Modulation and control of power converters for production and storage of energy

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaO desenvolvimento da eletrónica de potência, o aumento do preço da energia e a imposição de restrições ambientais levou à aposta na produção de energia a partir de fontes renováveis, como o vento e o sol. Os sistemas híbridos de energia renovável são uma solução interessante quando as condições locais são favoráveis ao nível do vento e da irradiação solar, pois tira partido da complementaridade existente entre o vento e o sol. Estes sistemas podem estar ligados à rede elétrica ou funcionar em modo isolado. São constituídos por dois sistemas de energia renovável (eólico e solar fotovoltaico) e pelo sistema de armazenamento de energia, onde são todos ligados a um barramento DC.Nesta dissertação é implementado o sistema híbrido de energia renovável, excluindo o sistema eólico, quando ligado à rede elétrica. Todos os subsistemas de energia partilham um barramento DC, o qual é ligado a um barramento AC por intermédio de um conversor DC-AC. O sistema solar fotovoltaico e o sistema de armazenamento de energia são também ligados a este barramento DC através de conversores DC-DC. Assim, o objetivo deste trabalho consiste em controlar os fluxos de potência que ocorrem no sistema híbrido de energia renovável. Para tal, é desenvolvido e implementado uma estratégia de controlo que permita controlar os conversores DC-DC e o conversor DC-AC, com o propósito de produzir e armazenar energia, extrair a potência máxima dos painéis e fornecer/absorver energia para/da rede com um fator de potência unitário.É realizado o dimensionamento dos conversores DC-DC, bem como a modelação e análise no domínio da frequência, de forma a projetar os controladores das malhas de corrente. Para o conversor DC-AC é realizada a modelação e o projeto dos controladores das malhas de corrente e tensão de forma a controlar a tensão do barramento DC e controlar de forma independente, a potência ativa e reativa, tal que o fator de potência seja unitário.O sistema híbrido de energia renovável é implementado em Matlab/Simulink, e é realizado o estudo da dinâmica do sistema. Por fim, implementa-se experimentalmente o sistema de forma a validar os métodos de controlo implementados em ambiente de simulação e analisa-se a sua dinâmica. Nos testes experimentais, todos os algoritmos de controlo foram implementados numa plataforma digital da dSpace.The development of power electronics technology, the increasing of the energy price and environmental regulations more stringent, led that renewable energy, such as wind and solar, became more attractive. The hybrid renewable energy systems can be a viable solution when the local conditions are favourable to the level of wind and solar irradiation. The photovoltaic energy and wind energy are complementary. These systems, that can work in standalone or grid connected mode, consist in two renewable energy systems (wind and solar photovoltaic) and by energy storage system. All the systems are sharing a common DC bus. In these thesis is implemented the hybrid renewable system, without the wind system, in a grid connected mode. So, the shared DC bus is connected to AC bus by a DC-AC converter. The solar photovoltaic system and energy storage are also connected to the common DC bus by DC-DC converters.Therefore, the goal of this work is the control of power flow that occurs inside the hybrid renewable energy system. So, a control strategy that enable the control of the DC-DC converters as well as the DC-AC converter is developed and implemented. This control strategy aims to, regulate the production and storage of energy levels, the extraction of the maximum power from photovoltaic panels and send/receive energy to/from the grid with unit power factor.The components of DC-DC converters are calculated, from the modulation and analysis in frequency domain are design the controller current loop. From the modulation and the design of the DC-AC convertor are design the controller to voltage and current loop, so that, the voltage in DC bus is control and the active and reactive power are control separated to obtain a unit power factor. The hybrid renewable energy system is implemented in Matlab/Simulink and the study of the system dynamic is performed. Finally, the experimental implementation and a global study of system dynamic are made by implementing the control developed in simulation.In the experimental tests, all control algorithms were implemented on a digital platform from dSpace