Inversor fonte de corrente para sistemas fotovoltaicos

Abstract

Os sistemas solares fotovoltaicos são cada vez mais uma opção para a produção de energia elétrica uma vez que são uma fonte de energia limpa e renovável e, com o passar dos anos, fruto da investigação realizada, a sua eficiência máxima tem vindo a aumentar. Para a interface entre os painéis solares fotovoltaicos (CC) e a rede elétrica (CA) é indispensável o uso de um inversor (conversor CC-CA), que deverá ser otimizado para que seja possível extrair a máxima energia dos painéis solares fotovoltaicos, garantindo a qualidade da energia elétrica injetada na rede elétrica. Existem diferentes topologias de inversores que podem ser utilizados nestes sistemas, sendo que a mais utilizada é o inversor fonte de tensão ou VSI (Voltage Source Inverter). Nesta dissertação de mestrado foi desenvolvida uma solução com base num inversor fonte de corrente ou CSI (Current-Source Inverter), procurando explorar os seus benefícios. Além de estudar as principais topologias de inversor, antes de implementar o sistema foi efetuado um estudo sobre o estado da arte para melhor se compreender os sistemas solares fotovoltaicos, assim como as principais técnicas de modulação aplicáveis ao conversor utilizado no âmbito desta dissertação. Tendo em conta as caraterísticas do sistema pretendido, selecionou-se então um inversor fonte de corrente trifásico e desenvolveu-se uma técnica de modulação híbrida, baseada em modulação de espaço de vetores e amostragem periódica. Todo o circuito de potência e respetivo sistema de controlo foram testados e validados recorrendo a simulações computacionais em PSIM e Matlab e, após esta validação, foi implementado todo o sistema em laboratório, tendo sido construído um protótipo laboratorial. Para finalizar, realizaram-se testes laboratoriais para verificar o funcionamento do inversor, assim como para analisar a qualidade da energia elétrica injetada pelo mesmo.

Solar photovoltaic systems are an increasing option for electricity production, since they are a clean renewable energy source, and over the years, as a result of the research, their efficiency has been increasing. For the interface between the photovoltaic solar array (DC) and the electrical grid (AC) the use of an inverter (DC-AC converter) is necessary, which should be optimized to extract the maximum power from the photovoltaic solar array, guaranteeing the electrical power quality. There are different topologies of inverters that can be used in these systems, but the most common is the Voltage-Source Inverter (VSI). In this master thesis a solution based on a Current-Source Inverter (CSI) was developed, seeking to exploit its benefits. Besides the study of the main existing inverter topologies, before implementing the system, a study about the state of the art was made to better understand solar photovoltaic systems, as well as the main modulation techniques applicable to the converter used in this master thesis. Taking into account the characteristics of the desired system, a three-phase current-source inverter was selected and a hybrid modulation technique, based on space-vector modulation and periodic sampling was developed. All the power circuit and the respective control systems were tested and validated using computer simulations in PSIM and Matlab and, after this validation, the whole system was implemented in laboratory, resulting in a prototype. Finally, to assess the operation of the inverter, as well as to analyze the electrical power quality, laboratory tests were performed.