Desenvolvimento de um sistema de controlo modular descentralizado para conversores de eletrónica de potência em cascata

Abstract

Nas últimas décadas, tem-se assistido a uma crescente procura por novas fontes capazes de satisfazer as necessidades energéticas da sociedade. Essa demanda, aliada à evolução da eletrónica de potência, aumentou a necessidade de se fazer interface com aplicações de potências mais elevadas. Devido às limitações ainda existentes nas tensões de operação dos semicondutores, a utilização de conversores modulares surgiu como uma das principais soluções. Apesar das vantagens, estes conversores são operados com estratégias de controlo centralizadas, limitando a modularidade e expansibilidade do sistema devido às restrições relacionadas com o número periféricos disponíveis nos microcontroladores. Assim sendo, a aplicação de estratégias descentralizadas surge para eliminar essas limitações. Na presente dissertação é descrito o desenvolvimento de um sistema de controlo modular descentralizado para conversores de eletrónica de potência em cascata, bem como todas as fases relacionadas com o desenvolvimento deste projeto. Este sistema permite realizar a interface de barramentos CC com a rede elétrica. Para a sua criação, é apresentada uma topologia de três submódulos de eletrónica de potência ligados em cascata. Cada submódulo é constituído por um conversor CC-CA em ponte completa e um microcontrolador dedicado para o controlo do mesmo. Toda a gestão do sistema fica ao cargo de um microcontrolador externo. Para a realização deste projeto foi necessário o estudo, dimensionamento e implementação de todo o hardware que constitui o sistema, bem como a análise e desenvolvimento de todos os algoritmos de controlo e das topologias de comunicação utilizadas. Ao longo do desenvolvimento desta dissertação, foi possível validar a modularidade do sistema de controlo descentralizado e a adaptabilidade dos algoritmos, bem como a capacidade do sistema injetar energia na rede elétrica, atingindo assim, os objetivos propostos.

In recent decades, there has been a growing demand for new sources of energy capable of meeting society's needs. This demand, combined with the evolution of power electronics, increase the need to interface with high power applications. Taking into consideration the restrictions of the operating voltage of the semiconductors, the use of modular converters has emerged as one of the main solutions. Despite the advantages, these converters are operated with centralized control strategies, limiting the modularity and expandability of the system due to the restrictions related to the number of peripherals available in the microcontrollers. Therefore, the application of decentralized strategies appears to eliminate these limitations. The present dissertation describes the Development of a Decentralized Modular Control System for Cascade Power Electronic Converters, as well as the phases related to the development of this project. This system allows the interface between DC buses and the electrical network. For its development, a topology of three power submodules connected in cascade is presented. Each submodule consists of a full-bridge DC-AC converter and a dedicated microcontroller. An external microcontroller is in charge of system management. To carry out this project, it was necessary to study, design and implement the hardware, as well as the analysis and development of control algorithms and communication topologies. Throughout the development of this dissertation, it was possible to validate the modularity of the decentralized control system and the adaptability of the algorithms, as well as the capacity of the system to inject energy into the electrical network, thus achieving the proposed objectives.