Conforme comentado anteriormente, um conversor CC-CC bidirecional pode ser adicionado à entrada do conversor full-bridge, como mostrado na Figura 3.4, trazendo diversas vantagens para a topologia integrada proposta, sendo estudado nesta seção.
No modo de descarga do elemento de armazenamento de energia, o conversor bidirecional tem como objetivo manter constante a corrente fornecida pelo elemento de armazenamento e elevar sua tensão para a entrada do conversor full-bridge. Desta maneira, consegue-se aumentar a vida útil das baterias, devido à pequena ondulação de corrente imposta; aproveitar uma maior parcela da energia armazenada no supercapacitor, pois é possível atingir níveis de tensão mais baixos; e reduzir os níveis de corrente nos interruptores da ponte completa do conversor full-bridge.
Além disso, o rendimento do conversor bidirecional não é comprometido devido a ganhos de tensão elevados e a viabilidade de implementação do conversor full-bridge é garantida, o que poderia não ocorrer caso fosse desejado atingir níveis reduzidos de tensão no supercapacitor, devido à elevada perda de razão cíclica provocada pelo baixo nível de tensão de entrada a que o conversor full-bridge estaria submetido (necessitando elevar a relação de transformação ou reduzir muito a frequência de comutação).
No modo de carga do elemento de armazenamento de energia, o conversor bidirecional tem como objetivo manter constante a corrente fornecida e realizar a função de pós-regulação de tensão, ou seja, ajustar o nível de tensão desejado no elemento de armazenamento de energia. Desta maneira, a tensão de saída do conversor forward double- ended pode variar dentro de uma faixa específica em busca de rendimentos mais altos, caso possível. Outra possibilidade é operar com Sbid1 acionado e Sbid2 bloqueado, atuando como um
filtro passa-baixas, eliminando as perdas de comutação de ambos os interruptores, uma vez que o próprio conversor forward double-ended é capaz de regular a tensão de saída desejada.
Considerando este último caso, ao invés de utilizar um conversor bidirecional pode-se utilizar um conversor boost de entrada com um relé em paralelo ao diodo do conversor boost, uma vez que o interruptor Sbid1 não é comutado em alta frequência no modo de carga e pode
ser substituído por um diodo no modo de descarga, portanto eliminando um interruptor da topologia. A topologia proposta com a inserção do conversor boost de entrada é mostrada na Figura 3.26, sem a presença dos circuitos grampeadores. Desta maneira, no modo de descarga o relé é mantido bloqueado e a corrente flui através de Db, enquanto que no modo de carga a
corrente flui através do relé, o qual é mantido acionado. Esta configuração é escolhida nesta Tese, por eliminar um interruptor e facilitar a implementação do conversor.
Vsto Lb Sb Db L1 D1 D2 Sw1 Sw2 Sw3 Sw4 n1 n2 n2 Vbus D3 Sw5 n3 Relé Cb
Figura 3.26 – Topologia do conversor CC-CC integrado full-bridge-forward com conversor boost. O nível da tensão de saída do conversor bidirecional ou boost deve ser analisado cuidadosamente levando em consideração parâmetros como nível de corrente, nível de tensão e custo dos interruptores, perda de razão cíclica do conversor full-bridge, e rendimento do conversor bidirecional ou boost, sendo abordado no próximo capítulo.
3.8 Conclusão
O capítulo 3 dedicou-se ao estudo do conversor proposto para utilização no sistema de armazenamento de energia da microrrede. O conversor CC-CC integrado full-bridge-forward foi proposto como alternativa ao conversor DAB, largamente utilizado em sistemas de armazenamento de energia em microrredes, tendo como vantagens a redução do número de dispositivos ativos e a redução na ondulação de corrente na entrada e saída do conversor, além de ser apropriado para aplicações com níveis de potência diferentes no fluxo bidirecional. Comparado às topologias individuais dos conversores full-bridge e forward clássicos, o conversor proposto proporciona redução de 1 transformador, 2 diodos e 1 indutor.
O modo de descarga do elemento de armazenamento é realizado por um conversor full-bridge clássico, sendo que suas principais equações foram apresentadas. O modo de carga
do elemento de armazenamento, realizado por um conversor forward double-ended sem indutor de saída, foi estudado em detalhes por apresentar contribuições inéditas. Três circuitos grampeadores, sendo dois passivos e um ativo foram analisados. Além disso, um estudo detalhado do desvio da corrente magnetizante para o circuito grampeador que ocorre na segunda e na terceira etapas de operação do conversor foi realizado, onde se constatou que tensões elevadas no circuito grampeador conseguem minimizá-lo, reduzindo a duração destas etapas.
Duas novas topologias de conversor forward double-ended sem indutor de saída, uma incluindo um circuito grampeador passivo regenerativo e outra incluindo um circuito grampeador ativo regenerativo foram propostas, as quais regeneram parte ou toda a energia (idealmente) desviada para o circuito grampeador, elevando o rendimento do conversor comparado ao conversor com grampeador passivo dissipativo.
Por fim, pode-se concluir que a inclusão do conversor bidirecional ou conversor boost proporciona melhor aproveitamento da energia armazenada no supercapacitor, prolongamento da vida útil do elemento de armazenamento, principalmente das baterias, redução do nível de corrente dos interruptores do conversor full-bridge, garantia de viabilidade de implementação, otimização do projeto do conversor full-bridge e melhoria do rendimento do conversor forward double-ended.
Metodologia de projeto e análise
4.1 Introdução
Este capítulo apresenta questões específicas a respeito do conversor CC-CC integrado full-bridge-forward proposto. Inicialmente, a metodologia de projeto do conversor, incluindo transformador, níveis de tensão, circuitos grampeadores, indutores, entre outros é apresentada. Na sequência, um exemplo de projeto realizado de acordo com a metodologia proposta e dos parâmetros considerados para a aplicação é mostrado. O processo de obtenção do modelo CC (ganho estático) do conversor forward double-ended integrante do conversor proposto, bem como a comprovação da equação resultante são apresentados na sequência. Após, uma análise comparativa entre o conversor proposto e o conversor DAB, por ser o conversor mais utilizado para aplicações semelhantes é realizada. Por fim, a conclusão do capítulo é apresentada.