Desenvolvimento de um conversor CA-CC Trifásico T-Type para um Energy Hub com interface de mobilidade elétrica

Abstract

A evolução do setor elétrico, impulsionada pela integração de fontes renováveis e pela maior diversidade de cargas ligadas à rede elétrica, exige conversores de eletrónica de potência com melhor desempenho e flexibilidade de controlo. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um conversor CA-CC trifásico T-Type para integração num energy hub com interface de mobilidade elétrica. O protótipo, dimensionado para uma potência nominal de 25 kW e uma frequência de comutação de 50 kHz, foi concebido para operar em três variantes (Full-Bridge, T-Type Vienna e T-Type convencional), permitindo enquadrar a validação do conversor trifásico com topologia T-Type em condições laboratoriais controladas. A abordagem metodológica inclui modelação e simulação, seleção de modulação por portadora do tipo SPWM, controlo de corrente (PI síncrono e preditivo) e sincronização com a rede elétrica por PLL, seguidas de implementação em hardware e validação experimental. Os ensaios laboratoriais evidenciam uma tensão do barramento CC estável e correntes sinusoidais em fase com a tensão no lado da rede elétrica. Além disso, a variante multinível apresenta redução do ripple e do THD face ao Full-Bridge, destacando o conversor T-Type convencional como solução robusta para integração em energy hubs. A análise clarifica ainda o efeito das escolhas de modulação e controlo na mitigação harmónica e na estabilidade da tensão do barramento CC, sustentando a conformidade com requisitos de qualidade de energia elétrica em redes de baixa tensão. A principal contribuição desta dissertação é a demonstração experimental de um conversor T-Type trifásico funcional, com arquitetura de controlo implementável e desempenho consistente em operação ligada à rede elétrica. As variantes Full-Bridge e T-Type Vienna foram usadas apenas como apoio ao comissionamento e para contextualização dos resultados do T-Type.

The evolution of the electric power sector, driven by the integration of renewable sources and the growing diversity of loads connected to the electrical grid, requires power electronic converters with improved performance and control flexibility. This dissertation presents the development of a three-phase AC–DC T-Type converter for integration into an energy hub with an electric mobility interface. The prototype, designed for a nominal power of 25 kW and a switching frequency of 50 kHz, was conceived to operate in three variants (Full-Bridge, T-Type Vienna, and conventional T-Type), enabling the validation of the three-phase T-Type converter under controlled laboratory conditions. The methodological approach includes modelling and simulation, selection of carrier-based SPWM modulation, current control (synchronous PI and predictive), and grid synchronisation via PLL, followed by hardware implementation and experimental validation. Laboratory tests demonstrate a stable DC bus voltage and sinusoidal grid-side currents in phase with the voltage. Moreover, the multilevel variant exhibits reduced ripple and THD compared with the Full-Bridge, highlighting the conventional T-Type as a technically robust solution for integration into energy hubs. The analysis also clarifies the effect of modulation and control strategies on harmonic mitigation and DC bus voltage stability, supporting compliance with low-voltage power quality standards. The main contribution of this dissertation is the experimental demonstration of a functional three-phase T-Type converter, with an implementable control architecture and consistent performance in grid-connected operation. The Full-Bridge and T-Type Vienna variants were employed solely to support commissioning and to contextualise the results of the T-Type.