Desenvolvimento de um conversor CC-CC para um UPQC trifásico para interface com painéis solares fotovoltaicos e sistemas de armazenamento de energia

Abstract

A elevada dependência energia elétrica por parte das sociedades aliada ao facto de uma presumível escassez dos principais meios de produção de energia atual, mais propriamente os combustíveis fósseis, tem proporcionado o investimento em soluções de produção de energia alternativas de forma a colmatar as necessidades energéticas. Essas soluções consistem no desenvolvimento de fontes de produção de energia renovável tendo como princípio o aproveitamento dos recursos naturais de forma a promover uma produção de energia limpa e sustentável. No entanto alguns tipos de fontes de energia renováveis têm como principal desvantagem uma produção de energia intermitente e o requerimento de um sistema que permita a interface com a rede elétrica como é o caso da energia solar o que normalmente implica a introdução problemas de qualidade de energia elétrica (QEE). Estes problemas evidenciados aliados ao facto da crescente conexão de cargas não lineares na rede elétrica, fomentam impactos negativos no que concerne à qualidade de energia. Posto isto no sentido de mitigar tais problemas, têm sido desenvolvidos sistemas de resolução de problemas de qualidade de energia que integram sistemas de produção de energia renovável e também sistemas de armazenamento de energia de forma a que em períodos de intermitência seja colmatada a falta de energia elétrica. Neste sentido, a presente dissertação visa a conceção de um conversor CC-CC multinível para um UPQC trifásico que permite a interface com painéis solares fotovoltaicos e um sistema de armazenamento de energia (baterias). O conversor CC-CC no ponto de interface com os painéis solares fotovoltaicos permite um fluxo unidirecional de energia, sendo responsável por controlar a potência extraída dos painéis fotovoltaicos. Já no ponto de interface com as baterias permite um fluxo bidirecional sendo responsável por controlar a carga e descarga das baterias. No desenvolvimento desta dissertação é apresentado uma revisão bibliográfica sobre a tecnologia solar fotovoltaica, sobre os sistemas de armazenamento de energia, com principal foco nas baterias, sobre conversores CC-CC e possíveis estratégias de controlo dos mesmos, as respetivas simulações computacionais do conversor proposto, a conceção do protótipo em contexto laboratorial e por último a sua validação experimental.

The high dependence of electrical energy by the societies, combined with the fact that a presumed shortage of the main means of energy production, rather fossil fuels, has provided the investment in alternative energy production solutions in order to meet the energy needs. Part of these solutions consist in the use of renewable energy sources for energy production, based on the principle of using natural resources, in order to promote clean and sustainable energy production. However, some types of renewable energy sources have as main disadvantage an intermittent energy production, as well as the requirement of a system that allows the interface with the electrical grid as is the case of solar energy that, usually, implies the introduction of power quality (PQ) problems. These problems, allied to the increasing connection of nonlinear loads into the electrical grid, have a negative impact on the PQ. In order to mitigate such problems, dedicated systems have been developed, some of them also integrating renewable energy production systems and energy storage systems. In this sense, the present dissertation aims the development of a DC-DC multilevel converter for a three-phase UPQC allowing the interface of photovoltaic solar panels (as a renewable energy source) and a set of batteries (as an energy storage system). The DC-DC converter at the interface point with the PV solar panels allows a unidirectional power flow and is responsible for controlling the power extracted from the photovoltaic panels. In the point of interface with the batteries, it allows a bidirectional power flow, which is responsible for controlling the batteries charging and discharging. In this dissertation, a bibliographical review is presented on solar photovoltaic technologies, on energy storage systems, with the main focus on the batteries, a review of DC-CC converters and possible control strategies, a set of computational simulations of the proposed DC-DC converter, a conception of the prototype in a laboratory context and, finally, its experimental validation.