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Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Este trabalho apresenta uma família de Inversores ZVS PWM com grampeamento ativo que utilizam um único interruptor auxiliar. As estruturas são particularmente simples e robustas. São muito atrativas para aplicações em acionamentos elétricos, UPS's e filtros ativos de alta potência. As perdas por comutação são reduzidas com a implementação de um circuito snubber simples e regenerativo que provém comutação ZVS para todos os interruptores. A interferência eletromagnética é reduzida com o controle das derivadas de corrente. A tensão sobre os interruptores é reduzida devido ao grampeamento ativo. Suas principais vantagens são: Estratégia de controle simples, robustez, baixo peso e volume, baixo conteúdo de distorção harmônica da corrente de saída, baixa interferência eletromagnética e alta eficiência. Princípio de operação em regime permanente, análise matemática, procedimento de projeto e resultados experimentais são apresentados.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This thesis proposes the conception and analysis of power management strategies applied to the control of multiple buses dc nanogrids. Nanogrids are small-scale commercial and residential prosumer electrical installations that, typically, involves photovoltaic generation systems, energy storage, and critical loads at extra-low voltage levels. In this work, a new power management strategy is proposed, based on a price response theory and droop control loops. The pricing strategy is used as a simple methodology to define operation modes for each power element. This allows improving the efficiency of the power management, because is not necessary a power-sharing mode all the time. The power management is implemented in a distributed way to control interconnected systems. To validate this proposal, the price-based power management was applied in a dc nanogrid that includes a low voltage dc bus, at 380 V, interconnected through an interlink converter to one or more extra-low voltage buses, at 48 V. These voltage levels are in accordance with industry standards and regulations for dc power distribution, whose standardization is under development with the IEC. The 380 V bus is used to connect the system to ac grid, photovoltaic systems, and other high-power loads. In this system, the 48 V bus is used to supply light loads, but which commonly have higher priority due to the nature of their application, such as electronic devices, data centers, emergency lights and others. The main contribution of the work was the conception of a simple tool that makes it easier for the end-user to carry out the power management of the nanogrid, such as load prioritization, energy storage, and tariff variations of the distribution system. Simulation and experimental results are presented to validate the proposed concepts. Esta tese propõe a concepção e análise de estratégias de gerenciamento de potência aplicadas ao controle de nanorredes c.c. com múltiplos barramentos. Nanorredes são consideradas instalações elétricas prossumidoras, residenciais e comerciais de pequeno porte que, tipicamente, envolvem sistemas de geração fotovoltaica, armazenamento de energia, e cargas críticas em extra-baixa tensão. Neste trabalho é proposta uma nova estratégia de gerenciamento de potência baseada em teoria preços e malhas de controle por decaimento (droop). A estratégia de preços é utilizada como uma metodologia simples para definir modos de operação aos elementos de potência. Isso permite melhorar a eficiência do gerenciador, porque não é necessário que os elementos atuem em modo compartilhamento de potência durante todo o tempo. O gerenciamento é implementado de maneira distribuída para o controle de sistemas interconectados. Para validar a proposta, o gerenciamento baseado em preços foi avaliado para uma nanorrede formada por barramento c.c. de baixa tensão, em 380 V, interconectado através de um conversor interlink a um ou mais barramentos de extra baixa tensão, em 48 V. Esses níveis de tensão estão de acordo com padrões industriais e regulamentações para distribuição de energia c.c., cuja normatização encontra-se em fase de desenvolvimento junto à IEC. O barramento de 380 V é empregado para a conexão do sistema com a rede elétrica c.a., sistemas fotovoltaicos, e outras cargas de potência elevada. Neste sistema, o barramento de 48 V é empregado para alimentar cargas leves, mas que comumente apresentam maior prioridade devido à natureza de sua aplicação, tais como equipamentos eletrônicos, centrais de processamento de dados, iluminação de segurança, entre outros. A principal contribuição do trabalho é a concepção de uma ferramenta simples que facilite ao usuário final realizar o gerenciamento de potência da nanorrede, incluindo a priorização de cargas, armazenamento de energia, e variações tarifarias do sistema público de distribuição. Resultados de simulação e experimentais são apresentados para validar os conceitos propostos.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Geração Distribuída de Enérgia Elétrica - INCT-GD Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGS This doctoral dissertation presents a new multilevel converter topology, derived from the ANPC inverter, which allows the connection of energy storage systems directly to the topology in a secondary DC port. In this way, the use of a DC-DC or DC-AC converter dedicated to processing the energy of the storage system is avoided. In the proposed topology, each leg of the ANPC inverter has three ports: the main DC port (common to all legs), the secondary DC port, and the AC port. The inclusion of a secondary DC port is allowed due to the existence of redundant conduction states that can generate two different voltage levels in the secondary DC port. Also, a detailed study of the conduction states and their switching interactions is presented together with proposals for the simultaneous modulation of the AC port and the secondary DC port by using a carrier-based approach. Four converter modulation strategies, using two carrier arrangement options, and two switching sequences are analyzed. The analysis and proposal of a control system for a grid-connected application are also performed. This control system can regulate the power ports currents while keeping the average voltages of the DC bus poles balanced. A single-phase half-bridge prototype of 1-kW was built and tested in the laboratory to prove the operation of the proposed topology in all operating modes. Results of the steady-state and transient responses and measurements of the converter performance in the main modes of operation, considering two modulation strategies of the secondary DC port, are presented. The modulation strategy with type 2 sequence presented the best results in terms of efficiency and quality of the ESS current. These results are mainly due to the lack of type III commutations in this modulation strategy. The maximum efficiency of 96.3% was obtained in the ESS recharge mode and modulation with type 2 sequence. The current injected into the grid showed a maximum total harmonic distortion of 5% and a DC component below 10 mA. Esta tese de doutorado apresenta uma nova topologia de conversor multinível, derivada do inversor ANPC, que permite a conexão de sistemas de armazenamento de energia diretamente à topologia em uma porta CC secundária. Dessa forma, evita-se o uso de conversores CC-CC ou CC-CA dedicados ao processamento da energia do sistema de armazenamento. Na topologia proposta, cada braço do inversor ANPC apresenta três portas: a porta CC principal (comum a todos os braços), a porta CC secundária e a porta CA. A porta CC secundária é viabilizada pela existência de estados de condução redundantes que permitem gerar dois níveis de tensão distintos na porta CC secundária. Esta tese também apresenta um estudo detalhado dos estados de condução, das comutações e traz algumas propostas para a modulação simultânea da porta CA e da porta CC secundária utilizando uma abordagem baseada em portadoras. São analisadas quatro estratégias de modulação do conversor utilizando duas opções de disposição de portadoras e duas sequências de comutação. Também é realizada a análise e proposição de um sistema de controle para uma aplicação conectada à rede. Esse sistema de controle é capaz de regular as correntes nas portas de potência do conversor e manter os valores médios das tensões dos polos do barramento CC equilibrados. Um protótipo monofásico meia-ponte de 1 kW foi construído e testado em laboratório para comprovar o funcionamento da topologia proposta em todos modos de operação. São apresentados resultados em regime permanente e transitório e medições do rendimento do conversor nos principais modos de operação considerando duas estratégias de modulação da porta CC secundária. A estratégia de modulação com sequência do tipo 2 apresentou os melhores resultados em termos de rendimento e qualidade da corrente do ESS. Esses resultados se devem principalmente à inexistência de comutações do tipo III nessa estratégia de modulação. O rendimento máximo de 96,3% foi obtido no modo de recarga do ESS e modulação com sequência do tipo 2. A corrente injetada na rede apresentou distorção harmônica total máxima de 5% e componente CC inferior a 10 mA.

Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) A geração fotovoltaica tem tido um crescimento significativo em âmbito mundial, devido principalmente à redução dos preços dos módulos e também na fabricação dos inversores. Dentre as configurações de inversores fotovoltaicos, os sistemas com microinversores apresentam vantagens para instalações de menor potência, geralmente envolvendo aplicações com um ou dois módulos. Na implementação dessa topologia, a qual geralmente é constituída por dois estágios de conversão, é necessário utilizar conversores CC-CC com elevado ganho de tensão e alto rendimento, o que não é trivial de se obter na prática. Dentre as topologias de conversores isolados, o conversor meia-ponte alimentado em corrente apresenta vantagens para aplicações envolvendo microinversores fotovoltaicos, tais como: elevado ganho estático através da relação de transformação, baixa ondulação na corrente de entrada e inexistência de desbalanço de luxo no transformador, além de que a isolação galvânica reduz riscos de choque elétrico e problemas com a corrente de fuga dos módulos. Entretanto, assim como os demais conversores isolados, essa topologia apresenta problemas vinculados à energia acumulada na indutância de dispersão do transformador de alta frequência, se tendo sobretensões intensas na desativação das chaves do conversor. Esses picos de tensão geram maior estresse, perdas de potência, demandam semicondutores com maior tensão de ruptura e afetam a contabilidade de operação do conversor. Desse modo, esse trabalho tem como objetivo o projeto e implementação de um conversor meiaponte alimentado em corrente com a inclusão de um circuito auxilar para grampeamento ativo dessas sobretensões. Com a célula para grampeamento ativo apresentada, pode-se utilizar semicondutores com menores níveis de ruptura, que geralmente possuem menor resistência de condução, sendo possível obter um elevado rendimento, o que é primordial para um sistema com microinversores fotovoltaicos. Além disso, o circuito auxiliar proporciona redução das perdas por comutação nos semicondutores do conversor meia-ponte, reduzindo estresse e sendo possível aumentar a frequência de chaveamento. O funcionamento do conversor, bem como a metodologia de projeto são descritas. Na sequência é realizado o projeto e simulação do conversor para uma potência de entrada igual 350 W. Após o dimensionamento do conversor foram realizados testes experimentais com o protótipo implementado, sendo verificado uma operação coerente com os resultados obtidos em simulação. Um valor de rendimento de 95,8 % foi obtido para o ponto de operação projetado. The photovoltaic generation has grown significantly worldwide, mainly due to the reduction in module prices and also in the manufacture of inverters. Among the configurations of photovoltaic inverters, the microinverter topology features some advantages for lower power applications, usually involving one or two modules. This topology generally consists of two conversion stages, and in the first one, a high voltage gain and high-eficiency DC-DC converter is demanded, which is not easy to implement. Compared to other isolated converters, the current-fed half-bridge topology presents some advantages for photovoltaic microinverters applications, such as high static gain through the transformer ratio, low input current ripple, and no unbalance in the transformer flow. In addition, the galvanic isolation reduces shock hazards and problems regarding the module's leakage current. However, similar to other isolated converters, this topology has problems related to the energy stored in the high-frequency transformer leakage inductance, which causes overvoltages across the switches when these are turned off. These voltage spikes generate higher stress, power losses, requiring semiconductors that features high breakdown voltage and also afect the reliability of the converter. Thus, this work presents the design and implementation of a current-fed half-bridge converter with the inclusion of an auxiliary circuit for active-clamping. With this circuit, it is possible to employ semiconductors with lower breakdown levels, which usually have lower conduction resistance, providing a high-eficiency to the converter, which is essential for photovoltaic microinverters applications. In addition, the auxiliary circuit reduces the switching losses, and also stress on the semiconductors, providing the increase of the switching frequency. The converter's operation, as well as the design methodology, are described. Then, the design and simulation of the proposed converter for an input power equal to 350 W are presented. After the implementation, experimental tests were performed with the prototype, and a consistent operation was verified considering the results obtained in simulation. An eficiency equals 95.8% was achieved for the designed operating point.

FACEPE O desenvolvimento crescente da eletrônica de potência tem provocado a penetração de cargas não lineares no sistema elétrico em quantidades cada vez maiores. Isso tem ocasionado a degradação progressiva da qualidade da energia dos sistemas elétricos. Por outro lado, todo esse avanço possibilitou o crescimento massivo das fontes de geração distribuída, proporcionando a ampliação da energia renovável na matriz energética. Tendo em vista os distúrbios na qualidade de energia elétrica, diversos condicionadores de energia foram desenvolvidos ao longo das últimas décadas. Recentemente, o condicionador universal de qualidade de energia (UPQC) tem recebido reconhecido destaque, tendo em vista a sua capacidade de lidar com distúrbios de tensão e corrente simultaneamente. Assim, esse condicionador apresenta-se como uma das soluções mais completas para a compensação dos mais diversos distúrbios e perturbações aos quais estão sujeitos os sistemas elétricos. Apesar disso, existem alguns problemas inerentes ao funcionamento do UPQC, os quais vêm sendo amplamente estudados pela comunidade científica. No seu funcionamento convencional, o conversor paralelo fornece toda a potência reativa demandada pela carga, enquanto o conversor série processa energia apenas quando há a ocorrência de distúrbios de frequência fundamental na tensão da rede elétrica. Tendo em vista essa característica, algumas soluções para estender o fornecimento da demanda de reativos da carga ao conversor série foram desenvolvidas, proporcionando o compartilhamento dessa tarefa com o conversor paralelo. Essas soluções possibilitam o compartilhamento da potência reativa tanto em situações de rede sadia, quanto em ocasiões de flutuações na sua tensão, e até mesmo quando da aplicação do UPQC para interface de sistemas de geração fotovoltaica à rede elétrica. Contudo, todas as técnicas propostas até o presente momento apresentam erro de regime permanente na imposição da distribuição desejada de potências reativas. O presente trabalho visa apresentar uma solução para o compartilhamento da potência reativa demandada pela carga entre os conversores do UPQC, com erro nulo de regime permanente. Para isso, é utilizado um UPQC com controle dual (iUPQC). A solução proposta estende os conceitos apresentados em propostas anteriores, utilizando um controle em malha fechada da potência reativa processada pelo conversor série. A técnica desenvolvida é comparada com as soluções anteriores e sua eficácia é comprovada através de simulações computacionais e validação experimental. The growing development of the power electronics has led to the increasing penetration of nonlinear loads into the electrical systems. This has led to the progressive degradation of the power quality. On the other hand, this progress made possible the massive incidence of the distributed generated sources, providing the expansion of the renewable energy resources in the energy matrix. Facing the power quality related problems, some active power conditioners were developed in last decades. Recently, the universal power quality conditioner (UPQC) has received considerable attention, due to its capacity to compensate voltage and current related issues simultaneously. Thus, this conditioner has been seen as one of the most complete solutions to the power quality related problems. Despite this, there are some inherent problems in the operation of the UPQC, which have been widely studied by the scientific community. In its normal operation, the entire load reactive power demand is provided by the shunt converter, while the series converter processes an amount of power only when a fundamental frequency disturbance occurs in the grid voltage. As consequence, a few solutions to extend the load reactive power demand supply to the series converter were developed. These solutions were proposed aiming to provide reactive power sharing in situations of normal steady state operation, during the occurrence of grid voltage fluctuations, and even when the UPQC is used as an interface converter for photovoltaic generation systems. However, all the techniques proposed until now present non-zero steady state error in the imposition of the desired reactive power distribution. This research aims to present a solution to the reactive power demand sharing, between the converters of the UPQC, with zero steady state error. For this, a UPQC with its inverted control strategy (iUPQC) is implemented. The proposed solution extends the concepts presented in previous studies, and provides a closed loop control of the reactive power processed by the series converter. The performance of developed technique is compared with the previous solutions, and its efficacy is verified through computational simulations and experimental validation.

Orientador :José Antenor Pomilio Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: O crescente uso de energia elétrica nas aeronaves, principalmente nas de grande porte, acentuado pela tendência de substituição de tecnologias mecânicas e pneumáticas por elétricas, chamada de More Electric Aircraft - MEA, ou "Aviação mais Elétrica" em tradução livre, faz os pesquisadores e fornecedores de componentes focarem na qualidade da energia elétrica nesse ambiente. Nesta tendência, remove-se o sistema de transmissão que, a partir da turbina regula a rotação do gerador e, portanto, sua frequência de saída em 400Hz. O acoplamento direto do gerador à turbina, sem regulação da velocidade, implica em uma frequência de trabalho variável entre 360 a 800Hz com uma taxa de variação de até 500Hz/s. Assim, condicionadores de energia elétrica, tipicamente utilizados em redes industriais e residenciais de distribuição, podem ser adaptados para uso e mitigação de problemas de qualidade da energia elétrica nesse ambiente aeronáutico. Este trabalho propõe o uso do Inversor Multinível Cascateado para mitigação de potência reativa e componentes harmônicas de corrente, colocando a rede em conformidade com as normas MIL-STD-704F, BS-ISO-1540 e RTCA-DO106F. A topologia do inversor possui vantagens, das quais se destacam interoperabilidade, distribuição das tensões e frequência de chaveamento. Porém, contém diferentes barramentos de tensão contínua, sendo necessário o uso de um sistema de controle e balanceamento destas. É apresenta uma revisão das principais estratégias de regulação das tensões dos barramentos e, o desenvolvimento de um modelo linear multi-variáveis para controle e balanceamento das mesmas. O modelo é validado por simulações e resultados experimentais para um protótipo monofásico de 2 módulos com 100kHz de frequência de chaveamento em rede 230V com diversas frequências. Os resultados de simulação mostram a viabilidade do funcionamento da arquitetura para sistemas com tensões simétricas e assimétricas, além da possível expansão para um sistema trifásico e $n$-módulos por fase. Os experimentos mostram seu correto funcionamento no caso simétrico para compensação reativa e de corrente harmônicas. Nos apêndices são apresentados o software de controle para uma FPGA Xilinx, desenvolvido em ambiente LabVIEW, e o hardware de condicionamento de sinais necessários para a aplicação, que por possuir frequência de chaveamento de 100kHz, pode totalizar 2*n*100kHz, conforme Phase Shift Pulse Width Modulation - PSPWM usada. Também são desenvolvidos diferentes formas para o cálculo das matrizes do controlador das tensões dos barramentos, mostrando que a derivação dos ganhos da parte integrativa a partir da proporcional apresenta a melhor dinâmica Abstract: The increasing use of electricity in aircraft, mainly in large airplanes, has been boosted by the trend of replacing pneumatic and mechanical systems by electromechanics (which is coined as More Electric Aircraft - MEA). In this trend, the generator gearbox, which previously kept its rotation constant, therefore it output frequency fixed at 400Hz, is removed, resulting in a variable-frequency operation of the power grid between 360 and 800Hz with an slew rate up to 500Hz/s. The previous changes make researchers and component suppliers focus on power quality. Thus, electric energy conditioners, already deployed in industrial and residential grids, may be adapted for mitigate the unwanted effects in this new aircraft environment. This thesis proposes the deployment of Cascaded H-Bridge Inverters (CHBs) for mitigation of unbalances, reactive and harmonic current components in an aircraft AC grid, in order to comply with MIL-STD-704F, BS-ISO-1540 and ATCC-DO106F standards. The CHB inverter presents advantages, such as interoperability, %voltage and switching frequency distribution through the modules. higher voltage operation and an overall higher switching frequency due the multiple series connection of H-Bridge modules. However, it consists of separated DC links, being necessary to regulate their voltages and keep them following their references. Thereby, this thesis presents a review of the main strategies of DC voltage regulation and develops a linear model for the control and balancing of DC link voltages using the Multiple-Inputs Multiple-Output Control System (MIMO) theory to obtain a Proportional-Integrative (PI) controller. The proposed model is validated by simulations and experimental results for a two-module single-phase CHB prototype with 100kHz switching frequency in a 230V grid at different frequencies. Simulation results show the feasibility of control topology for symmetrical and asymmetric DC links, as well a possible expansion for a three-phase system and n modules per phase. Experimental results show the CHB operating as an Active Power Filter compensating reactive and non-active currents. The appendice provides the Xilinx FPGA control software written in LabVIEW and the conditioning signal hardware proposed for the application. The CHB inverter uses a 100kHz switching frequency, and it may achieve a 2*n*100 kHz current ripple frequency due to the Phase Shift Pulse-Width Modulation (PSPWM) strategy used. Different methods are developed to evaluate the gain matrices of the PI controller, showing that calculation of the integrative part from the proportional one presents the best performance Doutorado Energia Elétrica Doutor em Engenharia Elétrica CAPES FAPESP 2014/11720-7, 2015/02325-0 e 2017/05565-7

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema trifásico para a carga rápida de baterias de veículos elétricos, com elevado fator de potência, isolação em alta frequência e reduzidos esforços de corrente. O sistema proposto baseia-se em uma estrutura de estágio único, integrando a etapa retificadora trifásica com um conversor CC–CC isolado em alta frequência. Esta estrutura utiliza dois conjuntos de retificadores bidirecionais trifásicos de dois níveis operando com controle da defasagem entre eles. São inseridos transformadores de alta frequência entre os braços de comutação, no total de três transformadores e um retificador e um indutor de filtro na saída. Esta estrutura permite a utilização da modulação PWM clássica para o controle das correntes de entrada, com elevado fator de potência, além de controlar a tensão do barramento primário. O controle do ângulo de defasagem entre os dois módulos retificadores permite controlar o fluxo de potência entre o barramento primário e o secundário, possibilitando o controle independente da corrente de saída do conversor. A operação integrada dos módulos retificadores e transformadores de alta frequência, permite obter algumas características importantes como redução das ondulações de corrente de entrada e de saída devido a operação multifase dos retificadores, divisão dos esforços de corrente entre os semicondutores, entre os indutores de entrada e divisão da potência nos transformadores de alta frequência (importantes para a operação em alta potência), um único estágio de processamento de energia com controles independentes das correntes de entrada e saída, operação com comutação suave na maioria dos interruptores e possibilidade de operação bidirecional entre a rede e outra fonte CC, tais como painéis fotovoltaicos, permitindo a redução do impacto dos sistemas de carga rápida no sistema elétrico, e também possibilitando a injeção de energia em períodos ociosos. O trabalho apresenta a análise da topologia, projeto e implementação de um protótipo de 10 kW para a carga rápida de baterias. This work presents the development of a three-phase system for fast charging electric vehicle batteries, with high power factor, insulation at high frequency and low current stresses. The proposed system is based on a single-stage structure, by integrating the three-phase rectifier stage with a DC–DC converter isolated at high frequency. The proposed structure is based on the use of two sets of two levels bidirectional three-phase rectifiers operating with phase shift control between them. High–frequency transformer are inserted between the arms of each switching set, for a total of three transformers and a rectifier and a filter inductor on the output. This structure allows the use of classical PWM to control the input currents, obtaining high power factor, besides controlling the voltage of the primary bus. The phase shift control angle between the two rectifier modules allows to control the flow of power between the primary and the secondary bus, allowing independent control of the output current. The integrated operation of rectifier modules and high frequency transformers, allow to obtain some important operating characteristics such as reducted input current ripple and output by multi-phase operation of the rectifiers, division of the current efforts of the semiconductor between the input inductors and power division in the high-frequency transformers (important for operation with high power), single power processing stage with independent control of input and output currents, soft switching operation on most switches and possibility of bidirectional operation between the power grid and other DC source, such as photovoltaic panels, allowing the reduction of the impact of fast charge systems in the electrical system, and also enabling injection of energy in idle periods. his work presents the analysis of the topology, design and implementation of a 10 kW prototype for the fast charging batteries.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq Grid-connected photovoltaic systems with energy storage have features of conventional gridconnected inverters and uninterruptible power supplies. In these systems, all elements, which include photovoltaic generator, batteries, loads and electric grid, are connected to the same equipment named multifunctional photovoltaic converter. As it is a recent technology, there are many research opportunities in this theme, from classifications and standards to specific problems. This study investigates this field in a comprehensive manner, proposing classifications, technical recommendations and a power management strategy. Initially, classifications are proposed considering system configuration and continuity of supply to the loads. In the following, technical recommendations related to grid and load compatibility, as well as safety technical recommendations, are proposed. The last proposal consists on a power management strategy which defines the operation mode of the static converters and system elements as a function of the energy scarcity. Experimental results of the power management are presented in order to validate the proposals. In this way, this thesis contributes to the development of multifunctional photovoltaic converters technology so that the distributed generation becomes more independent of solar availability and can better collaborate with the electric system. Sistemas fotovoltaicos conectados à rede com armazenamento de energia são aqueles que conjugam características dos inversores conectados à rede convencionais e de fontes ininterruptas de energia. Nesses sistemas, todos os seus elementos, que incluem o gerador fotovoltaico, as baterias, as cargas e a rede elétrica, são conectados a um mesmo equipamento chamado de conversor fotovoltaico multifuncional. Por se tratar de uma tecnologia recente, existem muitas oportunidades de pesquisa inédita no tema, desde premissas e classificações básicas até a solução de problemas mais específicos. Este trabalho investiga o tema de maneira abrangente, propondo classificações, recomendações técnicas e uma estratégia para gerenciamento interno de potência dos conversores fotovoltaicos multifuncionais. Inicialmente, classificações são propostas considerando a configuração do sistema e a continuidade de fornecimento de energia às cargas. A seguir, são propostas recomendações técnicas relacionadas à compatibilidade com a rede e com as cargas, além de recomendações técnicas de segurança, baseando-se em normas existentes. A última proposta consiste em uma estratégia de gerenciamento interno de potência que define os modos de operação dos conversores estáticos e dos elementos do sistema em função da escassez de energia. Resultados experimentais do método proposto para o gerenciamento interno de potências são apresentados com o objetivo de validar as propostas desenvolvidas. Dessa forma, o presente trabalho contribui com o desenvolvimento da tecnologia de conversores fotovoltaicos multifuncionais, para que a geração distribuída de energia elétrica se torne mais independente da disponibilidade solar e possa melhor colaborar com o sistema elétrico.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In photovoltaic systems, the lowest energy cost is not always achieved by an inverter with minimized cost or maximized efficiency. It is important to adopt methodologies that optimize the balance between system losses and costs. The Levelized Cost of Electricity minimization methodology, presented in literature, obtains an optimized inverter design, but needs variables like discount rate and maintenance costs. This study proposes a methodology for design and comparison of photovoltaic inverters that is simpler and is based on the adoption of a cost per Watt reference. It minimizes the energy cost considering the photovoltaic initial system cost and design specifications. This methodology is presented in detail, including an inverter design example that analyses losses and cost of all components, and also the irradiance of the photovoltaic installation place. Experimental results are presented to validate the proposed methodology. Em sistemas fotovoltaicos, o menor custo da energia gerada nem sempre é obtido com inversores de custo minimizado ou eficiência maximizada. Para o custo da energia seja minimizado, é importante empregar metodologias de projeto que otimizem o compromisso entre perdas e custos. A metodologia de minimização do custo nivelado da eletricidade, a mais difundida na literatura, permite obter um projeto otimizado do inversor, mas necessita de variáveis como taxa de desconto e custos de manutenção do sistema fotovoltaico. Este trabalho propõe uma metodologia para projeto e comparação de inversores fotovoltaicos mais simples, baseada na adoção de um custo por Watt de referência. Essa metodologia objetiva reduzir o custo da energia produzida considerando apenas o custo inicial do sistema fotovoltaico e as restrições associadas às especificações de projeto. A metodologia proposta é apresentada em detalhes, incluindo um exemplo de projeto de inversor que analisa as perdas e custos dos componentes, além do perfil de irradiação do local de instalação do sistema fotovoltaico. Resultados experimentais são apresentados para validação da metodologia proposta.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In this thesis an study of AC Power Source (ACPS) topologies that guarantee the synthesis of high quality voltage waveforms (in comparison to the reference signal) without penalizing the system efficiency is carried out. It must be highlighted that these features can be achieved by employing hybrid topologies, which are composed of a switched-mode power amplifier and a linear power amplifier (LPA). The former amplifier (called main amplifier) processes almost the entire load power, while the second one (called correction amplifier) is responsible for the compensation for any distortion at the output voltage waveform, thus, processing a small amount of the load power. In this way, it is possible to combine both the high efficiency of switched-mode power amplifiers with high quality voltage waveforms characteristic of linear power amplifiers. This work is mainly focused on hybrid topologies in series configuration (series connection between main and correction amplifiers). This allows to employ a low voltage/low power LPA. It must be noticed that this configuration is especially suitable for ACPS applications, when, for example, the mains voltage is intended to be emulated (including high order harmonics, controlled disturbances, etc.), since the LPA experiences low voltage levels in comparison to those synthesized by the ACPS. Throughout the thesis are proposed and theoretically/ experimentally analyzed two novel ACPS topologies, which employ multilevel inverters as main amplifier. The analysis take into account the operation, modulation strategy and design methodology of the power and control circuits (of both main and correction amplifiers). Experimental results are presented (Total Harmonic Distortion and converter efficiency) in order to validate the proposed approach. Nesta Tese é realizado um estudo acerca das principais topologias de fontes CA de potência (AC Power Source ACPS), que garantem a síntese de formas de onda de tensão de alta fidelidade (com respeito ao sinal de referência) sem, no entanto, comprometer o rendimento do sistema. Salienta-se que essas características podem ser obtidas por topologias híbridas, compostas pela associação de um amplificador chaveado com um amplificador linear. Enquanto o primeiro (denominado de amplificador principal) processa praticamente a totalidade da energia fornecida à carga, o segundo (denominado de amplificador de correção) é responsável apenas por correções na forma de onda de saída, processando, assim, uma pequena parcela de energia. Então, torna-se possível aliar o alto rendimento característico dos conversores chaveados à alta qualidade da forma de onda associada aos amplificadores lineares. O trabalho é direcionado, principalmente, a topologias híbridas em configuração série (conexão série entre o amplificador principal e o amplificador de correção), de modo que amplificadores de correção de baixa tensão/baixa potência possam ser empregados. Destaca-se que essa configuração é especialmente adequada a aplicações com ACPSs, quando, por exemplo, deseja-se emular a rede elétrica de alimentação (inserindo harmônicos de tensão, provocando distúrbios controlados, etc.), uma vez que o amplificador de correção é submetido a níveis de tensão reduzidos, se comparados aos níveis sintetizados pela ACPS. No decorrer do trabalho, são propostas e analisadas teórico-experimentalmente duas topologias inéditas de ACPS, ambas empregando inversores multiníveis como amplificador principal. São apresentadas análises relativas à operação, modulação, metodologia de projeto dos estágios de potência e controle tanto do amplificador principal quanto do de correção , bem como são apresentados resultados experimentais em termos da distorção harmônica total (Total Harmonic Distortion THD) e rendimento global do sistema.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This Ph. D. dissertation presents contributions to the investigation of soft-switching cells with integrated components, presenting three main approaches: (i) Soft-switching cells with filter coupled inductor; (ii) Integrated soft-switching cells of the ZVT type for multipole systems; and (iii) Integrated soft-switching cells for several soft-switching techniques for multipole systems. Firstly it is presented a generic diagram for softswitching inverters with coupled filter inductor. From the generic diagram the turn-on snubber, ZVT and ZCZVT inverters topologies are derived. It is based on an auxiliary loop, which presents an inductor coupled to the filter inductor. The magnetic coupling allows annulling the current through the main switches during the switching transitions and, as a result, reducing the commutation losses. The basic differences among the techniques obtained by this method are the way of implementing the auxiliary switches and the time instants when these switches are triggered. The topological variations are a result of the choice of the voltage applied through the auxiliary loop by its connection to the inverter topology. Analytical expressions for the derived topologies are obtained aiming to evaluate the operation conditions, as well the main features of each topology. It is proposed a design procedure for each derived topology and the operation principles of each topology are verified by means of experimental and simulation results. Then the integrated softswitching cells of the ZVT type for multipole systems are studied. The synthesis methodology presented is based on generating every topological possibility of symmetrical auxiliary cells. The redundant cells are removed from the set of generated topologies resulting in only four diagrams, which are used to derive the integrated ZVT converters already known in the literature, as well several yet unpublished. The synthesis methodology is applied on an interruptible power supply system, which is experimentally evaluated. Finally it is proposed a generalized methodology to obtain integrated auxiliary commutation cells from several soft-switching techniques concerning multipole systems. The integration possibilities among the models obtained for the chosen soft-switching techniques are investigated, resulting in integrated models. The practical implementation of the resulting models is studied originating integrated topologies for multipole systems. The poles of the system can present the same soft-switching technique or different ones. Experimental results are presented in order to validate the concepts proposed herein. Esta tese de doutorado apresenta contribuições ao estudo de células de comutação suave com componentes integrados, apresentando três abordagens principais: (i) Células de comutação suave com indutor de filtro acoplado; (ii) Células de comutação suave integradas do tipo ZVT para sistemas multi-pólos; e (iii) Células de comutação suave integradas considerando-se diversas técnicas de comutação para sistemas multi-pólos. Inicialmente é apresentado um diagrama genérico para os conversores com comutação suave e indutor de filtro acoplado. A partir do diagrama genérico são derivadas topologias de inversores snubber de turn-on, ZVT e ZCZVT. Este diagrama genérico é baseado em uma malha auxiliar que apresenta um indutor acoplado ao indutor de filtro. O acoplamento magnético permite fazer com que a corrente através das chaves principais se anule durante as transições de comutação e, como resultado, ocorre a redução das perdas de comutação. A diferença básica entre as técnicas obtidas através deste método é o modo escolhido para implementar as chaves auxiliares e os instantes de acionamento das mesmas. As variações entre as topologias ocorrem em função da escolha da tensão aplicada à malha auxiliar. São obtidas expressões para as topologias derivadas no intuito de avaliar as condições de operação, bem como algumas de suas características. É proposto um procedimento de projeto e verificado o princípio de funcionamento destes inversores através de resultados experimentais e de simulação. A seguir são estudadas as células de comutação suave do tipo ZVT compartilhadas por sistemas que possuem múltiplos pólos. Esta metodologia de síntese é baseada na geração de todas as possibilidades de configurações para as células auxiliares simétricas. A partir disto, as configurações redundantes são eliminadas chegando-se a quatro diagramas capazes de gerar os conversores ZVT integrados presentes na literatura, bem como alguns ainda inéditos. A metodologia de síntese é aplicada para um sistema de fornecimento ininterrupto de energia, sendo que alguns resultados experimentais são apresentados. Finalmente é proposta uma metodologia generalizada para integrar as células auxiliares de diversas técnicas de comutação suave para conversores com múltiplos pólos. Partindo-se da obtenção de modelos para algumas das técnicas de comutação suave, procura-se verificar todas as possibilidades de combinação entre os modelos inicialmente obtidos, gerando-se modelos integrados e a partir disto, obtendo-se topologias integradas tanto para pólos que comutam auxiliados pela mesma técnica de comutação, como para pólos auxiliados por técnicas distintas. São apresentados resultados experimentais comprovando a viabilidade dos conceitos propostos.