max min max min
TABELA III
apresentados na Tabela IV.
(a)
(b)
Fig. 11. Protótipos: (a) CDP (80 x 135 x 30) mm; (b) microinversor fotovoltaico de 250 W (180 x 120 x 40) mm.
TABELA II
Parâmetros do Sistema e Especificação Elétrica do CDP
Potência média nominal (Ppv = Pav) 250 W Tensão do capacitor de desacoplamento (VCf) 250 V
Tensão do barramento (VCb) 420 V
Frequência da rede (frede) 60 Hz
Frequência de comutação PDC (fs) 50 kHz
Ganho modulador (kPWM = 1) 1,0
Ganho do sensor da tensão do capacitor de desacoplamento
(kvcf) 1,0
Ganho do sensor da tensão de barramento 1,0
TABELA III
Principais Componentes de Potência
Cbus 50 µF/500 V C3D2H506KMCAC00
Cf e Cfd 30 µF/500 V MKP1848S63050JY5C
Rfd 15 Ω/3 W ERG-3SJ150V
Interruptores 900 V C3M0280090J-TR
Lf 2 x 1,0 mF MMTF75T2711 (Toroidal)
]TABELA IV
Parâmetros dos Controladores
Controlador PI da malha para controle do valor médio de VCf
0,0012 τ 9,12ms
c z
k
Controlador FF para controle da ondulação de
tensão do barramento CC kff 26,5 Controlador PR para controle da ondulação de
tensão do barramento CC
0,01 1 ω 2π120 rad/s
p r r
k k
Durante a inicialização, a CDP é conectada ao barramento CC e controlada por um algoritmo de partida suave, que garante a evolução gradativa de VCf de zero até seu valor nominal. Uma vez que a tensão no capacitor de desacoplamento tenha alcançado seu valor nominal, a CDP passa a operar para mitigar a ondulação de tensão do barramento CC.
A Figura 12.a exibe as formas da onda da tensão do barramento CC e no capacitor de desacoplamento, bem como das correntes no indutor da CDP e injetada na rede elétrica, durante a conexão da CDP no barramento CC, no instante t = 4,25 s. Por sua vez, a Figura 12.b apresenta os detalhes dessa mesma forma de onda, enfatizando a inicialização da CDP. A partir dos resultados apresentados, é possível perceber que, imediatamente após a inicialização da CDP, a ondulação de tensão no barramento CC é mitigada, sendo significativamente reduzida de ∆VCb = 30,2 V (7,2%) para
∆VCb = 5,0 V (1,12%).
O desempenho em regime permanente na potência nominal do microinversor fotovoltaico implementado sem e com a CDP também é ilustrado na Figura 12.c. Observa-se a partir da tensão vCb e da corrente iLf, que a ondulação de tensão foi transferida com sucesso do barramento CC para o capacitor de desacoplamento, Cf, que passou a apresentar uma ondulação de tensão de 120 Hz igual a ∆VCf = 54 V sobreposto ao valor médio de aproximadamente 250 V.
Além disso, destaca-se que depois da inserção da CDP no barramento CC, a THDi da corrente irede injetada na rede pelo microinversor teve leve melhora, passando de 3,13% antes para 2,81% depois da ativação.
Os resultados obtidos evidenciam a capacidade da CDP em mitigar o conteúdo harmônico de baixa frequência da tensão do barramento CC. Dessa forma, desde que seu projeto seja otimizado para também garantir competitividade em termos de eficiência, densidade de potência e custo, certamente seu emprego torna-se uma alternativa viável frente aos capacitores eletrólitos em inversores e microinversores fotovoltaicos.
Fig. 12. Formas de onda experimentais: (a) Inicialização e desconexão da CDP; (b) detalhes no momento da inicialização e (c) comportamento em regime permanente.
Base de tempo da medição: (a) 1,0 s/div e (b) 10 µs/div.
Escalas: vCf (100 V/div); vCb (200 V/div); (a) iLf (2,0 A/div) e (b) irede (1,0 A/div). As medições foram realizadas com o osciloscópio DSO-X 4054A, da Keysight Technologies.
VII. CONCLUSÃO
Este artigo apresentou uma célula de desacoplamento de potência para um microinversor fotovoltaico, capaz de mitigar a ondulação de tensão do barramento CC que ocorre no dobro da frequência da rede. A análise teórica demonstrou que a supressão de ondulações somente é eficaz quando uma estratégia adequada é aplicada para controlar a célula de desacoplamento, garantindo elevada atenuação da pulsação de 120 Hz da tensão do barramento CC.
Os resultados experimentais demonstraram que a ondulação da tensão diminui significativamente após a inserção da célula de desacoplamento de potência no barramento do microinversor fotovoltaico, passando de 30,2 V (antes) para 5,0 V (depois), mantendo o mesmo capacitor de barramento e sem degradar a THD da corrente injetada na rede elétrica. Apesar de a célula de desacoplamento ter sido utilizada aqui para suprimir a ondulação de tensão, entendê-la como um capacitor ativo é o primeiro passo para expandir seu uso para novas e ainda mais relevantes aplicações.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradem ao CNPq pelo suporte financeiro (Processo nº: 422276/2016-2).
REFERÊNCIAS
[1] R. F. Coelho, “Concepção, análise e implementação de uma microrrede interligada à rede elétrica para alimentação ininterrupta de cargas CC a partir de fontes renováveis”, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina, 2013.
[2] R. Teodorescu, M. Liserre, P. Rodriguez, Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems, Wiley, 2010.
[3] S. Kouro, J. I. Leon, D. Vinnikov, L. G. Franquelo,
“Grid-connected photovoltaic systems: An overview of recent research and emerging PV converter technology”, IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 9, n° 1, p. 47-61, Mar. 2015.
[4] S. B. Kjaer, J. K. Pedersen, F. Blaabjerg, “A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 41, n° 5, p. 1292–1306, Set. 2005.
[5] D. Dong, M. S. Agamy, M. H.-Todorovic, X. Liu, L.
Garces, R. Zhou, P. Cioffi, “A PV residential microinverter with grid-support function: Design, implementation, and field testing”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 54, n° 1, p. 469–481, Jan.
2018.
[6] L. Schmitz, T. P. Horn, D. C. Martins, R. F. Coelho,
“Conversor cc-cc de alto ganho voltado para aplicações fotovoltaicas com módulos de filme fino”, Eletrônica de Potência, v. 23, n. 3, p. 339–348, Set. 2018.
[7] A. Hu, S. Harb, N. Kutkut, I. Batarseh, Z. J. Shen, “A review of power decoupling techniques for microinverters with three different decoupling capacitor locations in PV systems”, IEEE Transactions on Power Electronics, v. 28, n.6, p. 2711-2726, Jun. 2013.
[8] Y. Levron, S. Canaday, R. W. Erickson, “Bus voltage control with zero distortion and high bandwidth for
single-phase solar inverters”, IEEE Transactions on Power Electronics, v. 31, n. 1, p. 258–269, Jan. 2016.
[9] T. A. Pereira, “Compensation of the double-line frequency voltage ripple on single-phase two-stage photovoltaic microinverter”, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, 2018.
[10] H. Wang, F. Blaabjerg, “Reliability of capacitors for DC-link applications in power electronic converters – An overview”, IEEE Transactions on Industry Applications, v. 50, n. 5, p. 3569–3578, Set. 2014.
[11] M. Keshani, E. Adib, H. Farzanehfard, “Micro-inverter based on single-ended primary-inductance converter topology with an active clamp power decoupling”, IET Power Electronics, v. 11, n. 1, p. 73–81, Fev. 2018.
[12] C. Y. Liao, W. S. Lin, Y. M. Chen, C. Y. Chou, “A PV micro-inverter with PV current decoupling strategy”, IEEE Transactions on Power Electronics, vo. 32, n. 8, p. 6544–6557, Ago. 2017.
[13] D. Wang, M. Preindl, F. Peng, J. Ye, A. Emadi, “DC-bus design with hybrid capacitor bank in single-phase PV inverters”, in Proc. of. IEEE IECON, Pequim, China, p. 2425–2430, Dec. 2017.
[14] H. Wang, C. Li, G. Zhu, Y. Liu, H. Wang, “Model-based design and optimization of hybrid DC-link capacitors banks”, IEEE Transactions on Power Electronics, v. 35, n. 5, p. 8910–8925, Set. 2020.
[15] B. Gu, J. Dominic, J. Zhang, L. Zhang, B. Chen, J.-S.
Lai, “Control of electrolyte-free microinverter with improved MPPT performance and grid current quality”, in Proc. of IEEE APEC, Fort Worth, U.S., p. 1788–
1792, Mar. 2014.
[16] I. Serban, “Power decoupling method for single-phase H-bridge with no additional power electronics”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 62, n. 8, p.
4805–4813, Ago. 2015.
[17] Y. Tang, W. Yao, P. Loh, F. Blaabjerg, “Highly reliable transformerless photovoltaic inverters with leakage current and pulsating power elimination”, IEEE Transaction on Industrial Electronics, v. 63, n. 2, p.
1016–1026, Fev. 2015.
[18] A. S. Morsy, P. N. Enjeti, “Comparison of active power decoupling methods for high-power-density single-phase inverters using wide-bandgap FETs for Google Little Box Challenge”, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, v. 4, n. 3, p. 790–
798, Set. 2016.
[19] Z. Qin, Y. Tang, P. C. Loh, F. Blaabjerg, “Benchmark of AC and DC active power decoupling circuits for second-order harmonic mitigation in kilowatt-scale single-phase inverters”, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, v. 4, n. 1, p. 15–
25, Mar. 2016.
[20] Y. Sun, Y. Liu, M. Su, W. Xiong, J. Yang, “Review of active power decoupling topologies in single-phase systems”, IEEE Transactions on Power Electronics, v.
31, n. 7, p. 4778–4794, Jul. 2016.
[21] M. A. Vitorino, L. F. S. Alves, R. Wang, M. B. R.
Correa, “Low-frequency power decoupling in single-phase applications: a comprehensive overview”, IEEE
Transactions on Power Electronics, v. 32, n. 4, p.
2892–2912, Abr. 2017.
[22] H. Zhang, X. Li, B. Ge, R. S. Balog, “Capacitance, dc voltage utilization, and current stress: Comparison of double-line frequency ripple power decoupling for single-phase systems”, IEEE Industrial Electronics Magazine, v. 11, n. 3, p. 37–49, Set. 2017.
[23] S. Xu, L. Chang, R. Shao, “Evolution of single-phase power converter topologies underlining power decoupling”, Chinese Journal Electrical Engineering, v. 2, n. 1, p. 24-39, Jun. 2016.
[24] M. Saito, N. Matsui, “Modeling and control strategy for a single-phase PWM rectifier using a single-phase instantaneous active/reactive power theory”, in Proc. of IEEE INTELEC, Yokohama, Japão, p. 573–578, Oct.
2003.
[25] R. Wang, F. Wang, D. Boroyevich, R. Burgos, R. Lai, P. Ning, K. Rajashekara, “A high power density single-phase PWM rectifier with active ripple energy storage”, IEEE Transactions on Power Electronics, v. 26, n. 5, p.
1430–1443, Maio 2011.
[26] C. Y. Wu, C. H. Chen, J. W. Cao, M. T. Liu, “Power control and pulsation decoupling in a single-phase grid-connected voltage-source inverter”, in Proc. of IEEE TENCON, Sydney, Austrália, p. 475–479, Apr. 2013.
[27] A. Kyritsis, N. Papanicolaou, E. Tatakis, “A novel parallel active filter for current pulsation smoothing on single stage grid-connected ac-pv modules”, in Proc. of IEEE EPE., Aalborg, Dinamarca, p. 1–10, 2007.
[28] I. Serban, C. Marinescu, “Active power decoupling circuit for a single-phase battery energy storage system dedicated to autonomous microgrids,” in Proc. of IEEE ISIE, Bari, Itália, p. 2717–2722, July 2010.
[29] W. Cai, B. Liu, S. Duan, L. Jiang, “An active low-frequency ripple control method based on the virtual capacitor concept for BIPV systems”, IEEE Transactions on Power Electronics, v. 29, n. 4, p. 1733–1745, Abr. 2014.
[30] X. Cao, Q.-C. Zhong, W.-L. Ming, “Ripple eliminator to smooth DC-bus voltage and reduce the total capacitance required”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 62, n. 4, p. 2224-2235, Abr. 2015.
[31] S. Qin, Y. Lei, C. Barth, W.-C. Liu, R. C. N. Pilawa-Podgurski, “A high efficiency high energy density buffer architecture for power pulsation decoupling in grid-interfaced converters,” in Proc. of IEEE ECCE, Montreal, Canadá, p. 149–157, Sept. 2015.
[32] P. T. Krein, R. S. Balog, M. Mirjafari, “Minimum energy and capacitance requirements for single-phase inverters and rectifiers using a ripple port”, IEEE Transactions on Power Electronics, v. 27, n. 11, p.
4690–4698, Nov. 2012.
[33] S. Harb, M. Mirjafari, R. S. Balog, “Ripple-port module-integrated inverter for grid-connected PV applications”, IEEE Transactions on Industry Applications, v. 49, n. 6, p. 2692–2698, Nov. 2013.
[34] R. J. Wai, C. Y. Lin, “Active low-frequency ripple control for clean energy power conditioning mechanism”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 57, n. 11, p. 3780–3792, Nov. 2010.
[35] H. Wang, H.-H. Chung, W. Liu, “Use of a series voltage compensator for reduction of the dc-link capacitance in a capacitor-supported system”, IEEE Transactions on Power Electronics, v. 29, n, 3, p.
1163–1175, Mar. 2014.
[36] W. Liu, K. Wang, H.-H. Chung, S.-H. Chuang,
“Modeling and design of series voltage compensator for reduction of dc-link capacitance in grid-tie solar inverter”, IEEE Transactions on Power Electronics, v.
30, n. 5, p. 2534–2548, Maio 2015.
[37] R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Springer US, 2001
DADOS BIOGRÁFICOS
Thiago A. Pereira, nascido em Florianópolis, Brasil.
Recebeu o título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial (2011) pelo Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC), Engenheiro Eletricista, Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC, Brasil, em 2016 e 2018, respectivamente. Atualmente é Pesquisador na Universidade de Kiel, Kiel, Alemanha. Suas áreas de interesse são: conversores cc-cc, transformadores de estado sólido, microrredes e processamento de energia proveniente de fontes renováveis. É membro da SOBRAEP e do IEEE.
Lenon Schmitz, nascido em Blumenau, SC, Brasil, em 28 de março de 1990. Recebeu os títulos de Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) em 2013, 2015 e 2020, respectivamente. Suas áreas de interesse incluem conversores estáticos de potência, processamento de energia proveniente de fontes renováveis e sistemas conectados à rede elétrica.
É membro da SOBRAEP e do IEEE.
Thamires P. Horn, nascida em São Miguel do Oeste, em junho de 1991. Recebeu o título de Engenheira de Controle e Automação pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) em 2018. Atualmente é mestranda no Instituto de Eletrônica de Potência (INEP/UFSC). Suas áreas de interesse incluem circuitos elétricos, estabilidade de microrredes, técnicas de controle aplicadas em conversores de potência, energia solar, rastreamento de máxima potência, conversores elevadores de alto ganho.
Denizar C. Martins, nasceu em São Paulo, SP, Brasil, em 24 de abril de 1955. Recebeu o título de Engenheiro Eletricista e Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), SC, Brasil, em 1978 e 1981, respectivamente, e o título de Doutor em Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional Politécnico de Toulouse, Toulouse, França, em 1986. Atualmente é professor titular do Departamento de Engenharia Elétrica da mesma instituição, onde desenvolve trabalhos nos seguintes temas: conversores estáticos CC-CC e CC-CA, correção de fator de potência, qualidade de energia, processamento eletrônico da energia solar fotovoltaica, redes ativas de distribuição, simulação de conversores estáticos e acionamento elétrico. É membro do IEEE, da SOBRAEP e da SBA.
Roberto F. Coelho, nasceu em Florianópolis, em 19 de agosto de 1982. Recebeu o título de Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), SC, Brasil, em 2006, 2008 e 2013, respectivamente. Atualmente é professor do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da mesma instituição, onde desenvolve trabalhos relacionados ao processamento de energia proveniente de fontes renováveis e ao controle e estabilidade de microrredes. É membro do IEEE e da SOBRAEP.