Contribuição ao estudo de microrredes trifásicas supridas a partir de geração fotovoltaica com possibilidade de operação em modo ilhado ou conectado à rede elétrica

Abstract

Nesta tese de doutorado apresentam-se os resultados provenientes da análise de uma microrrede trifásica alimentada por geração fotovoltaica. O estágio cc da referida microrrede é formado por três arranjos fotovoltaicos, cujas potências são processadas por conversores cc-cc independentes com 3 kW e 2 kW totalizando 8 kW. A energia gerada é enviada a um barramento cc capacitivo, compartilhado entre as saídas dos conversores do estágio cc e a entrada do estágio ca, que consiste de um inversor trifásico responsável por realizar a interface do sistema fotovoltaico com a rede elétrica por meio de um filtro LCL passivamente amortecido. O sistema é concebido de maneira a permitir o suprimento de energia elétrica a uma carga trifásica alocada no lado ca da microrrede, podendo operar tanto no modo ilhado quanto interligado à rede elétrica. No modo interligado, a alimentação da carga é assegurada através da rede elétrica, que atua no balanço de potência de todo sistema, absorvendo a energia gerada pelos arranjos fotovoltaicos (em caso de geração superior à demanda) ou complementando-a (em caso de geração inferior à demanda). Nesta condição, os conversores cc-cc funcionam como rastreadores do ponto de máxima potência (MPPT), maximizando a geração fotovoltaica, enquanto o inversor é controlado no modo corrente, assegurando a injeção de corrente na rede elétrica com baixa distorção harmônica e elevado fator de potência. No modo ilhado, todavia, a rede elétrica é desconectada e o inversor passa ser controlado no modo de tensão, visando impor em sua saída tensões senoidais adequada às necessidades da carga. Para assegurar o balanço de potência, os conversores cc-cc deixam de operar como MPPT, e passam a regular a tensão do barramento cc. Além da metodologia de projeto e dimensionamento dos conversores que compõem os estágios de processamento de energia e dos componentes do filtro LCL, discutem-se nesta tese as estratégias de controle do fluxo de potência, a técnica de emulação de impedância virtual, as técnicas de rastreamento e compartilhamento de potência e a modelagem orientada ao controle da microrrede. Como forma de validar a teoria, resultados de simulação são também apresentados e discutidos, considerando-se um sistema de 8 kW modelado a partir da transformada dq0.<br>

Abstract : In this Ph.D. Thesis are presented the results from the theoretical analysis of a three-phase microgrid powered by photovoltaic generation. The cc stage of said microgrid consists of three photovoltaic arrays, whose powers are processed by independent dc-dc converters with 3 kW and 2 kW and a total power of 8 kW. The energy generated is sent to a capacitive dc bus, shared between the outputs of the dc stage converters and input of the ca stage. The ca stage consists of a three-phase inverter, which realizes the interface between the photovoltaic system and the power grid, using for this purpose a passively damped LCL filter. The system is designed so as to allow the uninterrupted supply of electricity to a critical load phase allocated in ac side of microgrid and can operate in both, isolated as connected to the grid. In connected mode, the load supply is ensured by the electrical grid, which operates in the power balance of the whole system, absorbing the energy generated by the photovoltaic arrays (in case of higher generation than load demanded) or supplementing it (in case of generation lower than load demanded). In this condition, the dc-dc converters serve as maximum power point trackers (MPPT), maximizing the photovoltaic generation, while the inverter is controlled in current mode, ensuring the injection of current in the electrical grid with low harmonic distortion and high power factor rating. In islanded mode, however, the grid is disconnected and the inverter will is controlled in voltage mode, aiming to impose on its output suitable sinusoidal voltage to the load requirements. To ensure the balance of power, the dc-dc converters no longer operate in MPPT and regulate the voltage of the dc bus. In addition to the design methodology and design of the converters that make up the power processing stages and LCL filter components, are discussed in this dissertation the power flow control strategies, the virtual impedance emulation technique, tracking techniques and the power sharing oriented control modeling microgrid. In order to validate the theory, simulation results are presented and discussed, considering a 8 kW system modeled from the dq0 transformation.