Desenvolvimento dos conversores de potência para o sistema de alimentação de um centro social sustentável isolado

Abstract

A crescente motivação para a utilização de fontes de energias renováveis prende-se essencialmente com a redução das emissões de CO2 e com a melhoria da qualidade de vida da humanidade. Isto é especialmente verdade em comunidades pequenas, isoladas e autónomas, onde o acesso a fontes de energia renováveis é a única solução para satisfazer as suas necessidades energéticas. Nesta dissertação são estudados os sistemas de eletrónica de potência e os restantes constituintes de uma microrrede que permitem o funcionamento de um Centro Social Sustentável numa aldeia rural isolada, sem ligação a uma rede de energia elétrica. Estes incluem a produção de energia elétrica por fontes renováveis e por um motor-gerador (a biodiesel), um sistema de armazenamento de energia, e um conjunto de cargas locais. Especificamente, nesta dissertação é desenvolvido o sistema de alimentação da microrrede isolada. Este sistema é constituído por um conversor de potência CC-CA de três estágios que pode ser dividido num conversor CC-CC em ponte completa isolado de alta-frequência do tipo buck, controlado a MOSFETs e por um conversor CC-CA em ponte completa controlado a IGBTs. O sistema de controlo dos conversores é completamente digital e tem por base o DSC TMS320F28335 da Texas Instruments. Para validar a solução apresentada, foi desenvolvido um protótipo do sistema que engloba os dois conversores mencionados. Posteriormente, foram realizados diversos testes experimentais em ambiente laboratorial ao protótipo implementado. Este foi testado com uma tensão de entrada de 30 V que foi elevada para uma tensão constante de 160 V por intermédio do conversor CC-CC. Esta tensão retificada é posteriormente convertida para uma tensão sinusoidal de 132 V de pico a uma frequência de 50 Hz, através do inversor monofásico. Nestas condições, foi comprovado o conceito e validado o funcionamento do sistema de alimentação da microrrede isolada. Ao mesmo tempo, os resultados obtidos permitiram validar tanto o bom funcionamento do controlador proporcional-integral aplicado ao conversor CC-CC, como o controlador preditivo deadbeat aplicado ao conversor CC-CA.

The increasing motivation for the use of renewable energy sources is mainly due to the reduction of CO2 emissions and to the improvement of mankind life quality. This is particularly true in small, isolated and standalone communities, where the access to renewable energy sources may be the only solution to meet their energy needs. This master thesis aims to study the power electronic systems that allow the operation of a sustainable Social Centre in an islanded rural village without connection to a main power grid. These include the production of electricity from renewable sources and a motorgenerator set (biodiesel), an energy storage system, and a local power supply. Specifically in this work, the developed power converter needed for the microgrid power system is a three stage DC-AC converter. This power converter can be separated into a DC-DC full-bridge high-frequency isolated MOSFET-based converter and a DC-AC full-bridge IGBT-based converter. The control system is fully digital and implemented using the Texas Instruments microcontroller DSC TMS320F28335. In order to validate the presented solution was developed a prototype of the microgrid power system constituted by the converters mentioned and several experimental tests were carried out in laboratory environment. The developed prototype was tested with a 30 V DC input voltage which resulted in a constant 160 V DC voltage controlled by the DC-DC MOSFET-based converter. This rectified voltage is then converted to a sinusoidal wave with 132 V of peak at 50 Hz frequency by the single-phase inverter. Under these conditions, the concept has been proven and the proper functioning of the island microgrid power system was validated. At the same time, the obtained results allowed to validate not only the proper functioning of the proportional integral controller applied to the DC-DC converter but also the deadbeat predictive controller applied to the DC-AC converter.