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CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A presente tese contribui para a análise, modelagem e projeto de controladores discretos de um sistema de geração fotovoltaico de 30 kWp conectado à rede elétrica sem filtros passivos. O conversor fonte de tensão (VSC) de interface é interligado a rede elétrica usando somente as indutâncias de dispersão de um banco de transformadores monofásicos como filtros harmônicos. Modelos discretos são desenvolvidos tanto para o lado CC quanto para o lado CA do conversor. A modelagem do lado CA foi feita nos sistemas de coordenadas αβ0 e dq0. Já a modelagem da dinâmica do lado CC foi feita no sistema de coordenadas dq de acordo com balanço de potência entre os terminais do VSC. Baseado nos modelos obtidos, duas estratégias básicas foram investigadas e discutidas para projetar os compensadores discretos usados para controlar as correntes sintetizadas por um sistema de geração fotovoltaico no modo de corrente. Resultados experimentais mostram que o uso apenas de controladores lineares, proporcional–integral (PI) e proporcional–ressonante (PR), sintonizados na componente fundamental não é suficiente para manter a qualidade das correntes geradas dentro dos padrões internacionais, devido a operação não linear do transformador de conexão. Para contornar o problema anterior duas soluções foram investigadas: (i) inclusão de múltiplos controladores ressonantes nas coordenadas αβ; e (ii) inclusão de um controlador repetitivo em paralelo com o controlador PI nas coordenadas dq. Resultados experimentais mostraram que ambas estratégias são adequadas para compensar as componentes harmônicas. Finalmente, foi proposta uma estratégia para controlar o conversor durante faltas assimétricas (Fault–ride through) e eliminar as oscilações no barramento CC durante condições de desbalanço. O controlador proposto é composto por uma parcela PI e duas parcelas ressonantes, as quais controlam as componentes média e oscilante, através da injeção correntes de sequencia positiva e negativa na rede, respectivamente. Resultados de simulação mostram que o controlador proposto é adequado para eliminar as oscilações no barramento CC sem prejudicar as estabilidade do sistema. The current thesis contributes to the analysis, modelling and design of discrete time controllers which aim is to control a 30 kWp photovoltaic dispersed generation system connected to the electric grid without passive filters. In fact, the interface voltage– sourced converter (VSC) is connected to the grid using only the leakage inductance of a single–phase transformer bank as harmonic filters. Initially, discrete time models are developed to the converter’s DC–side as well as to the AC–side. The AC–side modelling is performed on αβ0 and dq0 coordinate systems. On the other hand, the DC–side dynamics are modeled on the dq frame according to the power balance between the converter’s terminals. Based on the models obtained, strategies to control the converter in the current mode control on the αβ and dq are developed and a methodology to design the controllers are addressed in details. Experimental results shown that only the use of linear controllers, proportional–integral (PI) and proportional–resonant (PR), tuned on the fundamental component are not sufficient to guarantee the quality of the generated currents according to international standards. This is due to the operation of the connection transformer in a nonlinear region. In order to overcome this drawback, two solutions are taken into account: (i) inclusion of several parallel resonant controller in αβ frame; and (ii) inclusion of a repetitive controller in parallel with the PI controller in the dq frame. Experimental results shown that both strategies are suitable to compensate the harmonic components on the output current. Finally, a strategy is proposed to control the system under asymmetrical faults (fault–ride through) and to mitigate the voltage oscillation on the DC–side during unbalance conditions. The proposed controller is composed of a PI part and two resonant parts, which controls the average and the oscillating voltage components, through the injection of positive and negative sequence currents into the grid, respectively. Simulation results shown that the proposed controller is suitable to mitigate the DC–side voltage oscillations without jeopardizing the system stability.

Esta dissertação apresenta uma estratégia de controle para sistemas de geração fotovoltaicos, de único estágio, trifásicos, conectados à rede elétrica de distribuição. São desenvolvidos modelos matemáticos para representar as características dinâmicas dos painéis fotovoltaicos, do conversor fonte de tensão (VSC -“Voltage Source Converter”) e da rede de distribuição. A modelagem do sistema de geração disperso (SGD) é feita no sistema de coordenadas síncrono (dq), fornecendo um sistema de equações diferenciais que pode ser usado para descrever o comportamento dinâmico do sistema quando as tensões da rede estão equilibradas ou desequilibradas. O conversor é controlado no modo de corrente, através da estratégia de modulação vetorial (Space Vector Modulation - SVM). São projetadas duas malhas de controle em cascata para controlar o conversor estático. A malha interna controla a corrente injetada na rede enquanto que a externa controla a tensão no barramento CC do conversor. O controle da tensão CC permite rastrear o ponto de máxima potência do painel PV além de controlar a quantidade de potência ativa injetada na rede CA. Um método ativo de detecção de ilhamento baseado na injeção de corrente de sequência negativa é incorporado ao sistema de controle. Resultados de simulações digitais obtidos com o programa ATP (Alternative Transient Program ) são utilizados para validar os modelos matemáticos e as estratégias de controle. Finalmente, um protótipo experimental de pequena escala é montado em laboratório. Todo o sistema de controle do protótipo experimental foi implementado no DSP TMS320F28212. Os resultados obtidos demonstram o funcionamento do sistema e podem ser usados para validar a estratégia de controle utilizada. This dissertation presents a control strategy for a single-stage, three-phase, photovoltaic systems to be connected to a distribution network. Mathematical models are developed to represent the dynamic characteristics of the photovoltaic panels, the voltage-source converter (VSC) and the distribution network. The modeling of the dispersed generation system (DGS) is done in the synchronous reference frame (dq), providing a system of differential equations that describes the dynamic behavior of the system when the network voltages are balanced or unbalanced. The converter is controlled in current mode through the space vector modulation (SVM) strategy. Two control loops are designed to control the static converter. The inner loop controls the injected current into the network while the external loop controls the converter DC bus voltage. The DC voltage regulator allows to track the PV maximum power point and to control the active power injected into the AC grid. An active islanding detection method based on negative-sequence current injection is incorporated into the control system. Digital simulations results obtained with Alternative Transients Program (ATP) is used to validate the mathematical models and the control strategies. Finally, a small-scale experimental prototype is implemented in the laboratory. The whole control system of the experimental prototype was programmed in DSP TMS320F2812 of Texas Instruments. The results demonstrate that the operation of the system can be used to validate the applied control strategy.

O sistema energético mundial atualmente passa por uma grande transição na qual conversores eletrônicos de potência ganham cada vez mais importância. Nesse contexto, conversores de fonte de tensão assim como sua associação em um conversor BTB, são bastante comuns e têm ganhado relevância. Essa dissertação de mestrado então apresenta a modelagem matemática desses dois conversores em uma estratégia de representação multivariável. Dois sistemas-teste são projetados: um sistema composto de um conversor fonte de tensão conectando a rede CA ao barramento CC, onde uma fonte de corrente CC é utilizada para representar o perfil de potência de uma microrrede CC, e um sistma composto de um conversor BTB que interconecta dois sistemas CA. Para o primeiro sistema duas estratégias de controle multivariável são apresentadas: um regulador linear quadrático (LQR) e de um controlador robusto, baseado na alocação de polos através de desigualdades matriciais lineares. Ambos os controladores são projetados para que o conversor tolere um fluxo de potência bidirecional. Já para o segundo sistema, um único controlador é projetado, também baseado na alocação de polos através de desigualdades matriciais lineares. Neste caso, o controlador é projetado para que o conversor BTB possa lidar com fluxo bidirecional de potência, além de incertezas e distúrbios nos parametros que compõe o sistema AC conectado a um dos terminais do conversor. Ambos os sistemas são implementados em um ambiente de simulação digital e as respostas dinamicas são avaliadas e comparadas. The world’s energy system is currently undergoing a major transition in which power eletronic converters gain more importance. In this context, voltage-sourced converters just like their association on Back-To-Back converters, are rather common and have gained more relevance. This master thesis then presents the mathematical modeling of both converters in a multivariable representation strategy. Two test systems are designed: one system composed of a voltage-sourced conveter connecting an AC grid to a DC bus, in which a DC current source is used to represent the power profile of a DC microgrid, and a system composed of a BTB converter that interconnects two AC systems. For the first system, two multivariable control strategies are presented: a linear quadratic regulator (LQR) and a robust controller which is based on pole placement via linear matrix inequalities. Both controllers are designed so the converter might deal with a bidirectional power flow. For the second test system, one single controller is designed and it is based on pole placement via linear matrix inequalities. In this case, the controller is designed so the BTB converter might deal with bidirectional power flow, while being resilient against uncertainties and disturbances in the parameters that compose the AC system connected to one of the converter’s terminals. Both systems are implemented in a digital simulation environment and their dynamic responses are assessed and compared

Este trabalho apresenta um estudo do conversor back-to-back (BTB) na perspectiva multivariável. Sistemas multivariáveis possuem algumas características particulares e, portanto, diferentes de plantas com única entrada e única saída (do inglês, single-input- single-output) (SISO). Logo, antes de estudar o BTB como um sistema de múltiplas entradas e múltiplas saídas (do inglês, multiple-inputs multiple-outputs) (MIMO), o trabalho revisita os principais conceitos de sistemas MIMO e apresenta diretrizes para analisar e controlar sistemas eletrônicos de potência multivariáveis. A principal diferença entre a análise de sistemas SISO e MIMO é a presença de direções. Sistemas MIMO lidam com vetores e, por este motivo, o ganho saída/entrada além de depender da frequência é afetado pela direção do vetor de entrada. Neste sentido, o conceito de valor singular máximo e mínimo são abordados como parte fundamental na análise e controle de plantas multivariáveis. Com a decomposição de valores singulares encontra-se as direções nas quais um sistema não-quadrado não pode ser controlado. A partir de outros conceitos, é possível definir, em plantas que possuem mais saídas que entradas, quais variáveis de saída não podem ser controladas. Neste trabalho é adotado o controle centralizado uma vez que é possível otimizar todo o sistema de controle, o que não é factível na estratégia descentralizada. Neste contexto, o regulador linear quadrático (do inglês, linear quadratic regulator) (LQR) se torna uma alternativa interessante devido às suas propriedades de robustez, desempenho e fácil implementação. O BTB é estudado em duas diferentes aplicações: i) conectado a duas redes elétricas de corrente alternada (CA) e ii) alimentando cargas isoladas. Para cada topologia um modelo detalhado em espaço de estados é desenvolvido e suas principais características analisadas através de ferramentas MIMO. Um projeto sistemático é proposto para direcionar a escolha das matrizes de pesos do LQR utilizado para projetar a lei de controle de ambas estruturas. O critério é baseado na análise da resposta em frequência dos valores singulares das matrizes de sensibilidade, de sensibilidade complementar, de sensibilidade a distúrbios e na minimização de suas normas infinitas. Resultados experimentais são apresentados para validar a abordagem teórica e verificar a eficácia do controle proposto. This thesis presents a study on back-to-back converter based on the multivariable system perspective. Multivariable systems have some unique characteristics. Thus, before studying the converter as a MIMO system, the work reviews the main concepts of MIMO systems and presents guidelines for analyzing and controlling multivariable power electronic converters. The main difference between the SISO and MIMO systems is the presence of directions. As the SISO system is one-dimensional, the output/input gain is a function only of the frequency value. MIMO systems deal with vectors and, as a consequence, the output/input gain not only depends on the frequency value but is also affected by the input vector direction. In this sense, the concept of maximum and minimum singular values are addressed as a fundamental part of analysis and control of multivariable plants. With the singular values decomposition, it is possible to find the directions in which a non-square system cannot be controlled. Based on other MIMO tools, it is possible to define, for plants that have more outputs than inputs, which outputs cannot be controlled. In this work the centralized control approach is adopted because it allows the overall control law optimization, which is not possible when the decentralized technique is used. In this context, the linear quadratic regulator becomes an interesting alternative due to its robustness and performance properties as well as easy implementation. The BTB topology is studied as a multivariable system in two different applications: i) interfacing two AC grids and ii) feeding local loads. For each system a comprehensive state-space model is developed and its main characteristics analyzed from a multivariable point of view. A systematic design is proposed to guide the choices of LQR weighting matrices. The criterion is based on the analysis of the singular values of the sensitivity, complementary sensitivity and disturbance sensitivity matrices and on the minimization of their infinity norms. Experimental results are presented to validate the theoretical approach and to show the effectiveness of the proposed multivariable control.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Este trabalho apresenta contribuições ao controle e à operação de compensador estático síncrono trifásico baseado no conversor multinível modular para aplicações em redes elétricas modernas. Inicialmente, uma estratégia de energização é proposta para o compensador estático síncrono. O circuito de energização é composto por um controlador e dois tiristores conectados em paralelo com os contatos da chave mecânica usada para conectar o conversor à rede elétrica. Durante a primeira etapa de energização os capacitores CC dos polos positivo e negativo de duas fases do conversor são carregados com a corrente drenada da rede elétrica. O valor máximo da corrente de energização é controlado pelo ângulo de disparo dos tiristores. O modelo matemático desenvolvido permite obter uma curva característica de energização que relaciona a tensão terminal CC do conversor estático e o ângulo de disparo dos tiristores. Esta curva característica é representada por uma aproximação linear por partes para reduzir o esforço computacional do método de controle da corrente de energização. Durante as próximas etapas de energização, semicondutores específicos do conversor são comutados para que os capacitores CC dos submódulos dos outros polos do conversor recebam parte da energia armazenada nos capacitores previamente carregados durante a primeira etapa de energização. Posteriormente, malhas de controle de corrente e tensão, baseadas em modelos matemáticos no sistema síncrono de coordenadas, são apresentas para controlar o compensador estático de forma a regular a tensão de sequência positiva e compensar as tensões de sequências negativa e zero no ponto de acoplamento comum. Ainda, as malhas de controle usadas para regular a tensão terminal CC e compensar as correntes circulantes do conversor multinível modular são também apresentadas. Por último, uma metodologia de avaliação do desequilíbrio de tensão de um consumidor é apresentada e transformada para o domínio do tempo. Desta forma, as equações dinâmicas desenvolvidas são incorporadas ao controlador do compensador estático de maneira a compensar apenas os desequilíbrios de tensão de sequências negativa e zero causados pelo consumidor conectado ao ponto de acoplamento comum. This work presents contributions to the operation and control of three-phase modular multilevel static synchronous compensators for applications in modern electric networks. Firstly, an energization strategy is proposed for the static synchronous compensator. The energizing circuit comprises a controller and two thyristors shunt-connected to the contacts of the mechanical switch used to connect the converter to the electric network. At the first energizing stage the lower and upper arm DC capacitors of two phases of the converter are charged with a current drained from the mains. The maximum value of the energizing current is controlled by the thyristors firing angle. The developed mathematical model allows to obtain an energization characteristic curve that relates the DC terminal voltage of the static converter and the thyristors firing angle. This characteristic curve is represented by a piece-wise linear approximation in order to reduce the computational effort of the energizing current control method. In the following energization stages specific converter’s semiconductors are switched so that the submodule’s DC capacitors of the other converter’s arms receive part of the energy stored in the capacitors already charged during the first energizing stage. Posteriorly, current and voltage control loops, based on mathematical models in the synchronous reference frame, are presented to control the static compensator in order to regulate the positive-sequence voltage and to compensate the negative- and zero-sequence voltages at the point of common coupling. Moreover, control loops used to regulate the DC terminal voltage and to compensate the circulating currents of the modular multilevel converter are also presented. Lastly, a consumer voltage unbalance assessment methodology is presented and adapted to the time domain. Then, the developed dynamic equations are incorporated into the controller of the static compensator in order to compensate for only the negative- and zero-sequence voltage unbalances caused by a consumer connected to the point of common coupling.

A instalação de sistemas de geração distribuída, como a energia fotovoltaica e energia eólica, conectado à rede elétrica está em crescimento e, para sua conexão, são necessários conversores de potência junto a métodos de controles. Atualmente, o uso do controle preditivo está em desenvolvimento, principalmente para aplicações em eletrônica de potência. O controle preditivo baseado em modelo é abordado nessa dissertação devido a sua rápida resposta dinâmica, facilidade de incluir restrições e não linearidades, torna o sistema totalmente desacoplado, considera os casos multivariáveis e apresenta fácil implementação. Dessa forma, o presente trabalho apresenta a aplicação do controle preditivo baseado em modelo a um conversor com filtro LCL conectado à rede. Este controle prevê o comportamento futuro das variáveis de controle e, com essa informação, escolhe o melhor estado de comutação do conversor de acordo com a minimização de uma função custo. No entanto, é necessário elaborar o modelo matemático do sistema, onde foi desenvolvido utilizando o método de espaço de estados e posteriormente discretizado. As equações que descrevem o modelo foram descritas nas coordenadas naturais abc e posteriormente transformadas para as coordenadas estacionárias αβ através da transformada de Clarke. Para amortecer a ressonância intrínseca do filtro LCL, é detalhado o projeto de uma estratégia de amortecimento ativo baseada no resistor virtual, bem como a inclusão dessa restrição na função custo do controle preditivo. Adicionalmente, distúrbios foram inseridos na rede elétrica e técnicas afins de minimizá-los foram propostas. Finalmente, resultados de simulação são utilizados para avaliar o método proposto e mostrar sua eficácia. The installation of distributed generation systems, such as photovoltaic energy and wind energy, connected to an electrical grid is in full growth and, for its connection, power converters are necessary together with control methods. Currently, the use of predictive control is in full development, mainly for applications in power electronics. There are several types of predictive control, however the model predictive control (MPC) is addressed in this dissertation due to its fast dynamic response, ease of including restrictions and nonlinearities, makes the system fully decoupled, considers multivariable cases and presents easy implementation. Thus, the present work presents deal with the MPC applied to a grid-connected converter with LCL filter. The MPC predicts the future behavior of the controlled variables and with this information chooses the best switching state according to a cost function optimization. However, before applying the MPC method it is necessary to develop the mathematical model of the system, where the state space method was used for later discretization. The equations that describe the model were first written in the abc natural coordinates and later transformed to the αβ stationary coordinates using the Clarke transform. In order to avoid the intrinsic resonance of the LCL filter, a design of an active damping strategy based on virtual resistor is detailed, as well as the inclusion of this restriction in the predictive control cost function. In addition, disturbances were inserted into electrical grid and techniques in order to mitigate them were proposed and applied. Finally, simulation results are used to validate the proposed method and to show its effectiveness.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Este trabalho propõe um estudo teórico e experimental relacionado com as perdas de comutação em transistores de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor (MOSFET) de potência. O trabalho aborda uma revisão das principais técnicas publicadas, aprimoramento dos métodos analíticos em relação às perdas de comutação, bem como análises experimentais e teóricas envolvendo MOSFETs Si e SiC convencionais. Inicialmente, é apresentada uma revisão abrangente da literatura técnica sobre os principais e diferentes tipos de perdas observadas em transistores. Três métodos selecionados, focados na previsão analítica de perdas de comutação, são revisados e um estudo experimental de comparação é apresentado. Uma nova metodologia é proposta com o objetivo de estimar as perdas de comutação do MOSFET, considerando indutâncias parasitas e alguns parâmetros não lineares do dispositivo, como capacitâncias de junção dependentes da tensão entre dreno e fonte. Para validar experimentalmente as perdas teóricas estimadas de comutação, um protótipo de circuito de pulso duplo foi projetado e avaliado. As perdas de comutação do dispositivo sob teste foram medidas por meio de sondas de osciloscópio especialmente ajustadas. Para esse fim, foi desenvolvida uma abordagem de detecção de inclinação, visando mitigar atrasos assíncronos, que geralmente ocorrem nesses experimentos e podem fornecer medições erráticas. O estudo revela uma concordância entre as perdas estimadas pelo método experimental e as simulações teóricas obtidas pelo método proposto. Além disso, foi adotado um método probabilístico, baseado em simulações não sequenciais de Monte Carlo. A eficácia do modelo foi avaliada pelo comportamento de várias unidades de duas marcas comerciais diferentes de MOSFETs operando sob diferentes níveis de tensão e corrente. O método analítico melhorado resultou em erros de estimativas nas perdas inferiores a 20%. Já empregando o método de Monte Carlo, se alcançou erros menores que 12,5% para o estudo resumido que foi realizado, mostrando ser uma ferramenta eficaz para a determinação da estimativa de perdas com base em processos estocásticos. Por fim, são discutidas as principais contribuições deste trabalho e apresentadas as propostas de trabalhos futuros. This work proposes a theoretical and experimental study related to switching losses in field-effect transistor metal-oxide semiconductor (MOSFET) power devices. The work addresses a review of the main published techniques, improvement of analytical methods regarding commutation losses as well as experimental and theoretical analysis involving conventional Si and SiC MOSFETs. Initially, a comprehensive review of the technical literature concerning the main different kind of transistor losses, are shown. Three selected methods, which are focused on analytical prediction of switching losses, are revised and an experimental comparison study is presented. A new methodology is proposed aiming the estimation of MOSFETs switching losses, while considering parasitic inductances and some device nonlinear parameters, such as voltage-dependent junction capacitances. To experimentally validate the theoretical estimated switching losses, a double-pulse circuit prototype has been designed and evaluated. The device under test switching losses have been measured by means of especially adjusted oscilloscope probes. For this purpose, a de-skew probe approach has been developed seeking to mitigate asynchronous delays, which commonly arises in those experiments and could provide wrong measurements. The study reveals an agreement between the experimental estimated losses and the theoretical simulations obtained by using the proposed method. Moreover, a probabilistic method has been adopted, which is based on non-sequential Monte Carlo simulations. The model effectiveness has been evaluated by the behavior of several units of two different commercial MOSFETs brands at different voltage and current levels. The improved analytical method has resulted in errors of losses estimation below 20%. On the other hand, by using the Monte Carlo method, the errors remained 12.5%, attesting the effectiveness of losses estimation based on stochastic processes. Finally, the main contributions of this work are discussed and the proposals for future works are presented.

Estudos relacionados a microrredes vêm crescendo consideravelmente nos últimos anos, se tornando um dos tópicos de pesquisa mais recentes no campo da engenharia elétrica, tanto no Brasil como no exterior. Neste contexto, este trabalho apresenta a modelagem e o controle de uma microrrede em corrente alternada alimentada diretamente por uma unidade de geração fotovoltaica e um sistema de armazenamento de energia, operando no modo conectado e ilhado da rede elétrica. O algoritmo Perturba e Observa é utilizado para rastrear o ponto de máxima potência do conjunto fixo de painéis solares fotovoltaicos. O sistema de armazenamento de energia é utilizado devido à intermitência da geração fotovoltaica e está presente durante todo o funcionamento da microrrede, garantindo o controle de tensão no barramento de corrente contínua. A topologia do conversor, que faz interface entre o barramento de corrente contínua com a rede elétrica, é de um único estágio, e este apresenta como principal característica a sua multifuncionalidade: quando conectado à rede elétrica, atuando no modo supridor de rede, operando como fonte de corrente, controlando a corrente injetada no ponto de acoplamento comum. Entretanto, no modo formador de rede, ilhado da rede elétrica, o conversor opera como fonte de tensão, controlando amplitude e fase da tensão no ponto de acoplamento comum. A estrutura do conversor utilizada é a mesma em ambos os modos de operação, alterando apenas as estrategias de controle. A transição do modo de operação e controle é realizado com o auxílio da técnica de detecção de ilhamento baseada na injeção de corrente de sequencia negativa, sendo a abertura da chave, que faz conexão com a rede elétrica, realizada quando o nível de sequencia negativa da tensão após o ilhamento ultrapassa o limite de operação nominal. A modelagem do sistema proposto é feita em espaços de estados e o seu controle em realimentação de estados, cujos ganhos foram encontrados utilizando o regulador quadrático linear. Foram realizados testes de simulação para a validação do sistema, que comprovaram a eficacia do conversor multifuncional e também do sistema de armazenamento de energia. Além disso, resultados experimentais do conversor no modo formador de rede também demonstraram resultados satisfatórios. Studies related to microgrids have grown considerably in recent years, becoming one of the most famous research topics in the field of electrical engineering, in Brazil and abroad. In this context, this work presents the modeling and control of an alternating current microgrid fed directly by a photovoltaic generation unit and an energy storage system, operating in the connected and isolated mode from the electrical grid. The Perturb and Observe algorithm is used to track the maximum power point of the fixed set of photovoltaic solar panels. The energy storage system is used due to the intermittency of photovoltaic generation and is used during all operation of the microgrid ensuring DC link voltage control. The topology of the converter, which interfaces between the direct current bus and the electrical grid, is a single stage, and its main feature is its multifunctionality: when connected to the electrical grid, acting in the grid supplying mode, operating as current source, controlling the current injected into the point of common coupling. However, in the grid forming mode, isolated from the electrical grid, the converter operates as a voltage source, controlling the amplitude and phase of the voltage at the common coupling point. The structure of the converter used is the same in both operating modes, changing only the control strategies. The transition from the operation and control mode is carried out with the help of the islanding detection technique based on the negative sequence current injection, with the opening of the switch, which connects to the electrical grid, performed when the level of negative sequence of the voltage after islanding exceeds the rated operating limit. The modeling of the proposed system is performed in state spaces and its control based on full state feedback, whose gains were found using the linear quadratic regulator. Simulation tests were carried out to validate the system, which proved the efficiency of the multifunctional converter and also the energy storage system. In addition, experimental results of the converter in the network forming mode have also shown satisfactory results.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Esta tese de doutorado trata de aplicações de condicionamento de energia em circuitos elétricos bifásicos a três fios oriundos de sistemas trifásicos a quatro fios. Esse tipo de aplicação pode ser útil no futuro em redes modernas de energia, em especial para consumidores residenciais e pequenas instalações comerciais. Uma adaptação da Teoria pq é proposta como forma de utilizar os conceitos de potências instantâneas em circuitos bifásicos a três fios. Uma transformação linear é proposta para mapear tensões e correntes bifásicas para o sistema de coordenadas ortogonais ab. Análises matemáticas no domínio do tempo são utilizadas como forma de apresentar o comportamento das potências instantâneas bifásicas, bem como sua interpretação, sendo comparadas com conceitos encontrados na literatura de potências instantâneas monofásicas e trifásicas. Os conceitos de potências bifásicas são utilizados para projetar algoritmos de controle conversores conectados em paralelo à rede elétrica, especialmente para realizar funções de filtro ativo de potência. É também proposto um algoritmo de detecção da tensão de sequência positiva, na frequência fundamental através da medição de duas tensões de fase apenas. Duas diferentes estratégias de controle são apresentadas para controle do filtro ativo paralelo: estratégia de operação duplo monofásico e a estratégia de mitigação da corrente de neutro. O detector de sequencia positiva adaptado para sistemas bifásicos foi implementado em um protótipo de laboratório e os resultados experimentais obtidos são usados como validação da estrutura proposta. Estudos de simulação foram também realizados para avaliar os algoritmos de controle propostos como um todo. Os resultados obtidos confirmaram a eficácia das estratégias de controle propostas para compensação de correntes harmônicas, potência reativa e desequilíbrios de correntes causados pela carga bifásica. Além disso, é mostrado que a estratégia de compensação para corrente de neutro zero é útil para evitar ou reduzir desequilíbrios de sequência zero em redes de distribuição e microrredes. As propostas para a continuação desta pesquisa incluem o aprofundamento da implementação experimental, aplicações de injeção de potência ativa na rede elétrica e medições de campo para quantificar a influência de desequilíbrios de sequência zero nos sistemas de controle propostos. This doctoral thesis deals with power conditioning applications in two-phase three-wire electric circuits derived from three-phase four-wire systems. This kind of application can be useful in modern electricity networks, specially for residential and small commercial consumers. An adaptation of the pq Theory is proposed to use the concepts of instantaneous powers in twophase three-wire circuits. A linear transformation is proposed to map two-phase voltages and currents into an orthogonal ab reference frame. Time-domain mathematical analyses are used to present the behaviour and interpretation of two-phase instantaneous powers, comparing the proposed definitions with single-phase and three-phase instantaneous powers theories found in the literature. The concepts of two-phase instantaneous powers are used to design algorithms to control a shunt grid-connected converter, specially to be used as active power filter. It is also proposed an algorithm to detect fundamental-frequency positive-sequence voltages by measuring only two phase-voltages of the grid. Two different strategies are presented to control the shunt active power filter: double single-phase strategy and zero neutral current strategy. The adapted two-phase positive-sequence detector is implemented in a laboratory prototype and experimental results validate the effectiveness of the proposed positive-sequence detector. Simulation studies are also performed to validate the proposed control algorithms for two-phase power conditioning equipment. The obtained results confirm the effectiveness of the two proposed control strategies to compensate load reactive power and currents’ harmonic components and unbalances. Furthermore, the zero-neutral current strategy shows to be suitable to avoid or reduce zero-sequence unbalances in distribution grids and microgrids. Proposals for future studies include further experimental implementation, active power injection applications and field measurements to evaluate the influence of zero-sequence voltage unbalances in the proposed controllers.

A necessidade de uma corrente de alta precisão para alimentação das cargas magnéticas em aceleradores de partículas traz como objeto de estudo diferentes estratégias de controle. Esta dissertação apresenta a análise e síntese de uma técnica de controle moderno e discreto baseada em realimentação de estados aplicado a um protótipo de fonte de alimentação de cargas magnéticas do Sirius. A fonte é formada por associações em série e/ou em paralelo de módulos para que, em conjunto, atendam as exigências de tensão e de corrente dos magnetos. O módulo é constituído de dois estágios de conversores estáticos, um de entrada e outro de saída. A topologia do estágio de saída consiste de um conversor em ponte completa associado a um filtro de terceira ordem. O modelo matemático é discutido e verificado por um conjunto consistente de simulações computacionais. A discretização da planta associado ao emprego do Regulador Linear Quadrático Digital proporcionou alocar os polos de malha fechada no procedimento de projeto de controle digital dos módulos. Em virtude das limitações relacionadas à quantidade de variáveis monitoradas, foi utilizado um observador de estados de ordem reduzida para viabilizar a implementação e teste em um Controlador Digital de Sinais do protótipo fornecido pelo Laboratório Nacional de Luz Síncrotron. Nos ensaios experimentais foi possível constatar que a quantidade de operações matemáticas cresce significativamente com a associação de módulos e pode comprometer a execução em tempo real das rotinas de controle. No entanto, a técnica de subamostragem possibilita o controle da associação de módulos. Os resultados em bancada do protótipo confirmam os resultados de simulação e permitem avaliar os benefícios e limitações da aplicação do controle digital e moderno na fonte de corrente. The need for a high precision current to feed the magnetic load in particle accele-rators brings as object of study different control strategies. This dissertation presents the analysis and synthesis of a modern and discrete time control technique based on state feedback applied to a power supply magnetic prototype of Sirius. Series and / or parallel associations of modules of lower power form the source in a way that, together, they reach voltage and current requirements of the magnets. The module consists of two stages of static converters, one of input and one of output, which the control of the second is object of study of this work. The topology consists of a full bridge con-verter associated with a third order filter. The mathematical model of the prototype is described and verified by a consistent set of computational simulations. This plant’s discretization enabled the use of the Digital Quadratic Linear Regulator to allocate the closed loop poles in the design process of digital control of the sources. Due to the specific limitations related to the Digital Signal Controller of the prototype, a reduced order observer was used to reduce the number of monitored signals. Modern and di-gital control strategy was tested in the prototype provided by LNLS. It was possible to verify that the number of mathematical operations increases significantly with the association of modules and can compromise the execution in real time of the control routines. Therefore, subsampling technique made it possible to control the serial asso-ciation of two modules. Experimental results confirm the simulation results and allow to evaluate the benefits and limitations of the application of modern and digital control in the current source.

A presente dissertação apresenta uma abordagem de controle ótimo para controlar a tensão de saída de uma microrrede isolada. Essa microrrede é alimentada através de um conversor fonte de tensão de dois níveis com filtro de saída LC. O principal objetivo dessa microrrede isolada é alimentar as cargas locais independente da sua natureza, lineares, não-lineares, balanceadas ou não. Neste contexto, esta dissertação mostra a modelagem matemática do sistema, feita no sistema de coordenadas estacionário (αβ0) em equações do espaço de estados. Para o disparo dos dispositivos semicondutores é utilizada a técnica modulação por vetor espacial (do inglês, space vector modulation) (SVM). Jápara o controle da tensão no Ponto de Acoplamento Comum (do inglês, point of common coupling) (PCC) são usados módulos de controladores ressonantes digitais, cuja modelagem matemática também é realizada no espaço de estados. Desse modo, para calcular os ganhos de realimentação, utilizou-se o método regulador linear quadrático digital (do inglês, digital linear quadratic regulator) (DLQR). Este permite alocar os polos de malha fechada do sistema de forma sistemática e ótima. Dessa forma, a escolha das matrizes Q e R irádeterminar a dinâmica do sistema, tanto como o esforço exercido pelo controlador. Essas matrizes ponderam a influência das variáveis de estado e das variáveis de controle, respectivamente. E as mesmas são determinadas através de análises feitas no domínio da frequência utilizando técnicas como Diagrama de Bode e de Nyquist. Jáa implementação do sistema de controle é feita usando o processador digital de sinal (do inglês, digital signal processor) (DSP) de ponto flutuante TMS320F28335. Além disso, um protótipo em pequena escala foi desenvolvido em laboratório para avaliar a eficácia do controle proposto. Resultados experimentais foram obtidos para validar o funcionamento da estratégia proposta. This dissertation presents an optimal control approach to regulate the output vol-tage of an islanded microgrid. This microgrid is fed through a two level voltage source converter with an output LC filter. The main goal of the islanded microgrid is to feed local loads, irrespective their nature, linear, non-linear, balanced or not. In this context, this dissertation presents the system mathematical modelling, performed in the stationary reference frame (αβ0), in state space equations. The converter is con-trolled in voltage mode and pulse width modulation pattern is done using space vector modulation strategy. For the voltage control in the Point of Common Coupling (PCC) multiple digital resonant controller modules in state space are designed. In this way, the digital linear quadratic regulator technique is used to calculate the feedback gains. This method allows to place the closed-loop poles systematically and optimally. The choice of matrices Q and R determine the system dynamics and control effort. These aforementioned matrices ponders the influence of the state variables and the control va-riables, respectively. They are chosen based on the frequency domain analysis, through Bode and Nyquist diagrams. The control implementation is done using the floating pointing digital signal processor TMS320F28335. Moreover, a small scale prototype was developed in laboratory to evaluate the effectiveness of proposed control. So, the experimental results were obtained to illustrate and to validate the operation of the proposed strategy.

Neste documento é apresentado um estudo sobre Transferência Indutiva de Potência, em baixas frequências, para aplicação em alimentação de sistemas subaquáticos isolados, com enfoque para Veículos Autônomos Subaquáticos (AUV). Para realizar a transferência de energia “sem fios” entre fonte e carga, um Transformador de Núcleo Separado (TNS) foi confeccionado. Dessa forma, o carregamento das baterias de um AUV pode ser feito durante o processo de docagem, com o veículo na água. Devido ao entreferro elevado, a tensão de saída e eficiência do TNS são comprometidos. Logo, um estudo para projetar e otimizar compensação de parâmetros do TNS, a partir da escolha da frequência de excitação e de capacitâncias em série e paralelo, é apresentado para definir um ponto de operação em que o transformador seja capaz de alimentar a carga com boa eficiência. Em virtude dos desalinhamentos entre a fonte e o AUV, que podem ocorrer durante a docagem, os parâmetros do TNS sofrem variações, alterando o fator de acoplamento, tensão de saída e a eficiência do sistema. Logo, o comportamento do TNS compensado foi investigado sob variações no entreferro e, em seguida, é desenvolvida uma estratégia de rastreamento de máximo rendimento do transformador somente com medições no primário. Para realizar os estudos mencionados e verificar o comportamento do TNS para variações no entreferro, um modelo matemático foi obtido por meio de uma metodologia de determinação de parâmetros com ensaios em vazio e em curto no transformador. Para o sistema de alimentação, foi construída uma fonte contendo um inversor com modulação PWM senoidal, ou em onda retangular, capaz de produzir tensão com frequência variável. Finalmente, é apresentada uma implementação experimental do sistema, demonstrando o funcionamento conforme esperado pelo modelo matemático, bem como o desempenho da estratégia de rastreamento de máximo rendimento para os casos de alimentação com tensão senoidal e com onda retangular. This document presents a study on low frequency Inductive Power Transfer (IPT) to supply isolated underwater systems, for instance, Autonomous Underwater Vehicles (AUV). To perform the wireless power transfer between source and load, a Split Core Transformer (SCT) was built. In this way, the batteries of the AUV can be charge during the docking process, with the vehicle in the water. Due to the gap, the output voltage and efficiency of the SCT are compromised. Therefore, to define an operating point where the transformer is able to supply the load with good efficiency, a study on compensation of the parameters of the SCT, based on the choice of the excitation frequency and series and parallel capacitances, is presented. Because of misalignment between the source and the AUV, during the docking process, the parameters of the SCT vary dramatically, changing the coupling factor, output voltage, and system effi-ciency. Therefore, the behavior of the compensated SCT was investigated under gap variations and a strategy to track the maximum efficiency of the SCT, without com-munication between primary and secondary, was developed. To perform these studies and to verify the behavior of the SCT under gap variations, a mathematical model, by means of a parameter determination methodology, was obtained from no load and short circuit tests on the SCT. The power supply of the system is composed to a variable frequency voltage source inverter with sinusoidal output voltage, or with a square wave output voltage. Finally, experimental results demonstrating the operation of the SCT as expected by the mathematical model, as well as the performance of the maximum efficiency tracking strategy, is presented.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A implantação de geradores distribuídos à base de fontes renováveis é considerada uma alternativa para suprir a crescente demanda de energia elétrica, melhorando a eficiência energética do sistema e ao mesmo tempo reduzindo impactos ambientais. Entretanto, quando a unidade de geração principal é desconectada, uma parcela do sistema permanece energizada devido à presença dessas unidades secundárias de geração de energia elétrica, formando assim uma ilha em alguma parte do Sistema Elétrico de Potência, situação não desejada por poder acarretar problemas referentes à qualidade de energia e segurança de operação do sistema. Dessarte, esta dissertação apresenta duas técnicas de detecção de ilhamento a partir da injeção de pequenos sinais através do inversor presente no GD, em que a primeira busca identificar o ilhamento a partir da varia¸cão da impedância vista pelo Geradores Distribuídos (GD), enquanto a segunda é baseada na taxa de variação de frequência do sistema provocada por esses distúrbios. Os métodos foram implementados no software PSIM, onde, cujos ilhamentos foram identificados em menos de 400 ms, sem que esses pequenos sinais injetados levem o sistema para fora de suas margens de operação estabelecidas pelos órgãos regulamentadores. The deployment of distributed generators based on renewable sources is considered an alternative to suplly the growing demand for electric energy, improving the energy e ciency done in the system and at the same time reducing environmental impacts. However, when the main generating unit is disconnected, a portion of the system remains energized due to the presence of these secondary electric power units, thus forming an island in a part of the Electric Power System, a situation that is not desired because it can cause problems related to power quality and safety system operation. Thus, this work presents two techniques of islanding detection from the injection of small signals through the present inverter of the DG, in which the rst techniques identi es the islanding from the impedance variation, while the second is based on the rate of change of frequency of the system caused by these disturbances. The results were obtained through simulations of the PSIM software, where, through these two methods, it is possible to detect the occurrence of the islanding in less than 400 ms without these small injected signals take the system out of its operating margins established by the regulatory agencies.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Esta dissertação apresenta uma estratégia de controle entre um sistema de transmissão VSC-HVDC e as turbinas de uma fazenda eólica offshore cujas unidades geradoras são conectadas em série pelos terminais CC de seus conversores. O controle das unidades geradoras é feito de maneira desacoplada do controle do inversor utilizado na transmissão VSC-HVDC e localizado na subestação onshore. Esta estratégia apresenta também outras vantagens em relação à outras estratégias propostas e utilizadas na literatura. Diferentemente de outras configurações apresentadas na literatura, a configuração com unidades geradoras em conexão CC série não necessita de uma subestação offshore para elevar a tensão do sistema para viabilizar a transmissão submarina. Apesar da vantagem anterior, esse tipo de sistema é pouco explorado na literatura e ainda não foi usado em nenhum projeto comercial. No sistema estudado neste trabalho, cada unidade geradora é composta por uma turbina eólica, um gerador síncrono de ímãs permanentes e um conversor fonte de tensão com neutro grampeado a diodos (NPC), que controlam as correntes dos geradores, controlando assim a potência fornecida. Além disso, utiliza-se uma estratégia de equalização e supressão do terceiro harmônico para as tensões dos capacitores dos conversores NPC. A fim de garantir uma operação segura, utiliza-se um controlador de tensão CC nos conversores NPC, para que a tensão CC de saída não ultrapasse o valor máximo. Do outro lado do sistema de transmissão, a conexão com a rede elétrica é feita por um conversor multinível modular (MMC). Esse conversor processa toda a energia transmitida pelos cabos CC controlando a corrente nos terminais CC a partir do controle das correntes injetadas na rede CA. Além disso, utiliza-se uma estratégia de supressão de correntes circulantes no MMC. Um controlador de tensão também é usado no MMC, porém para garantir que a tensão CC não ultrapasse o valor mínimo. Simulações no programa PSCAD/EMTDC são usadas para verificar o funcionamento da estratégia de controle proposta para diferentes condições de operação. This dissertation presents a decoupled control strategy between a VSC-HVDC transmission system and the turbines of an offshore wind farm with generating units connected in series by the DC terminals of its converters. In this strategy, the control of the generating units is done independently of the inverter control of the onshore substation, used in the VSC-HVDC transmission. This strategy also has other advantages compared to other strategies proposed in the literature. In the configuration with generating units in DC series connection, unlike other configurations proposed in the literature, an offshore substation to increase the voltage to the transmission levels is not required. Despite the previous advantage, this type of system is not explored in the literature and it has not yet been used in any commercial project. Each generating unit comprises a wind turbine, a permanent magnet synchronous generator, and a neutral point diode clamped (NPC) voltage source converter, which control the currents delivered by the generators, thus regulating the power supplied to the transmission system. In addition, a third harmonic equalization and suppression strategy is used for capacitor voltages of NPC converters. In order to ensure safe operation, a voltage controller is used so that the DC voltages of the NPC converters do not exceed the maximum value. On the other side of the transmission system, the mains connection is made by a modular multilevel converter (MMC). This converter processes all the energy transmitted by the DC cables by controlling the current in the DC terminals through the control of the currents injected in the AC network. In addition, a circulating currents suppression strategy is used in the MMC. A voltage controller is also used in the MMC, but to ensure that the DC voltage does not exceed the minimum value. Simulations results obtained with the PSCAD/EMTDC program are used to verify the operation of the proposed control strategy for different operation conditions.

A presente dissertação visa modelar e projetar o sistema de controle de um Filtro Ativo de Potência Shunt (FAPS) trifásico em espaço de estados. Inicialmente, o modelo do FAPS no domínio de tempo contínuo nas coordenadas af3 é obtido. Posteriormente, a planta resultante é discretizada, possibilitando o projeto de controle digital. Múltiplos controladores ressonantes são empregados para que seja possível rastrear a referência de corrente com pequenos erros e, consequentemente, reduzir a distorção da corrente drenada da rede. Uma metodologia sistemática é desenvolvida para a inclusão dos modos ressonantes em espaço de estados, possibilitando o projeto unificado dos ganhos do controlador. O método utilizado para a obtenção dos ganhos de realimentação foi o Digital Linear Quadratic Regulator (dLQR). A referêcia de corrente a ser sintetizada foi obtida utilizando a teoria das potências instantâneas p — q. De forma a garantir uma tensão mínima no barramento CC para a correta operação do filtro, foi projetada uma malha externa de tensão baseada em um compensador Proporcional-Integral (PI). Por fim, estudos alguns casos foram simulados com o intuito de avaliar a eficácia do controle desenvolvido, assim como a operação do FAPS. A análise dos resultados mostrou que a estratégia de controle utilizada foi capaz de reduzir a Total Harmonic Distortion (THD) da corrente drenada da rede aos níveis recomendados pela IEEE-519. The present dissertation aims to model and design the control system of a tree-phase FAPS in state-space. First, a continuous time model in ce/3 frame of the FAPS is obtained. Subsequently, the resulting plant is discretized, enabling the design of the controller digitally. Several resonant controllers are used in order to track the reference current and, consequently, reduce the current distortion drained from the grid. A systematic methodology is developed to include resonant modes in state space, allowing a unified controller's gains design. The dLQR method is used to calculate the feedback gains. Instantaneous power theory p — q is applied to generate the reference current. In order to keep a minimum DC-side voltage for the correct operation of the filter, an external voltage loop based on PI compensator is designed. Finally, some specific cases are simulated to evaluate the control effectiveness, as well as, the FAPS operation. The analysis of the results have shown that the used control strategy was capable of reducing the grid current THD to levels recommended by IEEE-519.

Este trabalho apresenta um estudo sobre a integração de uma fonte despachável, baseada em um grupo motor gerador diesel, em uma microrrede em corrente alternada através de um conversor de dois estágios, formado por dois conversores fonte de tensão em conexão back-to-back. A microrrede pode operar conectada à rede secundária de distribuição, injetando a potência ativa proveniente da fonte despachável, ou de modo isolado. Para este segundo caso, duas estratégias de funcionamento são propostas. A primeira interliga diretamente o grupo motor gerador ao barramento de cargas, enquanto o conversor de dois estágios funciona como filtro ativo de potência. A outra opção consiste em utilizar o conversor de dois estágios no modo formador de rede, alimentando o barramento de cargas. Como cada uma das unidades que compõem o conversor de dois estágios tem uma finalidade, os controladores utilizados de cada um dos lados possuem particularidades. O conversor conectado aos terminais do grupo motor gerador é responsável por drenar correntes senoidais e regular a tensão do barramento de corrente contínua. Para este conversor é utilizado um controlador proporcional—integral, projetado no sistema de coordenadas síncrono. Uma estratégia de compensação dos parâmetros do tempo morto dos interruptores semicondutores foi implementada para reduzir a geração de harmônicos não característicos. Do outro lado, no conversor de saída, responsável pela integração com a rede secundária, foi utilizado um controlador proporcional—integral, projetado no sistema de coordenadas síncrono, com múltiplos integradores, adicionados para compensar correntes harmônicas. De acordo com o modo de funcionamento do sistema é utilizado um método para obtenção das correntes de referência. Quatro modos de funcionamento podem ser aplicados neste sistema: (i) alimentador de rede, (ii) formador de rede, (iii) auxiliador de rede e (iv) condicionador de rede. Para o modo Formador de Rede faz-se necessário a inclusão de uma malha de controle externa projetado para regular a tensão CA no barramento de cargas. Resultados experimentais são apresentados para validar os modelos matemáticos e as estratégias de controle usadas neste trabalho. Todo o algoritmo de controle é implementado em um controlador digital de sinais TMS320F28335 fabricado pela Texas Instruments. This document presents a study on dispatchable source based on Diesel Gen-set connected to AC microgrid. The Diesel generator is connected to network grid through two-stage converter composed of two Voltage-sourced converters in back-to-back (B2B-VSC) connection. The AC microgrid can operate in a grid-connected mode, injecting active power from the dispatchable source, or in an isolated mode. In the second case, two operating conditions are proposed, in which the first option interconnects Diesel gen-set direct to load bus and B2B-VSC works as Active Power Filter. Another option is to operate the B2B-VSC as grid—former. Due the fact that each converter of B2B-VSC has a specific goal, different control strategies are used for each one. The VSC connected to Diesel generator terminals is responsible to drain sinusoidal currents and to regulate the DC voltage. In the this converter, PI—SRF Controller is applied in a inner current control loop together with a dead-time compensation strategy. In the other side of B2B-VSC, responsible of multi-task control, is applied a control strategy modelled in a synchronous coordinate system with multiple integrators to mitigate the harmonic currents. According to the operation mode is used a different current reference is given. Four operation modes can be used in this microgrid: (i) grid-feeding, (ii) grid-forming, (iii) grid-supporting and (iv) grid-conditioning. In grid—forming mode an outer loop is added to regulate the AC load bus voltage. Experimental results are presented to validate the mathematical modelling and controller strategies. Finally, suggestions to continue this research are proposed. The control algorithm is implemented in a digital signal processor TMS320F28335 made by Texas Instruments.

Sistemas eletromecânicos são de grande importância atualmente, e a procura por maior eficiência e desempenho aliados a um menor custo justificam a busca por alternativas tanto em topologia quanto no controle e acionamento de tais sistemas. A máquina de relutância chaveada é capaz de cumprir estes requisitos e tem despertado o interesse de pesquisadores e empresas nos últimos anos, emergindo como uma alternativa viável em diversas aplicações. Porém, esta máquina possui características singulares. Por conta de sua estrutura duplamente saliente, seu funcionamento correto depende da aplicação de pulsos de corrente por determinados intervalos de tempo, e na sequência correta, seus parâmetros são variáveis no tempo, apresentando um comportamento com características não-lineares. Tais particularidades fazem com que seja difícil controlar o torque destas máquinas, as quais possuem a tendência de apresentar altas oscilações durante a mudança da excitação de cada fase. Este trabalho tem por objetivo contribuir com o estudo da modelagem e do acionamento de uma máquina de relutância chaveada. É apresentada sua modelagem matemática e um modelo de simulação que leva em consideração as não linearidades existentes. Em seguida são apresentadas técnicas de controle de corrente que incluem um regulador de histerese, um controlador PI e um controlador por modos deslizantes. Também é utilizado um método capaz de determinar o momento em que cada fase deve ser acionada, baseado no ângulo do rotor, e uma técnica de variação dos ângulos de acionamento de maneira dinâmica, usados em conjunto com os controladores propostos. O trabalho também caracteriza e apresenta as funções de divisão de torque como uma maneira de reduzir drasticamente as oscilações de torque. São apresentadas as operações como motor e como gerador, bem como um exemplo de aplicação de modo a ilustrar ambos os modos de operação. Electromechanical systems have a huge relevance nowadays, and seeking for improvements in efficiency and performance at the lowest cost make valid to identify topological and control alternatives of these systems. The switched reluctance machine is capable to fulfill such requirements and emerges as an interesting field of research. Academics and industrial works shows that it is a promising alternative in several applications. However, this machine presents unique characteristics, like the doubly salient structure, the necessity to apply phase currents in a sequence determined by the stator/rotor pole ratio, its time variantparameters,andthestrongnonlinearcharacteristics. Suchsingularitiesmaketorque control hard, as it tends to present high ripples and makes a lot of noise. This thesis aims to contribute on switched reluctance machine modeling and drive system. A mathematical model is presented, and also a simulation model that accounts for nonlinearities, making possible to simulate the machine accurately in a computational environment. A hysteresis regulator, a PI controller and a sliding mode controller are designed and simulated. An algorithm to determine when each phase should be excited based on rotor angle is used, and a technique to change such firing angles dynamically is developed that can be used along with current control methods presented. The work also defines and presents torque sharing functions as a way to greatly reduce torque ripple. Motor and generator operation are contemplated, and both modes are illustrated in an application example.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Esta dissertação apresenta uma proposta de controle discreto baseado em reali-mentação de estados aplicado à fonte de alimentação das cargas magnéticas do Sirius. A fonte é formada por associações em série e em paralelo de módulos de menor po-tência para que, em conjunto, possam atender às exigências requeridas de tensão e de corrente dos magnetos. Cada módulo é constituído de dois estágios, um de entrada e outro de saída, em que o segundo é o objeto de estudo deste trabalho. O estágio de saída é constituído por um conversor ponte completa associado a um filtro de terceira ordem. Inicialmente é feita a modelagem do estágio de saída e apresentado um modelo apropriado a uma quantidade genérica de módulos associados em série. Em seguida é feita a discretização da planta e o controle em espaço de estados. Para a alocação dos pólos do sistema em malha fechada é utilizado o Regulador Quadrático Linear Digital. Entretanto, quando módulos são associados, aumenta-se consideravelmente a ordem do sistema e torna-se inviável a medição de todos os estados da planta. Então, é proposto um observador ótimo de ordem reduzida para que este seja capaz de fornecer ao con-trolador os estados que não são medidos. A análise de estabilidade permitiu verificar a robustez do controle em conjunto com o observador de estados. Na associação de módulos em paralelo foram consideradas que as correntes da saída de cada módulo são parcelas do estado que corresponde à corrente das cargas magnéticas. Baseado nesta premissa e no controle feito para o arranjo de módulos em série, foi proposta uma estratégia de controle para o arranjo em paralelo. Os resultados em simulação, tanto para a configuração de módulos em série quanto em paralelo, permitem verificar os desempenhos dinâmicos do controlador e observador de estados. This dissertation presents a proposal of a discrete-time state-feedback control law applied to the Sirius magnetic source power supply. In order to meet the magnets' required voltage and current levels the source is formed by series and parallel associa-tion of modular converters. Each module is made up of two stages, input and output, in which the later is addressed this work. The output stage is constituted by a full bridge converter associated with a third-order filter. Initially a mathematical model is obtained for a single module. This model is later extended to represent the connection of several modules in series. Then the plant is discretized and state feedback law is designed to control the system. The optimal technique Digital Linear Quadratic Regu-lator was used to place the closed-loop poles. However, when modules are associated, due the order of the system it becomes impracticable to measure all the states. Then an optimal reduced order observer is proposed to provide to controller the states that are not measured. An stability analysis is performed in order to verify the controller robustness. For the association of modules in parallel was considered that the output currents of each module are the parcels of the state corresponding to the current of the magnetic loads. Based on this premise and in the previously control design for the series modules association, is proposed a control topology for the parallel arrange-ment. Simulation results were obtained, for the both configuration of modules series and parallel, and the performances of the controller and state-observer were verified.

As tecnologias de Geração Distribuída (GD), geralmente, consistem em geradores modulares (em grande maioria renováveis) que oferecem uma série de benefícios poten-ciais, além de estarem mais próximos dos consumidores finais. Embora a GD possa ter colaborações como comentado, a inserção de energias renováveis na rede elétrica pode afetar a proteção e também a estabilidade da mesma, implicando em desvios na tensão e na frequência do sistema. Um dos principais problemas enfrentados é a falta de inér-cia das energias renováveis e também o aparecimento de correntes harmônicas devido às cargas não lineares. Baseado nesse cenário, e como forma de solução dos problemas comentados, surge a pesquisa de inversores multifuncionais, capazes de não só conectar tais energias renováveis à rede elétrica, mas também oferecer suporte a ela. Os serviços ancilares incluem auxílio à estabilidade de tensão e frequência, mitigação de conteúdo harmônico, equilíbrio de geração e demanda de energia, entre outros aspectos. Dessa forma, metodologias baseadas nas implementações alternativas de controle, tais como a Máquina Síncrona Virtual e o Filtro Ativo de Potência (FAP) podem ser adotadas como soluções para esses problemas. Nessa vertente, simulações em tempo real com Hardware In the Loop (HIL) no simulador digital de tempo real (Real Time Digital Simulator) (RTDS) e processamento digital de sinal e engenharia de controle (digi-tal Signal Processing and Control Engineering) (dSPACE), são ferramentas poderosas que podem auxiliar o processo de simulação das funções ancilares analisadas. Assim, nesse trabalho, simulou-se o inversor multifuncional como forma de mostrar a efetiva regulação de tensão, frequência e diminuição do conteúdo harmônico em sistemas de potência, especialmente em microrredes de corrente alternada (CA). Por fim, os resul-tados demonstram o funcionamento do sistema e podem ser usados como validação das estratégias de controle propostas. Distributed Generation technologies generally consist of modular (mostly renewa-ble) generators that offer a number of potential benefits, while being closer to the end consumers. Although the DG present features as commented, the insertion of renewa-ble energies in the electrical network can affect the protection and also the stability of the network, implying in voltage and frequency deviations. One of the main problems faced is the lack of inertia of renewable energies and also the appearance of harmonic currents due to non-linear loads. Based on this scenario, and as a way of solving these problems, the research of smart inverters, capable of not only connecting such renewable energies to the electric grid but also supporting it, emerges. Some ancillary services as voltage and frequency stability, mitigation of harmonic content, balance of generation and energy demand, among other aspects, can be fullfilled. Thus, methodologies based on sophisticated control implementations such as the Virtual Synchronous Machine and the Active Power Filter, can be adopted as solutions to these problems. In this aspect, real-time simulations with Control Hardware In The Loop HIL in Real Time Digital Simulator RTDS and dSPACE, are a powerfulls tool can aid the simulation process of the analyzed ancillary functions. Thus, in this work, the multifunctional inverter was simulated as a way to show the effective regulation of voltage, frequency, and harmonic content mitigation in power systems, especially in AC microgrids. Finally, the results demonstrate the operation of the system and can be used as validation of the proposed control strategies.

Esta dissertação apresenta um estudo de um conversor emulador de rede (CER) que faz parte de uma estrutura Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL). O PHIL será futuramente utilizado para verificar os impactos causados pela integração de sistemas de geração fotovoltaico (PV) à rede elétrica, assim como a operação do sistema PV frente a distúrbios na rede. O CER, composto por um conversor fonte de tensão (VSC) de dois níveis e filtro de saída LC, é responsável por alimentar cargas isoladas emulando uma rede elétrica. A modelagem do conversor emulador de rede é feita no sistema de coordenadas estacionário (αβ0), fornecendo um sistema de equações diferenciais usado para descrever o comportamento dinâmico do sistema. O conversor é controlado no modo de tensão, através da estratégia de modulação vetorial. Duas malhas de controle em cascata são projetadas. A malha interna utiliza compensadores em avanço digitais para amortecer a ressonância do filtro LC sem a necessidade de uma realimentação interna de corrente. Já a externa utiliza controladores ressonantes digitais modificados para rejeitar distúrbios harmônicos e garantir a qualidade da forma de onda da tensão no ponto de acoplamento comum. Os controladores ressonantes são conectados em série e o projeto é baseado no amortecimento dos zeros. Resultados experimentais, obtidos com o protótipo de laboratório, cujos controladores foram implementados em um processador digital de sinais TMS320F28335 da Texas Instruments, são usados para validar as estratégias de controle propostas. This dissertation presents a study on a grid-former converter (GFC) which is a part of a Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL) structure. The PHIL will be used to verify the impacts caused by the integration of photovoltaic (PV) generation systems into grid, as well as to study the PV operation under grid disturbances. The GFC, composed by a two-level voltage source converter with a LC output filter, is responsible to feed isolated loads emulating an electrical grid. The modeling of the grid-former converter is done in the stationary frame (αβ0), providing a set of differential equations that describes the dynamical behavior of the system. The converter is controlled in voltage mode by means of the space vector modulation (SVM) strategy. Two control loops are designed to control the static converter. At the inner loop a novel discrete-time active damping technique is proposed in order to damp the filter resonance without the need of current feedback. The method is based on an inner feedback loop with digital lead compensator on the feedback path while the external loop uses a discretetime integrator and a modified digital resonant controller to guarantee a decreasing frequency response and ensure the quality of the voltage waveform at the point of common coupling, respectively. The resonant controllers are connected in series and the design is based on its zeros damping. Experimental results obtained with the prototype, which controllers were implemented in a Texas Instruments TMS320F28335 are used to validate the proposed control strategies.

O objetivo geral desta dissertação é o aperfeiçoamento do projeto de uma nova fonte de corrente em desenvolvimento para o acelerador de partículas Sirius. A corrente da fonte é aplicada em magnetos de elevada indutância e são programadas para apresentar forma de onda com significativa componente senoidal em corrente contínua e em baixa frequência, de acordo com as características operacionais necessárias do Sirius. Para efeitos de estudo, a metodologia empregada consiste essencialmente em desacoplar a análise e o projeto do controle em um estágio regulador de tensão seguido de um estágio de síntese da corrente. Foram realizados ensaios em uma fonte em construção no Laboratório Nacional de Luz Síncroton e em um protótipo desenvolvido na UFJF. As principais contribuições descritas nesta dissertação são: i) atenuação da propagação de distúrbios de baixa frequência para a rede elétrica; ii) emprego de retificador de tensão controlado para regulação da tensão do barramento CC, melhoria do fator de potência e redução de componentes harmônicas. Os resultados experimentais evidenciam que as alterações de projeto propostas nesta dissertação apresentam grande potencial para melhorar o desempenho da fonte de corrente em termos da qualidade de energia elétrica e da sintetização de corrente senoidal no magneto do acelerador de partículas. This work consists in the evaluation and improvement of a current source for a particle accelerator. The output current presents a DC sinusoidal waveform in low frequecy which flows through the windings of high inductance electromagnets. The methodology consists in separating the analysis and project of the control into two parts: a voltage regulator stage,followedbyacurrentsynthesisstage. Testswereperformedonacurrentsourceunder construction at the Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS) and on a prototype developed at UFJF. The work main contributions are: i) Attenuation of the low frequency disturbances on the electrical grid; ii) Use of a controlled rectifier to regulate the voltage of the DC bus, improvement in power factor and reduction of harmonic components. The experimental results show that the proposed changes have potential in improving the performace of the current source in terms of its electric power quality and synthesis of sinusoidal current in the particule accelerator.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Esta dissertação apresenta um estudo de estratégias de alimentação de cargas hospitalares críticas utilizando conversores estáticos de energia. As cargas hospitalares escolhidas foram os equipamentos de raio x, tomografia computadorizada e ressonância magnética, sendo comparadas as seguintes formas de integração à rede: (i) estrutura com um retificador trifásico conectado à rede e três inversores monofásicos conectados às cargas ou (ii) estrutura com três retificadores monofásicos conectados à rede e três inversores monofásicos conectados às cargas. Por questões de patente, houve dificuldade em se encontrar os circuitos de front-end das fontes de alimentação das cargas hospitalares. Logo, as mesmas foram construídas dentro do ambiente de simulação do software PSIM utilizando dados de medição obtidos na literatura. O controle dos retificadores trifásico e monofásico foi realizados utilizando duas malhas de controle em cascata, com a malha interna controlando a corrente consumida da rede e a malha externa regulando a tensão no barramento CC. Para os três inversores monofásicos de saída foram implementados os controles PI RES e PI SRF visando uma comparação quanto ao desempenho. Como forma de validar o modelo matemático do sistema e o algoritmo de controle, foram feitas simulações utilizando o software PSIM. A análise feita comprovou que os resultados de simulação se mostraram coerentes com a modelagem matemática do sistema. This master thesis presents a study about feeding strategies of critical hospital loads through power static converters. The chosen hospital loads were the x ray equipment, the computed tomography and the magnetic resonance. The following forms of grid integration were compared: (i) structure with a three-phase rectifier connected to the network and three single-phase inverters connected to the loads or (ii) structure with three single-phase rectifiers connected to the network and three single-phase inverters connected to the loads. Due to patent issues, it was difficult to find the front-end circuits for power supplies of hospital loads. Therefore, the loads were implemented in PSIM software environment using measurement data obtained from literature. The control of three-phase and single-phase rectifiers was implemented using two cascaded control loops, with the inner loop controlling the current drawn from the network and the outer loop regulating the DC bus voltage. For the single-phase inverter, PI RES and PI SRF controls were implemented, targeting a comparison in terms of performance. In order to validate the mathematical model of the system and the control algorithm, simulations were performed using the PSIM software. The analysis showed that the simulation results were consistent with the mathematical modeling of the system.