Hybrid Static Converter For Photovoltaic Solar Generation Systems With Energy Storage

Mallmann, Junior F.; Grigoletto, Felipe B.

doi:10.18618/REP.e202545

person Junior F. Mallmann

Conceitualização · Curadoria de dados · Análise de dados · Pesquisa · Metodologia · Desenvolvimento, implementação e teste de software · Validação de dados e experimentos · Redação do manuscrito original nasceu em Três Passos, Brasil, em 1990. Obteve o título de graduação (2016) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria, UFSM, Santa Maria, Brasil. Obteve o título de mestrado (2024) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Pampa, UNIPAMPA, Alegrete, Brasil. Atualmente é Engenheiro Eletricista na Universidade Federal do Pampa, UNIPAMPA, Alegrete, Brasil. Suas áreas de interesse são: eletrônica de potência, qualidade da energia elétrica, processamento de energia elétrica, sistemas de controle eletrônicos e acionamentos de máquinas elétricas.

schoolUniversidade Federal do Pampa, Alegrete – RS, Brasil Laboratório de Processamento de Energia e Controle - LAPEC.

0009-0007-9574-609X

person Felipe B. Grigoletto *

Conceitualização · Análise de dados · Recebimento de financiamento · Metodologia · Administração do projeto · Supervisão · Redação do manuscrito original · Redação - revisão e edição nasceu em Restinga Seca, Brasil, em 1985. Obteve os títulos de graduação (2007), mestrado (2009) e doutorado (2013) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria, UFSM, Santa Maria, Brasil. Atualmente é Professor Associado da Universidade Federal do Pampa, UNIPAMPA, Alegrete, Brasil. Seus interesses de pesquisa incluem sistemas de conversão de energia oriundos de fontes renováveis, modelagem, controle e modulação de conversores estáticos de potência. É membro das sociedades SOBRAEP e IEEE.

schoolUniversidade Federal do Pampa, Alegrete – RS, Brasil Laboratório de Processamento de Energia e Controle - LAPEC.

0000-0002-1583-3836

junior.fmallmann@gmail.com

person*Corresponding author.
emailfelipegrigoletto@unipampa.edu.br

Associate Editor

Victor F. Mendes https://orcid.org/0000-0002-8453-344X

Editor-in-Chief

Heverton A. Pereira https://orcid.org/0000-0003-0710-7815

S₁	S₂	S₃	S₄	S₅	$\frac{v_{a b}}{V_{C}}$	$\frac{v_{x g}}{V_{C}}$	$\frac{v_{y g}}{V_{C}}$	Estado
1	0	0	1	1	1	0	0	A
1	0	1	0	1	0	1	0	B
1	0	1	1	0	0	1	1	C
0	1	0	1	1	0	0	0	D
0	1	1	0	1	-1	0	0	E
0	1	1	1	0	-1	0	1	F

Corrente	Valor Máximo
I_S₁, I_S₃, I_D₁, I_D₂	I_Lf
I_DS ₁	$\frac{I_{L x}}{2}$
I_S₂, I_DS₂	I_Lf + I_Lx
I_DS ₃	$\frac{I_{L x}}{2}$
I_S₄, I_DS₅	I_Lf + I_Lx + λ₁ · I_Ly
I_DS₄, I_S₅	I_Lf + I_Lx + λ₂ · I_Ly

Parâmetros	Valores
Potência nominal P	500 W
Tensão de saída CA - v_o	110 V
Frequência de saída-f	60 Hz
Tensão de barramento CC -V_C	250 V
Indutância -L_x	3 mH
Indutância -L_y	2 mH
Indutância -L_f	4 mH
Capacitância de filtro de saída CA-C_f	0,025 mF
Capacitância de barramento CC - C_x	1 mF
Capacitância de interface com a bateria- C_y	0,025 mF
Capacitância de interface com os painéis- C_x	100 µF
Frequência de chaveamento - f_s	20 kHz
Potência máxima do FV	585 W
Tensão em máxima potência do arranjo FV	52,8 V
Tensão a vazio do arranjo FV	66,3 V
Corrente de curto circuito do FV	11,07 V
Capacidade do banco de baterias	484 Ah
Corrente máxima fornecida-I_bat	40 A
Tensão de flutuação do banco de baterias-V_flu	25,6 V
Tensão nominal banco de baterias-V_nom	29,2 V
Tensão de corte do banco de baterias-V_corte	20 V

\begin{aligned} \dot{\hat{x}} (t) = A \hat{x} (t) + B \hat{u} (t) + \{(A_{1} - A_{2}) X + (B_{1} - B_{2}) X\} \hat{d} (t) \\ \hat{y} (t) = C \hat{x} (t) + E \hat{u} (t) + \{(C_{1} - C_{2}) X + (E_{1} - E_{2}) U\} \hat{d} (t) \end{aligned}

\begin{aligned} A_{{x, y}} = A_{1 {x, y}} D_{{x, y}} + A_{2 {x, y}} D_{{x, y}}^{'} \\ B_{{x, y}} = B_{1 {x, y}} D_{{x, y}} + B_{2 {x, y}} D_{{x, y}}^{'} \\ C_{{x, y}} = C_{1 {x, y}} D_{{x, y}} + C_{2 {x, y}} D_{{x, y}}^{'} \\ E_{{x, y}} = E_{1 {x, y}} D_{{x, y}} + E_{2 {x, y}} D_{{x, y}}^{'} \end{aligned}

\begin{aligned} {\hat{x}}_{x} = {[\begin{array}{ll} \hat{i_{L}} & \hat{v_{C}} \end{array}]}^{T}; {\hat{u}}_{x} = {[\begin{array}{ll} V_{P V} & \hat{d_{x}} \end{array}]}^{T} \\ {\hat{x}}_{y} = {[\begin{array}{lll} \hat{i_{L}} & \hat{v_{C}} & v_{b a t} \end{array}]}^{T}; {\hat{u}}_{y} = {[\begin{array}{lll} V_{H} & V_{L} & \hat{d_{y}} \end{array}]}^{T} \end{aligned}

A_{x} = [\begin{array}{cc} \frac{- R_{L x}}{L_{x}} & \frac{- D_{x}^{'}}{L_{x}} \\ \frac{1}{C_{x}} & \frac{- 1}{R_{o} \cdot C_{x}} \end{array}], B_{x} = [\begin{array}{cc} \frac{1}{L_{x}} & \frac{(\frac{V_{P V} \cdot D_{x}^{'}}{{L_{x}}^{2} \cdot C_{x}})}{(\frac{R_{L x}}{R_{o} \cdot L_{x} \cdot C_{x}}) + (\frac{{(D_{x}^{'})}^{2}}{L_{x} \cdot C_{x}})} \\ 0 & \frac{(\frac{V_{P V}}{R_{o} \cdot L_{x} \cdot {C_{x}}^{2}})}{(\frac{R_{L x}}{R_{o} \cdot L_{x} \cdot C_{x}}) + (\frac{{(D_{x}^{'})}^{2}}{L_{x} \cdot C_{x}})} \end{array}]

A_{y} = [\begin{array}{ccc} - \frac{R_{L y}}{L_{y}} & \frac{D_{y}}{L_{y}} & - \frac{1}{L_{y}} \\ - \frac{D_{y}}{C_{x}} & - \frac{1}{R_{1} \cdot C_{x}} & 0 \\ \frac{1}{C_{y}} & 0 & - \frac{1}{R_{2} \cdot C_{y}} \end{array}], B_{y} = [\begin{array}{cc} 0 & 0 \\ \frac{1}{R_{1} \cdot C_{x}} & 0 \\ 0 & \frac{1}{R_{2} \cdot C_{y}} \end{array}]

[\begin{matrix} \hat{i_{L y}} \\ \hat{v_{C}} \\ \hat{v_{b a t}} \end{matrix}] = {[\begin{array}{lll} G_{11} G_{12} G_{13} \\ G_{21} G_{22} G_{23} \\ G_{31} G_{32} G_{33} \end{array}]}_{y} \cdot [\begin{matrix} V_{H} \\ V_{L} \\ \hat{d_{y}} \end{matrix}],

Componente	Modo de Falha	Efeito da Falha	Causa Potencial da Falha	S	O	D	RP
Indutor L_x, L_y	Curto-circuito	Sobrecorrente	Isolamento defeituoso	9	4	3	10
Chaves S₂, S₅	Em curto-circuito	Sobreaquecimento	Sobretensão, dissipação excessiva	8	5	4	16
Diodo D1 e D2	Aberto	Falha na elevação de tensão	Envelhecimento, má soldagem	7	3	5	10
Capacitor C₁	Perda de capacitância	Ripple elevado	Temperatura elevada, envelhecimento	5	4	6	12
Chaves S₁...S₅	Em Curto-circuito ou aberto	Falha total	Surtos de corrente/tensão	8	5	4	16
Driver de Gate	Falha de acionamento	Comutação inadequada das chaves	Ruído, falha de alimentação	8	4	5	16
Controlador (PWM)	Sinal incorreto	Instabilidade na saída AC	Erro de firmware, ruído	7	3	4	84
Sensor de Corrente/Tensão	Leitura incorreta	Proteção ineficaz	Calibração ruim, falha do sensor	6	3	5	90