Desenvolvimento dos conversores de potência para o sistema de alimentação de uma microrrede isolada baseada em energias renováveis

Abstract

A energia elétrica tem um papel extremamente importante no desenvolvimento de uma região, bem como na melhoria da qualidade de vida do ser humano. É assim fundamental eletrificar regiões isoladas e com elevadas taxas de subdesenvolvimento. A eletrificação da grande maioria destas regiões isoladas, passa pela produção local de energia recorrendo a fontes de energia renovável, quer por razões logísticas quer ambientais. Nesta dissertação são apresentados e descritos, os sistemas de eletrónica de potência que permitem implementar uma microrrede isolada com produção a partir de fontes renováveis e capacidade de armazenamento local de energia. O foco principal deste trabalho é o desenvolvimento e validação do sistema responsável pela implementação de uma microrrede isolada monofásica com tensão alternada sinusoidal de 230 V/50 Hz. O desenvolvimento do sistema responsável pela produção e armazenamento de energia encontra-se descrito numa dissertação com o tema complementar, realizada pelo colega de laboratório João Silva. Para a realização da presente dissertação foi necessário o estudo, dimensionamento e implementação do conversor CC-CA de três estágios. Este conversor pode ser dividido num conversor CC-CC em ponte completa isolado de alta frequência do tipo buck e num conversor CC-CA em ponte completa. Para ambos os conversores foi desenvolvido um controlador digital, sendo utilizado um controlador Proporcional Integral no conversor CC-CC e um controlador Preditivo no conversor CC-CA monofásico. Depois de desenvolvido o protótipo do sistema de alimentação da mirorrede isolada, foram realizados alguns ensaios laboratoriais de modo a validar a solução apresentada. Os ensaios realizados, permitiram analisar o comportamento do sistema para três tipos de carga diferentes: carga linear puramente resistiva; carga linear predominantemente indutiva; e carga não linear do tipo retificador com filtro capacitivo. Por último, foram ainda realizados alguns ensaios ao sistema desenvolvido na presente dissertação, interligado com o sistema complementar desenvolvido pelo colega João Silva. Perante os resultados obtidos, foi possível comprovar o conceito e validar o funcionamento do sistema de alimentação da microrrede isolada.

Electric power plays an essential role in the development of an isolated rural region, as well as in improving the overall human well-being. Therefore, the electrification of isolated and underdeveloped zones is a matter of extreme importance. Due to either logistic or environmental reasons, in most of these isolated regions, the required electrification involves the local energy production through renewable energy sources. In this dissertation, the power electronics system that allows the implementation of an islanded microgrid with local production and storage of energy is presented and described in detail. The main focus of this work is the development and validation of the power electronics system to implement a single-phase islanded microgrid with 230 V/50 Hz sinusoidal voltage. The electronic system responsible for energy production and storage is being developed within the dissertation work of the classmate João Silva. In order to complete this dissertation, it was required to study, sizing and implement a three-stage DC-AC converter. This converter is composed of a high-frequency isolated buck type full-bridge DC-DC converter and of a single-phase full-bridge DC-AC converter. A digital controller was developed for both converters, namely a Proportional Integral in the case of the DC-DC converter and a Predictive Deadbeat in the case of the DC-AC converter. After the development of the islanded microgrid power system prototype, some laboratorial tests were carried out to analyze the response of the presented solution. The elaborated tests allowed the analysis of the converters toward three different loads: a purely resistive linear load; a predominantly inductive linear load; and a rectifier with capacitive filter nonlinear load. Finally, a few tests were done on the system developed in the presented dissertation combined with the complementary system developed by João Silva. Concerning the final results, it was possible to prove the concept and to validate the operation of the islanded microgrid power system.