CONVERSOR CA-CC-CA HIBRIDO PARA APLICACOES EM SISTEMAS DECONVERSAO DE ENERGIA EOLICA

Nayara Ingrid Lisboa Santos∗, Louelson Afranio Leugirdes de Azevedo CavalcantiCosta†, Maurıcio Beltrao de Rossiter Correa‡, Montie Alves Vitorino‡

∗Mestranda no Programa de Pos-Graduacao em Engenharia Eletrica, PPgEE/UFCG

†Doutorando no Programa de Pos-Graduacao em Engenharia Eletrica, PPgEE/UFCG

‡Departamento de Engenharia Eletrica, UFCGCampina Grande, Paraıba, Brasil

nayara.santos@ee.ufcg.edu.br, louelson@gmail.com , mbrcorrea@dee.ufcg.edu.br,

vitorino@ee.ufcg.edu.br

Abstract— This article presents a hybrid AC-DC-AC converter topology for use in wind energy conversionsystems. The converter is composed of a generator-side voltage source converter and a grid-side current sourceconverter. The used converters operate in different ways but, in general, they provide additional advantages tothe system, canceling disadvantages that occur in the use of only one type of converter. In this way, this articleshows an introductory study on the operational characteristics of the hybrid converter. The proposed converterhas, as main characteristics, short circuit protection, easy integration with the grid, boost-boost operation andlow total harmonic distortion. Results are presented in order to verify the operational characteristics of theconverter.

Keywords— Voltage source converters, Current source converters, AC-DC-AC Converters, Hybrid converters,Wind power conversion systems.

Resumo— Este artigo apresenta uma topologia de conversor CA-CC-CA hıbrido para ser aplicado em sistemasde conversao de energia eolica. O conversor e composto de um conversor fonte de tensao do lado do gerador eum conversor fonte de corrente do lado da rede. Os conversores utilizados operam de maneiras diferentes mas,em geral, proporcionam vantagens adicionais ao sistema, cancelando desvantagens que ocorrem na utilizacao deapenas um tipo de conversor. Dessa forma, este artigo mostra um estudo introdutorio sobre as caracterısticasoperacionais do conversor hıbrido. O conversor proposto tem, como caracterısticas principais, protecao contracurto-circuito, facil integracao com a rede, operacao boost-boost e baixa taxa de distorcao harmonica. Resultadossao apresentados de forma a verificar as caracterısticas operacionais do conversor.

Palavras-chave— Conversores fonte de tensao, Conversores fonte de corrente, Conversores CA-CC-CA, Con-versores hıbridos, Sistemas de conversao de energia eolica.

1 Introducao

Em sistemas de conversao de energia eolica, os ge-radores sao responsaveis por converter a energiamecanica, atraves das turbinas eolicas, em ener-gia eletrica. Devido as variacoes de velocidade dovento, esses sistemas costumam utilizar geradoresde velocidade variavel que possuem suas tensoesgeradas com amplitude e frequencia variavel. Aconexao do gerador a rede eletrica e feita atravesde conversores estaticos bidirecionais.

Os geradores de velocidade variavel mais uti-lizados sao as maquinas de inducao de dupla ali-mentacao DFIG (do ingles, doubly fed inductiongenerators) e as maquina sıncronas, em especiala maquina sıncrona de ima permanente PMSG(do ingles, permanent magnet synchronous gene-rator). No entanto a PMSG tem vantagens emrelacao a DFIG, devido ao fato de que nao ne-cessita de corrente de excitacao, possui alta den-sidade de potencia e confiabilidade, baixa perdasrotoricas e alta eficiencia (Yaramasu et al., 2017).Segundo (Yaramasu et al., 2017), as tendencias in-dicam que o mercado esta se descolando da DFIGpara a PMSG.

Para os sistemas eolicos, a topologia mais uti-lizada para a conexao do gerador eolico a redeeletrica e o conversor back-to-back (B2B) fonte detensao VSC de dois nıveis. Esta topologia possuicontrole de potencia ativa e reativa dos dois la-dos e baixa taxa de distorcao harmonica THD (doingles, total harmonic distortion). Porem, pos-sui alto risco de curto-circuito, tem altas perdasde potencia por chaveamento, menor confiabili-dade e e utilizado desde kW ate 3MW (de Freitaset al., 2016). Tambem e necessario, em algunscasos, o uso de transformadores para elevar a ten-sao ao conectar a rede ou o uso de um conversorCC-CC boost.

Contudo, devido a grande demanda de poten-cia dos ultimos anos, cada vez mais sao necessa-rios sistemas que comportem potencia mais altas.Dessa forma, a medida que a potencia aumenta, osconversores multinıveis tornam-se tendencia, em-bora a utilizacao desses conversores possam oca-sionar um aumento nas perdas, nos custos, com-plexidade de controle, reducao da densidade depotencia, entre outros problemas.

Alternativamente as topologias convencionais,os conversores fonte de corrente CSC (do ingles,

Gerador RedeGeradorCA

CC CA

CC

VSR CSI

Figura 1: Conversor CA-CC-CA Hıbrido.

current source inverter) vem se tornando tenden-cias. Comparado com o conversor VSC, o conver-sor CSC prove uma topologia simples e excelenteintegracao com a rede, com a corrente proxima asenoidal e controle do fator de potencia. O bar-ramento CC indutivo prove uma protecao naturalcontra falta de curto-circuito (Dai et al., 2009).

Este artigo tem como proposito investigar aacao boost-boost oferecida pelo conversor CA-CC-CA hıbrido apresentado na Figura 1. O conversorune as caracterısticas do VSC e do CSC, que com-bina recursos de protecao contra sobrecorrente,juntamente com o alto desempenho associado deum VSC do lado do gerador.

2 Configuracao do sistema proposto

A configuracao do sistema hıbrido CA-CC-CAproposto para a utilizacao em sistemas de con-versao de energia eolica e mostrado na Figura 1.

No geral, o sistema consiste de um estagio re-tificador fonte de tensao VSR (do ingles, voltagesource rectifier), conectado a um inversor fonte decorrente CSI (do ingles, current source inverter),atraves de um barramento CC capacitivo do ladodo retificador e indutivo do lado do inversor. Paraa conexao dos conversores ao gerador e a rede, saoutilizados os filtros CA.

Os VSCs sao mais difundidos e utilizadosque os CSCs, por possuırem uma maior densi-dade de potencia e apresentarem menores per-das por conducao. Por outro lado, os CSCs pos-suem menores perdas por chaveamento e protecaonatural contra curto-circuito (de Azevedo Caval-canti Costa, 2016).

Ambos VSR e CSI utilizam dispositivo IGBT(do ingles, insulate gate bipolar transistor). NosVSCs, utiliza-se um diodo em anti-paralelo conec-tado ao IGBT, resultando uma chave bidirecionalem corrente e unidirecional em tensao. A conexaodo diodo em anti-paralelo se faz necessario paraque a corrente do filtro CA sempre tenha um cami-nho para seguir. Ja nos CSCs, utiliza-se um diodoem serie com o IGBT, resultando uma chave bidi-recional em tensao e unidirecional em corrente. Aconexao do diodo em serie se faz necessaria paraque nao haja um curto-circuito sobre o capacitordo lado CA.

O VSR e responsavel por realizar o controleda potencia ativa e reativa do lado do gerador,

enquanto que o CSI controla a tensao de barra-mento CC, mantendo o ındice de modulacao fixoda corrente de barramento CC.

Para a conexao do lado do gerador, sao maisutilizados os VSCs devido a caracterıstica indutivadas maquinas, que permite que os VSCs possamser conectados diretamente sem a necessidade douso de um filtro CA. Ja para a conexao com a rede,os CSCs sao uma melhor solucao do que os VSCs,pois para a conexao do VSI com a rede e neces-sario o uso de um filtro LCL e a implementacaodo controle do barramento CC e mais complexa,visto que e necessaria a utilizacao do controle in-direto das correntes (ver secao 4.2). Para o CSI,o controle e feito de forma direta e ha a necessi-dade apenas de um filtro CL, o que eliminaria autilizacao de tres componentes.

Os CSCs possuem vantagem tambem de pos-suir uma protecao natural contra curto-circuito, jaque, durante uma falta de curto-circuito, o cresci-mento abrupto da corrente e limitado pelo indutorCC.

Os filtros CA foram projetados de acordocom (Gomes et al., 2018). Os filtros CA saodimensionados com o objetivo de nao permitirque os harmonicos de alta frequencia provenien-tes do chaveamento dos semicondutores se propa-guem pela rede, atenuando assim as componentesharmonicas de forma que o THD seja inferior a5%.

3 Conversor do lado do gerador (VSR)

A Figura 2 mostra o diagrama do conversor tri-fasico fonte de tensao no estagio retificador. Oconversor e composto de seis chaves IGBTs comdiodos em antiparalelo. A partir do chaveamentodas chaves S1−6, o conversor converte o sinal al-ternado em sinal contınuo, para o barramento CCque absorve a potencia.

Os conversores sao acompanhados de filtrospassivos para a reducao da distorcao harmonicadas curvas de corrente e/ou tensao. Nos conver-sores fonte de tensao, normalmente e utilizado ofiltro LCL, pois para altas frequencias apresentamaior atenuacao e sao necessarias indutancias me-nores que no filtro L para obter a mesma atenua-cao em altas frequencias (Caracas et al., 2013).

Os conversores fonte de tensao sao divididosem retificadores fonte de tensao (VSR) e inver-

11

S 2S

5S

3S

6S

23

ccC R

frC

frL

4S

fgL

gv1

ri3

ccI

ri2ri1

gv2

gv3

ccV

Figura 2: Retificador fonte de tensao conectado auma carga monofasica.

sores fonte de tensao (VSI). Nos VSRs a tensaoCC deve ser maior ou igual ao valor maximo datensao de linha CA, possuindo assim uma acao bo-ost em tensao (Vcc >

√2V12) e buck em corrente

(Icc <√

2I1). Ja os inversores possuem o efeitocontrario, buck em tensao (Vcc >

√2V12) e boost

em corrente (Icc <√

2I1), sendo Vcc a tensao dobarramento CC, V12 a tensao de linha rms CA eI1 a corrente de fase rms CA.

Sabendo que a potencia de entrada deve serigual a potencia de saıda e desconsiderando as per-das, podemos observar nas Equacoes (3) e (4) oefeito boost da tensao e buck da corrente, paravalores medio de tensao e corrente.

Pcc = VccIcc =√

3V12I1, (1)

mvVcc =√

2V12 =√

2√

3V1. (2)

Assim, a tensao CC do barramento pode serdeterminada pela Equacao 3.

Vcc =

√6V1gmv

, para 0 < mv ≤ 1, (3)

onde o mv e o ındice de modulacao da tensao eV1g a tensao de fase rms do gerador.

Substituindo a Equacao (3) em (1), obtem-sea expressao da corrente CC.

Icc =I1gmv√

2. (4)

3.1 Modulacao PWM

Dentre as estrategias de modulacao PWM exis-tentes (seno-triangulo, escalar, vetorial, etc.), serautilizada a modulacao seno-triangulo, devido a suaeficiencia e simplicidade na implementacao (Wuet al., 2011). Na Figura 3, e apresentada a sequen-cia de chaveamento para um perıodo de chavea-mento (Tch), o chaveamento e aplicado a situacaoem que v∗1r > 0, v∗2r < 0 e v∗3r > 0, com o pulsocentrado.

Utilizou-se o DSP F28335 para a geracao doPWM VSC a ser implementado no VSR. Durantea comutacao das chaves, e inserido um tempomorto que atrasa o ligamento da chave duranteum pequeno intervalo de tempo. Na Figura 4, emostrada a mesma sequencia de chaveamento parao braco 1 (S1 e S4) e para o braco 2 (S2 e S5).

1S

4S

2S

5S

3S

6S

chT t t

chT

rv

3*

rv

1*

1

1

1

rv

2*

rv1*

rv2

*rv3

*

Figura 3: Sequencia de chaveamento do PWMVSC para v∗1r > 0, v∗2r < 0 e v∗3r > 0.

1S

4S

2S

5S

Figura 4: Resultado experimental da sequenciade chaveamento das chaves (S1, S4, S2 e S5) parav∗1r > 0, v∗2r < 0 e v∗3r > 0.

3.2 Estrategia de controle

O conversor conectado ao gerador pode ser con-trolado de varias formas, uma dela e o controlevetorial da corrente (Wu et al., 2011), como mos-tra a Figura 5.

Este controle tem como objetivo manter con-troladas as correntes nos eixos d e q, que corres-pondem as potencias ativa e reativa, respectiva-mente. Para a realizacao desse controle, define-seque a componente q da tensao e nula. A base destecontrole e o desacoplamento entre as variaveis queestao sendo controladas, utilizando transformacaodo sistema abc estacionario para o referencial sın-crono dq. O referencial sıncrono e utilizado, pois,como as variaveis sao contınuas pode-se utilizar ocontrolador proporcional integral PI.

4 Conversor do lado da rede (CSI)

O CSI e mostrado na Figura 6, e e composto porseis IGBTs em serie com seis diodos. O con-versor requer uma corrente constante e produzuma saıda de corrente alternada. Os CSCs pos-suem modulacao em corrente, o que leva a deri-vadas na corrente, logo, faz-se necessaria a utili-zacao de capacitores trifasicos conectado em pa-ralelo com a saıda do conversor (de Azevedo Ca-

Filtro LCL

ccI

gv1

gv

2

gv3

rv

1

rv

2

rv

3

R

gi1

gi

2

gi

3

abcdq

PLL

gq

dgv

qgv

dgi qgi

ccV

-

+

gP

gP PI

-

+dgi

dgi

PI+

-

dgv( + qg

i rfL

rgL )

rw

abc dq

PWM

dgV5,1-

gQ-

+

qgi

PI+

-

qgv( - dgi rf

Lrg

L )r

w

gq

qgi

rv

1 rv

2 rv

3

drvqrv

∑∑ ∑

∑∑Π÷

* * *

* *

**

**

Figura 5: Controle vetorial da corrente para oVSR.

valcanti Costa, 2016). Assim, no CSI e utilizadoo filtro CL para obter um baixo THD e melhorara eficiencia do sistema.

1

ccI

1h

1l

2h

2l

3h

3l

23

+

ccL

barV

ii1 s

v1

fiC

fiL

ii2

ii3

sv2

sv3

ccV

Figura 6: Inversor Fonte de Corrente Trifasico.

Os conversores fonte de corrente sao dividi-dos em retificadores fonte de corrente (CSR) e in-versores fonte de corrente (CSI). Os retificadorespossuem acao boost em corrente (Icc >

√2I1) e

buck em tensao (Vcc <√

2V12). Ja os inversorespossuem o efeito buck em corrente (Icc >

√2I1) e

boost em tensao (Vcc <√

2V12).Sabendo que a potencia de entrada deve ser

igual a potencia de saıda, desconsiderando as per-das como mostra a Equacao (1), pode-se observaro efeito buck da corrente e boost de tensao para oCSI.

miIcc =√

2I1s. (5)

onde o mi e o ındice de modulacao da corrente eI1s a tensao de fase rms da rede.

Substituindo a Equacao (5) em (1), obtem-sea expressao da tensao CC.

Vcc = 3V1smi√

2, para 0 < mi ≤ 1. (6)

4.1 Modulacao PWM

O CSC e reverso (dual) do VSC, ou seja, no CSCo barramento e composto por um indutor que acu-mula energia na forma de corrente. Desta forma,

a estrategia de controle deve evitar que haja cir-cuito aberto que bloquei a passagem de correntedo indutor, ou um curto-circuito na tensao do ladoCA. Assim, as chaves que compoem o CSC naopodem ser acionadas independentemente, e pos-suem sua complementaridade de forma horizontal(Vitorino, 2012).

O PWM utilizado e o unipolar como mos-tra a Figura 7, tal modulacao, alem de reduziro THD, confere uma variacao de corrente menora cada troca de estado. Durante a roda livre dosCSCs o indutor do barramento CC ira se carre-gar, enquanto que o capacitor e indutor do ladoCA do conversor irao descarregar (de Azevedo Ca-valcanti Costa, 2016).

++ ∑

1- 1-

+-

+-

+-

+-

++ ∑

1

ii1*

ii2*

1h

2h

3h

1l

2l

3l

chT

Figura 7: Estrategia de PWM para o CSI.

Na Figura 8, e mostrada a sequencia de con-ducao das chaves para o caso em que (i∗1i > 0,i∗2i > 0 e i∗2i > i∗1i) do conversor, para o perıodoTch de chaveamento com o pulso centrado.

1h1l

2h

2l

3h

3l

chT t t

chT

ii1

*

ii2

*

1

1

1

ii1*

ii2*

ii3*

Figura 8: Sequencia de chaveamento do PWMCSC para i∗1i > 0, i∗2i > 0 e i∗2i > i∗1i.

Para a geracao dos sinais PWM para o CSC,utilizou-se o DSP F28335. Durante a comutacaodas chaves e inserido um tempo morto que atrasa odesligamento da chave durante um pequeno inter-valo de tempo. Na Figura 9, e mostrada a sequen-cia de chaveamento para para i∗1i > 0, i∗2i > 0 e

i∗2i > i∗ii, obtida experimentalmente.

1h

2h

3h

(a) Chaves h1, h2 e h3.

1l

2l

3l

(b) Chaves l1, l2 e l3.

Figura 9: Resultado experimental da sequencia dechaveamento do PWM CSC para i∗1i > 0, i∗2i > 0e i∗2i > i∗1i.

4.2 Estrategia de controle

O controle da tensao de barramento CC, mostradona Figura 10, ajusta a defasagem δ entre a redee a saıda do CSI, de modo a obter a maxima po-tencia transferida do gerador para a rede. Assim,o angulo δ representa o angulo de potencia entrea rede e o conversor e e subtraıdo ao angulo θg,que e calculado pelo PLL (do ingles, phase lockedloop), e o angulo resultante e usado para controledo PWM do CSI. Este controle tambem define oındice de modulacao da corrente fixo, de preferen-cia unitario para se ter a menor corrente de barra-mento, a fim de diminuir as perdas por conducaoexistentes.

PI

FiltroCL

PLL

R

32

PWM

Π Π∑

∑

seno

seno

mi

∑*

* *

CccVcc

Vcc

Vcc

Lcc

Icci1i

i1i

i2i

i2i

i3i

i1s

i2s

i3s

v1s

v2s

v3s

Figura 10: Diagrama de controle para o CSI.

Ao contrario do CSC, o VSC ao utilizar ocontrole direto para controlar a tensao de barra-mento CC, semelhante ao apresentado na Figura10, constatou-se ser inviavel, visto que o controlenao permite que as potencias sejam controladasde forma conjunta, gerando um baixo fator de po-tencia (Borges, 2010). Dessa forma, ao utilizar oVSI, utiliza-se o controle vetorial da corrente quepermite que as potencias ativas e reativas sejamcontroladas de forma desacopladas uma da outra.

Assim, ao comparar ambos os controles parao CSI e para o VSI, nota-se que o controle parao CSI pode ser implementado de forma direta, ee mais simples de ser utilizado. Ja para o VSI, enecessario aplicar o controle vetorial da corrente,tornando-o mais complexo, visto que ha a neces-sidade de se ter duas malhas a mais de controle,tornando-o tambem mais lento.

5 Analise das Simulacoes

Para analisar a operacao do conversor CA-CC-CAhıbrido, e simulado o sistema composto pelo VSRe pelo CSI, conectado a uma fonte do lado do re-tificador que simula o gerador e a fonte do ladodo inversor para simular a rede eletrica, sendo ne-cessario assim o uso de filtros CA. No entanto, aosubstituir a fonte ideal por uma maquina eletricanao e necessario a utilizacao do filtro CA. O con-versor proposto e comparado com o conversor B2BVSC para analise de limites de operacao e ganho.A Tabela 1 lista os parametros utilizados.

Tabela 1: Parametros dos conversores.

Parametros Valor

V1 220 VP3φ 3kWfch 10kHzCcc 300µFCfr 20µFLfr 3mHLcc 20mHCfi 10µFLfi 3mH

5.1 Analise do Ganho de Tensao

O ganho de tensao maximo permitido associado aacao de boost do conversor e dependente do ındicede modulacao da tensao e do ındice de modulacaoda corrente, no entanto deve-se haver um limita-dor de tensao para os ganhos em questao.

A partir das Equacoes (1), (3) e (6), e possı-vel obter expressoes que relacionam os ganhos detensao dos conversores (tensao de saıda/tensao deentrada). Para tal, foi considerado o valor de picoda tensao de linha rms CA (

√2V12) e o valor da

tensao de barramento CC (Vcc).

A Equacao (7) mostra a expressao para o ga-nho da tensao (V12s/V12g) para o B2B VSC.

Gb2b−vsc =V12sV12g

=mvi

mvr, (7)

onde, mvi e o ındice de modulacao do lado do in-versor (saıda) e mvr e o ındice de modulacao dolado do retificador (entrada). Na Figura 11(a),e mostrado o grafico para o ganho da tensao(Gb2b−vsc) em funcao do mvi, variando mvr de0,6 a 1.

Para a topologia proposta, a relacao de ganhoe apresentada na Equacao (8), e e obtida a partirdas Equacoes (3) e (6). Na Figura 11(b), e apre-sentado o grafico para o ganho da tensao (Gh) emfuncao do mi, mantendo mv de 0,6 a 1.

Gh =V12sV12g

=2√

3mvmi

, (8)

0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 mvi

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Gtb2b

vsc m

vr = 0,6

mvr

= 0,7

mvr

= 1,0

mvr

= 0,9

mvr

= 0,8

(a) B2B VSC.

0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 mci

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Gth

mvr

= 0,6

mvr

= 0,7

mvr

= 1,0

mvr

= 0,9

mvr

= 0,8

(b) Conversor Hıbrido.

Figura 11: Relacao de ganho de tensao para o B2BVSC e para o Hıbrido.

Observa-se que para o B2B VSC, a tensao desaıda pode ser igual a tensao de entrada, maior oumenor. Seus limites operacionais, considerando oındice de modulacao minimo de 0,6 e maximo de 1sao: quanto maior mvi e quanto menor mvr menoro ganho; para mvr = mvi o ganho e unitario; e oganho maximo e de duas vezes obtido quando mvi

= 1 emvr = 0.6; e o mınimo ganho e de 0,5 quandomvi = 0,6 e mvr = 1. De forma sucinta, quantomenor mvr maior a acao buck e quanto menor mvi

maior a acao boost.

Para o conversor hıbrido, ha apenas a acaoboost em tensao. Quanto menor o mv e mi, maiorsera o ganho de tensao. O valor maximo obtido ede 4,619 para mv = 0, 6 e mi = 0, 6, ja o ganhomınimo e de 1,155 para mv = 1 e mi = 1.

Para fins comparativos, serao utilizados al-guns pontos de operacao para a simulacao do con-versor B2B VSC e do conversor hıbrido. Na Ta-bela 2, sao apresentados os valores utilizados e osındices de modulacao correspondente: ındice demodulacao no estagio retificador (mr) e no estagioinversor (mi). Para que se possa comparar pon-tos de operacao comuns a ambas topologias semocorrer instabilidade, foram escolhidos como valormınimo de ganho 20% e maximo 50%, utilizandoos valores de ındice de modulacao mais proximosdo unitario possıvel.

Tabela 2: Pontos de operacao.

Ganho de tensao mv mi mvr mvi

50% 0,8 0,96 0,6 0,9840% 0,9 0,91 0,7 0,9130% 0,9 0,98 0,8 0,9620% 1 0,96 0,8 0,96

Na Figura 12(a), e mostrada a relacao entreo rendimento (potencia de saida/potencia de en-trada) no estagio retificador (ηr), inversor (ηi) eno conversor total (ηt) para o conversor B2B VSCe para o conversor hıbrido. A Figura 12(b) mostraa relacao do THD da corrente do gerador (THDr)e o THD da corrente da rede (THDi), para o con-versor B2B VSC e para o conversor hıbrido. Paraambos os casos, a tensao da rede e fixada em 220V por fase e a tensao do gerador e variada.

A partir dos graficos apresentados na Figura13, observaram-se os seguintes aspectos em re-lacao ao rendimento dos conversores: no estagioretificador o rendimento do conversor B2B VSC(ηrvsc) e menor que o rendimento do conversor hı-brido e decai com o aumento do ganho, visto que acorrente e aumentada, logo ocorrem mais perdaspor conducao; no estagio inversor o rendimentodo conversor B2B VSC (ηrvsc) e menor que o ren-dimento do conversor hıbrido (ηrh) e se mantemaproximadamente constante, durante a variacaodo ganho.

No estagio inversor, o rendimento e maior doque no estagio retificador para ambas as topolo-gias, visto que as correntes sao menores nesse es-tagio. No geral, o conversor hıbrido possui umrendimento (ηth) maior que o B2B VSC (ηtvsc),que decai com o aumento do ganho. Ja o B2BVSC possui um rendimento (ηtvsc) relativamentebaixo para o ganho de tensao de 20% a 30% e parao ganho maior que 30% o rendimento aumenta.

Em relacao ao THD, constatou-se que o THDda corrente do lado da rede (THDivsc) para o B2BVSC e muito alto, tornando inviavel para ganhos

ihh

ivschrh

h

rvsch

tvsch thh

(a) Ganho de tensao em funcao do ηr, ηi e ηt.

ivscTHD

rhTHD

rvscTHD ih

THD

(b) Ganho de tensao em funcao do THDr e THDi.

rhTHDrvscTHD

ihTHD

(c) Ganho de tensao em funcao do THDr e THDi ampli-ada.

Figura 12: Comparacao entre os rendimentos eos THD do conversor B2B VSC e do conversorhıbrido.

acima de 20%. Ja o THD da corrente do ladoda rede para o conversor hıbrido (THDih) e re-lativamente baixo, em torno de 3% e se mantemdurante toda a faixa de operacao. Em relacaoao THD da corrente do lado do gerador para oB2B VSC (THDrvsc), nota-se que e menor quandocomparado com o conversor hıbrido (THDih) parao mesmo ganho de tensao.

Dessa forma, pode-se concluir que, devido aofato da corrente do barramento CC do lado doinversor ser a mınima para o conversor hıbrido, oconversor proposto possui menos perdas quandocomparado com o B2B VSC. A conexao do ladoda rede com o CSI se mostrou ser mais eficienteem termos de THD em comparacao com VSI quepossui o THD bastante elevado.

No geral, a corrente do lado do gerador temum THD relativamente baixo para ambas topolo-gias, no entanto para o hıbrido e menor quandoo ganho e superior de 40% e para o B2B VSCe menor quando esta dentro da faixa de 30% a40%. Ja quando se compara em relacao ao rendi-mento, o conversor hıbrido se mostrou mais efici-ente, obtendo seu melhor rendimento para o ga-nho de 20%. Logo a combinacao do VSR e do CSIse mostrou eficiente e com uma taxa de distorcaoharmonica baixa, dentro dos limites especificados.

Em relacao ao conversor B2B CSC, o conver-sor hıbrido possuira menores perdas por condu-cao, e uma melhor conexao com a gerador eletrico,

visto que no CSC e necessario a adicao de filtroscapacitivos do lado do retificador. A relacao deganho do B2B CSC e similar ao do B2B VSC pos-suindo acao boost e buck em tensao, ja o conversorhıbrido possui apenas acao boost.

5.2 Resultados do Conversor Hıbrido (VSR-CSI)

O sistema apresentado na Figura 1 e simulado esao verificadas as formas de onda das tensoes e cor-rentes CA e CC, mostradas na Figura 13. Para tal,considerou-se um ganho de tensao 50% (Ghbrido =1,5) e de 20% (Ghbrido = 1,2).

Nas Figuras 13 (a) e (c), sao observadas ascurvas de tensoes e corrente para o VSR, e nota-se o efeito boost das tensoes e buck das correntes.Na Figura 13 (a) o ındice de modulacao do VSR ede 0,8 ja na Figura 13 (c) o ındice de modulacaoe unitario. Tambem nota-se que quanto maior oganho, maior a corrente e menor o THD, visto quepara obter um ganho maior fixando a tensao desaıda e mantendo a potencia constante, a correntedevera aumentar ja que a tensao de entrada seramenor.

Nas Figuras 13 (b) e (d), nota-se que tantopara o ganho de 50% quanto para o ganho de20%, as formas de onda permaneceram inaltera-das, visto que a tensao para esses casos se manteveconstante de 220 V. E observado tambem o ganhode tensao que se obtem do lado da rede em com-paracao com o lado do gerador.

6 Conclusoes

Neste artigo, e proposto uma topologia hıbridade conversor CA-CC-CA para interligar fontes deenergia, tais como geradores eolicos. A topolo-gia proposta e composta de um conversor fontede tensao do lado do gerador e de um conversorfonte de corrente do lado da rede. Para o controledo lado da rede, destaca-se o fato de que a manu-tencao da tensao do barramento CC, na medidaem que a corrente do barramento CC diminui, foipossıvel, ajudando assim a diminuir as perdas porconducao, nesse tipo de conversor.

O conversor CSI se mostrou mais eficientepara a conexao com a rede eletrica quando com-parado ao VSI, visto que apresentou-se com umbaixo THD para toda a faixa de operacao, assim,nao ha necessidade de um filtro LCL, nem de umcontrole vetorial da corrente, podendo a correnteser controlada de forma direta. O CSI tambempossui protecao contra curto-circuito e menoresperdas por chaveamento.

Ja do lado do gerador, o VSR e mais eficientepor possuir baixas perdas por conducao e baixoTHD. O VSR tambem possui maior facilidade deconexao quando conectado a maquinas eletricas,eliminando o uso de filtros CA.

ccI

ccV12gv

gi1

2gi 3gi

1gv

(a) VSR com ganho de tensao 50%.

ccI

ccV12sv

si1 2si

3si

1v

(b) CSI com ganho de tensao 50%.

ccI

ccV12gv

gi1 2gi 3gi

1gv

(c) VSR com ganho de tensao 20%.

ccI

ccV12sv

si1

2si 3si

1sv

(d) CSI com ganho de tensao 20%.

Figura 13: Curvas da tensao e corrente CA e CC para o conversor hıbrido.

Dessa forma, o sistema proposto combina asvantagens do conversor fonte de tensao e do inver-sor fonte corrente, possuindo uma protecao con-tra curto-circuito, maior eficiencia e menor taxade distorcao harmonica quando comparado como B2B VSC, e um grau de liberdade maior paraoperacao nas quais seja necessario ganho de ten-sao. Tambem constatou-se, atraves de resultadosexperimentais, a implementacao do PWM do VSRe do CSI utilizando o mesmo DSP F28335 para aconexao do conversor hıbrido.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao apoio da PPgEE-COPELE pelo suporte necessario durante este tra-balho.

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