Linearização estática de ganho aplicada ao inversor buck-boost trifásico off-grid

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo do inversor buck-boost trifásico com aplicação de uma linearização estática, modelagem orientada ao controle e controle clássico. É realizada a verificação matemática e topológica de que três subconversores podem compor um inversor buck-boost trifásico. Os elementos passivos são dimensionados e validados por meio de simulações no software PSIM, para uma tensão de alimentação de 180 V, tensões de linha eficazes de 220 V e potência de 1 kW. Devido à não linearidade do ganho dessa topologia, a aplicação de razões cíclicas puramente senoidais resulta em uma tensão de saída distorcida. Para compensar esse efeito, utiliza-se uma técnica de linearização do ganho, de modo que a tensão de saída se aproxime idealmente de uma senoide. Com a aplicação da técnica em malha aberta, o erro relativo do valor eficaz das tensões de linha foi inferior a 0,5%, e houve a redução da distorção harmônica total em aproximadamente 95% em relação ao caso sem aplicação da técnica. Também, são determinados e validados os esforços elétricos que os componentes estão submetidos. Em seguida, é feita a modelagem dinâmica orientada ao controle do inversor por meio do circuito equivalente monofásico ideal, a partir do qual são projetados os compensadores de corrente e tensão para o controle em cascata. O desempenho do sistema em malha fechada também é avaliado por simulações, em situações de cargas resistivas e indutivas, com erros inferiores a 2% para cargas resistivas e 5% para cargas indutivas. A distorção harmônica total das tensões de linha não superou 3% para ambas as cargas, com ou sem aplicação da técnica de linearização.

This work presents a study of the three-phase buck-boost inverter, including the application of static linearization, control-oriented modeling, and classical control. A mathematical and topological verification is carried out to demonstrate that three subconverters can compose a three-phase buck-boost inverter. The passive elements are designed and validated through simulations in the PSIM software, considering an input voltage of 180 V, line-to-line RMS voltages of 220 V, and a rated power of 1 kW. Due to the nonlinear gain characteristic of this topology, the application of purely sinusoidal duty cycles results in a distorted output voltage. To compensate for this effect, a gain linearization technique is employed so that the output voltage ideally approaches a sinusoidal waveform. With the application of the open-loop technique, the relative error of the line-to-line RMS voltages was lower than 0.5%, and the total harmonic distortion was reduced by approximately 95% compared to the case without the application of the technique. The electrical stresses imposed on the components are also determined and validated. Subsequently, a control-oriented dynamic modeling of the inverter is performed using the ideal single-phase equivalent circuit, from which the current and voltage compensators for cascaded control are designed. The closed-loop system performance is also evaluated through simulations under resistive and inductive load conditions, yielding errors lower than 2% for resistive loads and 5% for inductive loads. The total harmonic distortion of the line-to-line voltages did not exceed 3% for both load types, with or without the application of the linearization technique.