Desenvolvimento de um micro-inversor para sistemas de energias renováveis em micro-redes distribuídas

Abstract

A sustentabilidade e o equilíbrio do planeta é, hoje em dia, um dos maiores problemas discutidos a nível mundial. As alterações climáticas, principalmente devido à utilização indevida e excessiva de combustíveis fósseis, já não são somente uma preocupação, mas uma realidade bem acentuada que urge ser colmatada. Dentro deste contexto e com o objetivo de obter energia a partir de fontes naturais e inesgotáveis, a aposta em energias renováveis (ER) começa a ganhar expressão no mercado. Contudo, a eletricidade gerada através destas fontes toma um perfil intermitente que, por vezes, não coincide com a demanda. Neste sentido, a inclusão de sistemas de armazenamento de energia (SAE) é tomada como extremamente relevante, dado que os períodos de baixa produção poderão ser compensados e, assim, garantir um fornecimento constate de energia a uma habitação, mesmo em caso de falha na rede. Atualmente, esta apresenta uma topologia pouco eficiente, onde a geração de energia está bem caracterizada e centralizada. É de esperar que a curto/médio prazo, a inclusão das ER tenha o objetivo de descentralizar a produção, contribuindo para o equilíbrio da rede numa perspetiva de Smart Grid (SG). Face à crescente proliferação de cargas CC e de sistemas de geração para autoconsumo, as DC Smart Microgrids têm vindo a receber especial atenção da comunidade científica ao longo da última década. A adoção desta estrutura para a rede elétrica possibilitaria uma redução significativa do número de conversores empregues neste tipo de aplicações, aumentando deste modo a eficiência dos sistemas de geração e de armazenamento de energia. Assim, esta dissertação assenta sobre a implementação de um sistema de baixa potência (3,6 kW) que permite, através de um único ponto de ligação a uma rede de corrente contínua (CC), a interface de uma fonte de ER (painéis solares fotovoltaicos) e de um SAE (baterias). O equipamento é baseado em conversores de eletrónica de potência (EP) e empregue com novas tecnologias de semicondutores a comutar a altas frequências - p. ex., utilizando tecnologia SiC. Através de um conversor Dual Active Bridge (DAB), é ainda garantido o isolamento galvânico entre a rede CC e o conjunto dos painéis fotovoltaicos com as baterias. Mais ainda, os algoritmos de controlo desenvolvidos permitem otimizar a extração da máxima potência dos painéis solares (MPPT - Maximum Power Point Tracking) e realizar os processos de carga e descarga das bateria de forma controlada. Os modos de operação do micro-inversor propostos nesta dissertação são concebidos de acordo com as rotinas e necessidades energéticas do consumidor e aplicados em situações reais no seu quotidiano. Todas as topologias, e respetivas estratégias de controlo, que podem ser aplicadas ao circuito de potência serão simuladas com recurso à ferramenta PSIM. Posteriormente irá ser efetuado o desenvolvimento da solução proposta e obtidos os resultados experimentais que a validem.

The planet’s sustainability and balance is, nowadays, one of the biggest problems discussed worldwide. Climate change, mainly due to the improper and excessive use of fossil fuels, is no longer just a concern, but a strong reality that needs to be adressed. Within this context and with the goal of obtaining energy through natural and inexhaustible sources, the bet on renewable energy sources (RES) begins to gain market placement. However, the electricity generated from these ones has an intermittent profile that, sometimes, does not match the demand. In this regard, the inclusion of energy storage systems (ESS) is considered extremely relevant, as the periods of low production can be compensated and thus ensure a constant supply of energy to a home, even in case of grid failure. Nowadays, it has an inefficient topology, in which energy generation is well characterized and centralized. It is expected that in a short/medium term, the inclusion of RE aims to decentralizing production, contributing to the grid’s balance from a Smart Grid (SG) perspective. In the face of the growing proliferation of DC loads and self-consumption generating systems, DC Smart Grids have received special attention from the scientific community over the past decade. The adoption of this structure for the power grid would allow a significant reduction in the number of power converters employed in this type of applications, thereby increasing the efficiency of energy generation and storage systems. Thus, this dissertation is based on the implementation of a low power system (3.6 kW) that allows, through a single point of connection to a DC Grid, the interface of a RES (photovoltaic solar pannels) and a ESS (batteries). The equipment is based on power electronics (PE) converters and employed with new semiconductor technologies switching at high frequencies - for example, using SiC technology. Through a Dual Active Bridge (DAB) converter, galvanic isolation is also guaranteed between the DC grid and the group constituted by the photovoltaic pannels and by the batteries. Furthermore, the developed control algorithms allow to optimize the extraction of the maximum power from the photovoltaic pannels (MPPT - Maximum Power Point Tracking) and to carry out the batteries’ charge and discharge processes in a controlled way. The micro-inverter operation modes proposed in this dissertation are conceived in accordance with the consumer’s routines and energetic needs and applied in real situations in one’s quotidian. All topologies, and respective control strategies, that can be applied to the power circuit were simulated using PSIM. Subsequently, it was be developed the proposed solution and obtained the experimental results that validate it.