Simulation and implementation of power electronics for educational purposes: with SEPIC converter for MPPT

Abstract

Nowadays, the importance and investments in electricity and renewable energy sources is significantly growing, so that the development and prosperity level of nations are measured accordingly with the strength and the efficiency of the power sector in the country. Every day, the importance of renewable energy sources in the world is increasing to compensate the growing demand of energy in the future, especially with the global rise in oil prices and the environmental pollution. Therefore, renewable energy sources, such as wind, sun, biomass, waves and tides, will be the energy providers for our planet in the future. Renewable energy sources are closely linked with power electronics, so that it is not possible to obtain the required electrical power without using semiconductor electronic elements, which have the capability to convert electrical power (for example, rectifiers can convert electrical power from AC to DC and the inverters do exactly the opposite). These elements give sufficient flexibility to control and convert the voltages according to our application, and in function of the load needs. All of the above indicates the importance of power electronics area in the present time. Therefore, as a part of this project, a tutorial document on power electronics has been written for students and non-specialists who want to learn power electronics and know the basics of this area of Electrical Engineering. This document has an organizing strategy and arrangement in order to facilitate and give motivation for students to study power electronics, trying to provide, as much as possible, simple explanations and figures. Every circuit in this document was simulated by using the programs PSIM and MATLAB, which gives the possibility for students to change the circuit parameters, then monitoring the new results (with this document is made available a CD with the simulations models of the circuits). In addition, it contains worked examples with the most important ideas that must be known for every example. All figures and results of circuits are drawn to facilitate and clarify the figures as much as possible, using a plotting program named KST. As a practical part of this Master thesis work, which also aims to merge renewable energy sources and power electronics applications, a battery charging system with MPPT circuit was implemented, to be used with a micro wind turbine, which can be employed in a boat in the future. This work used a micro wind turbine with a permanent magnet synchronous generator which converts mechanical energy into electrical energy. The generator produces AC three-phase voltages that are rectified with an uncontrolled rectifier, PD3, which is then connected to a DC-DC converter (coupled inductor SEPIC converter), used here to increase or decrease the DC voltage value. In the output of the rectifier is used a capacitor to filter the DC voltage. The implemented control method uses a Maximum Power Point Tracker (MPPT), with perturbation and observation algorithm. This algorithm is ideal to use with intermittent wind energy resources. To operate at the optimal power point, the algorithm has to change the duty cycle of the SEPIC. This control was implemented in a microcontroller ARDUINO ATMEGA UNO 328P. All the developed system for energy production was simulated using PSIM program. This allowed to observe the behavior of the system when was used a passive load (resistive load) and an active load (battery). Finally, with this work I hope to create benefits to my homeland Syria and to my second country, Portugal.

Hoje em dia, a importância e o investimento na energia elétrica e em fontes de energia renováveis tem uma grande preponderância nas nossas vidas. O grau de prosperidade e o desenvolvimento das nações pode ser aferido através do grau de importância do setor energético no país. A cada dia que passa, a importância das fontes de energia renováveis aumenta, uma vez que existe uma procura cada vez maior de energia, isto tendo em conta o aumento mundial dos preços de combustível e a poluição ambiental. Tendo em conta isto, as fontes de energia renováveis, tais como o vento, o sol, a biomassa, as ondas e as marés, serão os fornecedores de energia para o nosso planeta num futuro próximo. As fontes de energia renováveis estão intimamente ligadas com a eletrónica de potência, e não é possível obter a energia elétrica desejada sem usar elementos eletrónicos semicondutores, os quais têm a capacidade de realizar conversões (por exemplo os retificados podem converter tensão CA para CC, e os inversores o oposto). Estes elementos dão flexibilidade suficiente para controlar e converter as tensões de acordo com a nossa aplicação, e conforme a carga. Tudo o que é referido acima indica a importância da eletrónica de potência nos tempos atuais. Desta forma, como parte deste trabalho de Dissertação de Mestrado, foi escrito um tutorial de eletrónica de potência destinado aos estudantes e aos não-especialistas que querem aprender eletrónica de potência e perceber as bases desta área da Engenharia Eletrotécnica. Este documento apresenta uma certa estratégia e organização facilitadoras e motivadoras para que os alunos venham a estudar eletrónica de potência, contendo, dentro do possível, explicações e figuras simples. Cada circuito apresentado neste documento foi simulado usando os softwares PSIM e MATLAB, sendo oferecida a possibilidade aos estudantes para alterar os parâmetros dos circuitos e observarem os resultados (o documento é acompanhado de um CD com os modelos de simulação). Além disto, o documento contém exemplos trabalhados mostrando os conceitos mais importantes de cada circuito. Todas as figuras e resultados dos circuitos foram desenhados de forma a facilitar a sua compreensão, utilizando um programa designado KST. Como parte prática deste trabalho, e envolvendo a fusão entre a eletrónica de potência e as aplicações de energias renováveis, foi implementado um circuito carregador de baterias com circuito MPPT, a ser usado com uma turbina micro-eólica, e que poderá ser empregado em barcos, no futuro. Neste projeto foi usada uma micro-turbina com um gerador síncrono de ímanes permanentes que converte a energia mecânica do vento em energia elétrica. O gerador produz tensões CA que necessitam de ser retificadas, e para isso é usado um retificador não controlado, PD3, ligado a um conversor DC-DC (conversor SEPIC com indutância de acoplamento mútuo). O conversor serve para aumentar ou diminuir a tensão de saída. Além disto, o retificador tem na sua saída um condensador de forma a filtrar a tensão. O método de controlo implementado foi um seguidor do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Tracker - MPPT). O algoritmo do MPPT usado foi o da perturbação-observação. Este algoritmo é o ideal para utilizar com as fontes de energia intermitentes, como é o caso do vento. Para operar no ponto de máxima potência, o algoritmo tem que mudar constantemente o duty-cycle do conversor SEPIC. Este controlo foi implementado numa placa de desenvolvimento ARDUINO ATMEGA UNO 328P. O sistema para produção de energia desenvolvido foi todo simulado usando o software PSIM. Isto permitiu observar o comportamento desse sistema quando foi colocada na sua saída uma carga passiva (carga resistiva) e uma carga ativa (bateria). Finalmente, com este trabalho, espero poder trazer benefícios ao meu país natal, a Síria, e ao meu segundo país, Portugal.