Estudo de um transformador eletrônico baseado em topologia de conversores modulares para aplicação em sistemas de microrredes
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Seleme Isaac Seleme Júnior
Sidelmo Magalhães Silva
Ernane Antônio Alves Coelho
Clodualdo Venicio de Sousa
Thiago Ribeiro de Oliveira
Sidelmo Magalhães Silva
Ernane Antônio Alves Coelho
Clodualdo Venicio de Sousa
Thiago Ribeiro de Oliveira
Resumo
Recentemente o transformador eletrônico (SST, do acrônimo Solid State Transformer )
tem atraindo muita atenção da comunidade científica, devido ao seu grande potencial de
aplicação nas futuras redes inteligentes. Ele é considerado o elemento chave para se criar a
interface para conexão do sistema de microrredes `a rede de distribuição da concessionária
local. Permitindo, assim, a integração plug-and-play com múltiplas fontes de energias
renováveis, elementos armazenadores de energia e sistemas de distribuição em corrente
contínua. A sua principal vantagem em relação ao transformador convencional é a redução
substancial de peso e volume. No entanto, por se tratar de um equipamento compostos
essencialmente por eletrônica de potência também ´e capaz de atuar de forma ativa no
sentido de melhorar a qualidade da energia da rede.
No presente trabalho é feito um estudo e análise de diferentes topologias para o projeto
do SST, em que ´e definida a topologia de três conversores conectados em cascata. Os
níveis de tens˜ao do sistema de distribuição são elevados, portanto, é proposto a aplicação
de estruturas de conversores modulares para o seu projeto, que consiste na associação
de vários módulos com conversores de menor potência. Essa estrutura apresenta muitas
vantagens, no entanto, tolerâncias de componentes e incompatibilidades entre módulos
podem levar ao desequilíbrio de tens˜ao do barramento c.c. e a distribuição desigual do
fluxo de potência em cada módulo.
Neste contexto, o trabalho propõe uma estratégia de controle descentralizada baseado em droop adaptativo, capaz de promover o equilíbrio de tensão e potência entre os módulos do SST, sem depender de uma rede de comunicação. O comportamento da
estratégia proposta ´e avaliado por meio de simulação do modelo chaveado do SST no MAviii
TLAB/Simulink. A estratégia também é avaliada a partir dos resultados de simulação em
tempo real obtidos a partir de uma plataforma baseada em Hardware-In-the-Loop (HIL),
em que se tem o modelo matem´atico dos conversores e das malhas de controle embarcados
em um DSP (Digital Signal Processor ).
Abstract
Recently the Solid State Transformer (SST) has attracted much attention from the
scientific community, due to its great potential of application in future intelligent grids. It
is considered the key element to create the interface for connecting the microgrid system
to the distribution network of the local utility. This enables plug-and-play integration
with multiple sources of renewable energy, energy storage elements and DC distribution
systems. Its main advantage over the conventional transformer is the substantial reduction
in weight and volume. However, as it is an equipment essentially composed by power
electronics is also able to actively act in the direction of improve the quality of grid
power.
In the present work a study and analysis of different topologies for the SST project
is made, in which the topology of three converters connected in cascade is defined. The
voltage levels of the distribution system are high, therefore it is proposed the application
of modular converter structures for its design, which consists of the association of several
modules with lower power converters. This structure has many advantages, however,
component tolerances and incompatibilities between modules can lead to DC voltage
unbalance and the uneven distribution of power flow drained by each module.
In this context, the work proposes a strategy of decentralized control based on adaptive
droop, capable of promoting the balance of voltage and power between the SST modules,
without depending on a communication network. The behavior of the proposed strategy
is evaluated through simulation of the SST switched model in MATLAB/Simulink. The
strategy is also evaluated from the real-time simulation results obtained from a hardwarein-the-loop (HIL) based platform, which has the mathematical model of the converters x and the control loops embedded in a Digital Signal Processor (DSP).
Assunto
Engenharia elétrica, Transformadores eletrônicos, Conversores de corrente elétrica
Palavras-chave
Transformador eletrônico, Microrredes, Topologias de conversores modulares, Controle adaptativo, Controle descentralizado, Estratégia de balanço de tensão e potência
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