renewable" energy forms, it is urgent to find ways to use "renewable" energy sources in order to

    support the growth of energy consumption. The photovoltaic systems transform solar in electrical

    energy and the technology behind it is in great development and expansion. It has been seen as

    one of the most viable options to take advantage of the solar energy.

    One of the most important elements within the photovoltaic (PV) systems are the power

    converters, responsible for adapting the tension between PV panels and the load/grid. Parallel to

    this, in power electronics area, multilevel converters (MC) appear as one of the most promising

    options for improving the performance of power converters. Thus, joining the two previous

    conditions, it appears that the integration of MC in photovoltaic systems is a promising option.

    Based on the above conclusion, it was defined as the main objective of this dissertation the

    study and implementation of a MC in a PV system. Initially the study is conducted of all existing

    MC topologies and its mode of operation, from that study is chosen a topology that best suits their

    systems to be developed. Parallel to this, control methods that are used in MC are investigated,

    choosing the type of control that fits every application of PV systems. To check the correct

    operation of the applications developed, is held computer simulation followed by the presentation

    and analysis of results. Finally, it is realized the construction of the prototype to enable the

    collection and analysis of experimental results.

    Keywords: Multilevel Converter for Photovoltaic Systems, Inverters, Power Electronics,

    Photovoltaics, Renewable Energy.

  • i

    ndice

    Lista de Figuras ...................................................................................................................... v

    Lista de Tabelas .................................................................................................................... xi

    Lista de Abreviaturas .......................................................................................................... xiii

    Lista de Smbolos ................................................................................................................ xiii

    Captulo 1Equation Chapter 1 Section 1 ................................................................................ 1

    Introduo ......................................................................................................................... 1

    1.1 Sistemas de Energia Fotovoltaicos ......................................................................... 2

    1.1.1 Sistemas Isolados ............................................................................................ 2

    1.1.2 Sistemas Ligados Rede ................................................................................ 2

    1.1.3 Sistemas Destinados ao Autoconsumo ........................................................... 3

    1.1.4 Normas de Funcionamento ............................................................................. 3

    1.2 Constituio e Funcionamento de um Sistema Fotovoltaico ................................. 4

    1.2.1 Painis Fotovoltaicos (PVs) ............................................................................ 4

    1.2.2 Conversores DC-DC ....................................................................................... 8

    1.2.3 Baterias ........................................................................................................... 9

    1.2.4 Transformadores ............................................................................................. 9

    1.2.5 Conversores DC/AC ....................................................................................... 9

    1.2 Estratgias de Controlo e Modulao ................................................................... 12

    1.3 Motivao e Objetivos .......................................................................................... 13

    Captulo 2Equation Chapter (Next) Section 1 ..................................................................... 15

    CM em Cascata Assimtrico com Trs Fontes Independentes ....................................... 15

    2.1 Aplicaes da Topologia Adotada ....................................................................... 17

    2.1.1 Sistema Isolado ............................................................................................. 17

    2.1.2 Sistema Ligado Rede sem Conversores DC-DC ....................................... 18

    2.1.3 Sistema Ligado Rede com Conversores DC-DC ....................................... 18

    2.2 Estratgias de Controlo e Modulao ................................................................... 19

  • ii

    2.2.1 Controlo e Modulao do Sistema Isolado ................................................... 20

    2.2.2 Controlo dos Sistemas Ligados Rede com e sem Conversores DC-DC .... 21

    2.2.3 Modulao dos Sistemas Ligados Rede com e sem Conversores DC-DC 25

    2.2.4 MPPT no Sistema Ligad