BR102018012674A2

BR102018012674A2 - single phase full bridge inverter system connected to the mains

Info

Publication number: BR102018012674A2
Application number: BR102018012674A
Authority: BR
Inventors: Cardoso Melo Fernando; Pereira Pires Lucas; Carlos De Freitas Luiz; Carlos Gomes De Freitas Luiz
Original assignee: Univ Federal De Uberlandia
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-12-24

Abstract

sistema inversor monofásico em ponte completa conectado à rede elétrica a presente invenção se refere a um conversor cc-ca, o qual transforma corrente contínua em corrente alternada, com célula de comutação suave do tipo zcs-zvs-pwm (zero-current-switching and zero-voltage-switching, ou seja, comutação com corrente e tensão nulas), denominada lc-pwm-sf-rdc, a qual reduz as perdas na comutação dos dispositivos semicondutores e mitiga as interferências eletromagnéticas causadas pela operação em alta frequência. o foco especial desse sistema é a utilização dessa célula a um inversor em ponte completa, o qual está conectado à rede elétrica. dessa maneira, a energia disponível fornecida por fontes renováveis ao arranjo cc do inversor, tais como solar, eólica e por células a combustível, será inteiramente injetada à rede da concessionária de energia, assim constituindo um sistema de microgeração distribuída. nota-se que o mppt (rastreamento do ponto de máxima potência) é realizado sem o sensoriamento do barramento da tensão de entrada do inversor, apenas dependendo da amplitude da corrente injetada na rede elétrica, requerendo-se o monitoramento da corrente e tensão da rede.single-phase inverter system in full bridge connected to the mains, the present invention refers to a dc-ac converter, which transforms direct current into alternating current, with a zero-current-switching and zcs-zvs-pwm switch zero-voltage-switching, ie switching with zero current and voltage), called lc-pwm-sf-rdc, which reduces the switching losses of semiconductor devices and mitigates electromagnetic interference caused by high frequency operation. the special focus of this system is the use of this cell to a complete bridge inverter, which is connected to the electrical network. in this way, the available energy supplied by renewable sources to the inverter dc arrangement, such as solar, wind and fuel cells, will be entirely injected into the grid of the energy concessionaire, thus constituting a distributed microgeneration system. note that the mppt (maximum power point tracking) is carried out without sensing the inverter input voltage bus, only depending on the amplitude of the current injected into the electrical network, requiring monitoring of the current and voltage of the network .

Description

SISTEMA INVERSOR MONOFÁSICO EM PONTE COMPLETA CONECTADO À REDE ELÉTRICAMONOPHASE INVERTER SYSTEM IN COMPLETE BRIDGE CONNECTED TO THE ELECTRIC NETWORK

Campo da Invenção [01]. A presente invenção se refere a um conversor cc-ca, o qual transforma corrente contínua em corrente alternada, com célula de comutação suave do tipo ZCS-ZVS-PWM (zero-current-switching and zero-voltage-switching, ou seja, comutação com corrente e tensão nulas), denominada LC-PWM-SF-RDC, a qual reduz as perdas na comutação dos dispositivos semicondutores e mitiga as interferências eletromagnéticas causadas pela operação em alta frequência. O foco especial desse sistema é a utilização dessa célula a um inversor em ponte completa, o qual está conectado à rede elétrica. Dessa maneira, a energia disponível fornecida por fontes renováveis ao arranjo CC do inversor, tais como solar, eólica e por células a combustível, será inteiramente injetada à rede da concessionária de energia, assim constituindo um sistema de microgeração distribuída. Nota-se que o MPPT (Rastreamento do Ponto de Máxima Potência) é realizado sem o sensoriamento do barramento da tensão de entrada do inversor, apenas dependendo da amplitude da corrente injetada na rede elétrica, requerendo-se o monitoramento da corrente e tensão da rede.Invention Field [01]. The present invention relates to a dc-ac converter, which transforms direct current into alternating current, with a smooth switching cell of the type ZCS-ZVS-PWM (zero-current-switching and zero-voltage-switching, that is, switching with zero current and voltage), called LC-PWM-SF-RDC, which reduces losses in the switching of semiconductor devices and mitigates electromagnetic interference caused by high frequency operation. The special focus of this system is the use of this cell to a complete bridge inverter, which is connected to the electrical network. In this way, the available energy supplied by renewable sources to the inverter's DC arrangement, such as solar, wind and fuel cells, will be entirely injected into the power utility's network, thus constituting a distributed microgeneration system. Note that the MPPT (Maximum Power Point Tracking) is performed without sensing the inverter input voltage bus, only depending on the amplitude of the current injected into the electrical network, requiring monitoring of the current and voltage of the network .

Estado da técnica [02]. Para a redução do peso e volume dos conversores eletrônicos de potência são utilizadas técnicas de chaveamento por PWM em alta frequência. Por meio delas é possível operar com resposta transitória rápida e sem ruído acústico. Porém, a operação em elevada frequência pode acarretar em alguns problemas, tais como aumento das perdas de chaveamento e das interferências eletromagnéticas.State of the art [02]. High frequency PWM switching techniques are used to reduce the weight and volume of electronic power converters. Through them it is possible to operate with quick transient response and without acoustic noise. However, high frequency operation can cause some problems, such as increased switching losses and electromagnetic interference.

[03]. Para mitigar esses problemas, técnicas de conversão ressonantes podem ser aplicadas, garantindo-se tensões e corrente dos dispositivos semicondutores ativos, tais como IGBTs e MOSFETs, com valores nulos durante a comutação, por meio de células de comutação suave não dissipativas (FREITAS, L. C.; CRUZ, D. F.; FARIAS, V. J. A novel ZCS-ZVS-PWM DC-DC buck converter for[03]. To mitigate these problems, resonant conversion techniques can be applied, ensuring voltages and currents of active semiconductor devices, such as IGBTs and MOSFETs, with zero values during switching, using non-dissipative smooth switching cells (FREITAS, LC ; CRUZ, DF; FARIAS, VJ A novel ZCS-ZVS-PWM DC-DC buck converter for

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I 11 high power and high switching frequency: analysis, simulation and experimental results. Proceedings Eighth Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). San Diego: [s.n.]. 1993. p. 693-699.) [04]. Várias células de comutação suave não dissipativas foram propostas, tais como as apresentadas em EP 1028518 A3 (célula de comutação ZCS-ZVS), US 4864483 (célula de comutação suave ressonante), US 9660580 B2 (estágio de operação em baixa frequência, com chaves operando em ZVS e ZCS).I 11 high power and high switching frequency: analysis, simulation and experimental results. Proceedings Eighth Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). San Diego: [s.n.]. 1993. p. 693-699.) [04]. Various non-dissipative soft switching cells have been proposed, such as those presented in EP 1028518 A3 (ZCS-ZVS switching cell), US 4864483 (resonant soft switching cell), US 9660580 B2 (low frequency operating stage, with switches operating in ZVS and ZCS).

[05]. Com a estrutura proposta, é possível realizar a conversão da energia de corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA) de forma viável economicamente, gerando um produto cuja aplicação está no contexto da geração de energia elétrica distribuída, com potências de até 5 kW.[05]. With the proposed structure, it is possible to convert the energy from direct current (DC) into alternating current (AC) in an economically viable way, generating a product whose application is in the context of distributed electricity generation, with powers of up to 5 kW .

[06]. O controle do sistema é realizado de modo que seja obtida a máxima transferência de potência possível da entrada, que pode ser constituída por arranjo de módulos fotovoltaicos, por exemplo, para a saída (rede elétrica).[06]. The control of the system is carried out in such a way that the maximum possible power transfer is obtained from the input, which can consist of an arrangement of photovoltaic modules, for example, to the output (mains).

[07]. Para a implementação do sistema de controle do conversor proposto, utilizou-se o método de extração de máxima potência (MEMP) sem uso de sensores do lado CC apresentado em BR102017016710-0.[07]. For the implementation of the proposed converter control system, the maximum power extraction method (MEMP) was used without using the CC side sensors presented in BR102017016710-0.

[08]. Essa técnica de extração de máxima potência se baseia no princípio em que a potência disponível pela alimentação do conversor CC-CA proposto, deva ser injetada na rede elétrica, ou seja, a Potência de entrada será igual em teoria à Potência de saída.[08]. This maximum power extraction technique is based on the principle that the power available through the power supply of the proposed DC-AC converter must be injected into the electrical network, that is, the input power will be in theory equal to the output power.

[09]. Considerando a eficiência do conversor, ela não será idêntica, porque a potência de saída será levemente menor que a da entrada. Porém, isso serve de referência para o controlador da malha da corrente da rede elétrica, uma vez que são realizadas perturbações na variável de referência dessa corrente eficaz de saída pelo algoritmo do MEMP, que em inglês pode ser denominado de MPPT (Maximum Power Point Tracking, ou seja, rastreamento do ponto de máxima potência). Esse algoritmo é baseado na técnica de P&O (Perturbe e Observe), para se atingir o ponto de máxima potência de sistemas fotovoltaicos ou de células a combustível, por exemplo.[09]. Considering the efficiency of the converter, it will not be identical, because the output power will be slightly less than that of the input. However, this serves as a reference for the current grid mesh controller, since disturbances are made in the reference variable of this effective output current by the MEMP algorithm, which in English can be called MPPT (Maximum Power Point Tracking , that is, maximum power point tracking). This algorithm is based on the P&O technique (Disturb and Observe), to reach the maximum power point of photovoltaic systems or fuel cells, for example.

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I 11 [010]. A topologia de inversor proposta utilizou a célula de comutação suave não-dissipativa ZCS-ZVS-PWM, ou seja, comutação com corrente e tensão nulas (em inglês, Zero Current Switching - Zero Voltage Switching) denominada LC-PWM-SF-RDC, que significa comutação PWM sem perdas utilizando um circuito de desconexão ressonante (em inglês, Lossless Commutation Pulse Width Modulation using a Resonant Disconnecting Circuit), a qual está ilustrada na Figura 1 (MU 7300887-7 U). Esta foi aplicada a topologias de conversores CC-CC e CC-CA operando com cargas isoladas, tais como, cargas resistivas.I 11 [010]. The proposed inverter topology used the non-dissipative soft switching cell ZCS-ZVS-PWM, that is, zero current and voltage switching (in English, Zero Current Switching - Zero Voltage Switching) called LC-PWM-SF-RDC, which means lossless PWM switching using a resonant disconnect circuit (in English, Lossless Commutation Pulse Width Modulation using a Resonant Disconnecting Circuit), which is illustrated in Figure 1 (MU 7300887-7 U). This was applied to topologies of DC-DC and DC-AC converters operating with isolated loads, such as resistive loads.

Listagem de Figuras [011]. As figuras utilizadas ao longo do texto são descritas conforme a seguir:List of Figures [011]. The figures used throughout the text are described as follows:

• A Figura 1 ilustra a célula de comutação suave LC-PWM-SF-RDC sem interrupção do ciclo ressonante representada para a operação do inversor durante o semiciclo positivo, ativando-se as chaves Sauxi e Si, em suas respectivas etapas.• Figure 1 illustrates the LC-PWM-SF-RDC soft switching cell without interrupting the resonant cycle represented for the operation of the inverter during the positive semicycle, activating the Sauxi and Si switches, in their respective steps.

• A Figura 2 ilustra a célula de comutação suave LC-PWM-SF-RDC sem interrupção do ciclo ressonante representada para a operação do inversor durante o semiciclo negativo, habilitando-se as chaves Saux2 e S3, em suas respectivas etapas.• Figure 2 illustrates the LC-PWM-SF-RDC soft switching cell without interrupting the resonant cycle represented for the inverter operation during the negative semicycle, enabling the Saux2 and S3 switches, in their respective steps.

• A Figura 3 mostra o diagrama esquemático do conversor CC-CA conectado à rede elétrica com célula de comutação suave LC-PWM-SF-RDC. Os pontos indicados 1 e 2 se referem à tensão da rede elétrica Vr e os pontos 3 e 4 indicam a diferença de potencial da fonte auxiliar Vaux.• Figure 3 shows the schematic diagram of the DC-AC converter connected to the mains with a soft switching cell LC-PWM-SF-RDC. Points 1 and 2 refer to the mains voltage Vr and points 3 and 4 indicate the potential difference of the Vaux auxiliary source.

• A Figura 4 mostra o diagrama esquemático da fonte auxiliar, constituída por transformador com derivação central, retificador de onda completa e capacitor de filtro CF, a qual é necessária para alimentar a célula de comutação suave implementada no circuito de potência do inversor, através dos pontos 3 e 4 (VAux).• Figure 4 shows the schematic diagram of the auxiliary source, consisting of a centrally shunted transformer, full wave rectifier and CF filter capacitor, which is necessary to supply the soft switching cell implemented in the inverter power circuit, through the points 3 and 4 (VAux).

• A Figura 5 apresenta o diagrama de blocos simplificado do circuito de potência da presente invenção, evidenciando-se a tensão de corrente contínua (cc) proveniente de fontes renováveis de energia e a necessidade de apenas• Figure 5 presents the simplified block diagram of the power circuit of the present invention, showing the direct current (dc) voltage from renewable energy sources and the need for only

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I 11 dois sensores na saída do conversor para a adequada operação do sistema de controle.I 11 two sensors at the converter output for the proper operation of the control system.

• A Figura 6 ilustra a primeira etapa de operação do conversor.• Figure 6 illustrates the first stage of operation of the converter.

• A Figura 7 ilustra a segunda etapa de operação do conversor.• Figure 7 illustrates the second stage of operation of the converter.

• A Figura 8 ilustra a terceira etapa de operação do conversor.• Figure 8 illustrates the third stage of operation of the converter.

• A Figura 9 apresenta a quarta etapa de operação do conversor.• Figure 9 shows the fourth stage of operation of the converter.

• A Figura 10 apresenta a quinta etapa de operação do conversor.• Figure 10 shows the fifth stage of operation of the converter.

• A Figura 11 apresenta a sexta etapa de operação do conversor.• Figure 11 shows the sixth stage of operation of the converter.

• A Figura 12 apresenta a sétima etapa de operação do conversor.• Figure 12 shows the seventh stage of operation of the converter.

• A Figura 13 mostra as formas de onda teóricas relevantes, corrente do indutor ressonante Ilr e da chave S1 (Is1), tensão no capacitor ressonante Vcr1 e os pulsos nas chaves Saux1 e S1, considerando a operação do sistema durante o semiciclo positivo da tensão da rede elétrica.• Figure 13 shows the relevant theoretical waveforms, current of the resonant inductor Ilr and switch S1 (Is1), voltage in the resonant capacitor Vcr1 and the pulses in the switches Saux1 and S1, considering the operation of the system during the positive voltage semiconductor of the electrical network.

• A Figura 14 apresenta o plano de fases das variáveis de estado, Ilr e Vcr, do inversor com célula de comutação suave LC-PWM-SF-RDC.• Figure 14 shows the phase plan of the state variables, Ilr and Vcr, of the inverter with LC-PWM-SF-RDC soft switching cell.

• A Figura 15 mostra um resultado de simulação em que estão as formas de onda da tensão da rede, corrente injetada na rede, potência do arranjo fotovoltaico, potência máxima disponível, eficiência do algoritmo de MPPT utilizado, Delta RMS, tolerância e valor da corrente de pico.• Figure 15 shows a simulation result showing the waveforms of the grid voltage, current injected into the grid, power of the photovoltaic array, maximum available power, efficiency of the MPPT algorithm used, Delta RMS, current tolerance and value peak.

Descrição resumida [012]. De modo simplificado, o sistema proposto apresenta uma topologia de conversor CC-CA em ponte completa que opera de modo conectado à rede elétrica e apresenta uma célula de comutação suave do tipo LC-PWM-SF-RDC que opera para o semiciclo positivo da tensão da rede e outra célula semelhante (operação simétrica) para o semiciclo negativo da tensão da rede Vr. Com a utilização dessa célula de comutação não dissipativa, garantem-se menores perdas durante o chaveamento, maior eficiência do conversor e mitigam-se os possíveis ruídos devido à operação em frequência elevada, os quais podem causar interferências eletromagnéticas.Short description [012]. In a simplified way, the proposed system presents a complete bridge DC-AC converter topology that operates connected to the mains and features a LC-PWM-SF-RDC type soft switching cell that operates for the positive voltage semiconductor of the network and another similar cell (symmetrical operation) for the negative semiconductor of the network voltage Vr. With the use of this non-dissipative switching cell, lower losses during switching are guaranteed, greater efficiency of the converter and possible noise due to high frequency operation are mitigated, which can cause electromagnetic interference.

[013]. O chaveamento da estrutura de potência apresentada na Figura 3 se[013]. The switching of the power structure shown in Figure 3

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I 11 baseia em alta frequência, na faixa de kHz, para habilitar e desabilitar as chaves S1, Saux1 (durante o semiciclo positivo) e S3 e Saux2 (durante o semiciclo negativo). Observa-se que, durante as etapas de operação do Conversor CCCA, as chaves S1 e S3 operam no modo ZVS (chaveamento com tensão nula) e, as chaves Saux1, Saux2, S2 e S4 operam no modo ZCS (chaveamento com corrente nula).I 11 is based on high frequency, in the kHz band, to enable and disable the switches S1, Saux1 (during the positive semicycle) and S3 and Saux2 (during the negative semicycle). It is observed that, during the operation steps of the CCCA Converter, switches S1 and S3 operate in ZVS mode (zero voltage switching) and, Saux1, Saux2, S2 and S4 switches operate in ZCS mode (zero current switching) .

[014]. Com o intuito de reduzir ainda mais as perdas de chaveamento, as chaves S2 e S4 operam em baixa frequência, no valor da frequência da rede elétrica, durante o semiciclo negativo e positivo, respectivamente.[014]. In order to further reduce switching losses, switches S2 and S4 operate at a low frequency, at the value of the mains frequency, during the negative and positive semicycle, respectively.

[015]. Para o sistema de controle do conversor CC-CA, utilizou-se a técnica MEMP, que possibilita o controle da injeção de potência na rede elétrica, assim como a extração da máxima potência disponível no barramento CC de entrada do conversor. Isso é válido considerando a alimentação para o conversor CCCA alimentado por fontes renováveis com tensão em CC, e utilizando apenas dois sensores na saída do conversor, monitorando a tensão e corrente da rede. Com menor número de sensores, os custos são reduzidos, assim como o tempo de processamento dos sinais realizado pelo microcontrolador.[015]. For the control system of the DC-AC converter, the MEMP technique was used, which allows the control of power injection in the electrical network, as well as the extraction of the maximum power available on the converter's DC input bus. This is valid considering the power supply for the CCCA converter powered by renewable sources with DC voltage, and using only two sensors at the converter output, monitoring the network voltage and current. With a smaller number of sensors, costs are reduced, as well as the signal processing time performed by the microcontroller.

[016]. Dessa forma, é possível fazer com que o valor máximo de energia disponível no barramento de entrada CC seja injetado na rede elétrica, através da utilização do MEMP que se baseia no algoritmo P&O (Perturbe & Observe), que foi modificado para estabelecer um determinado valor de referência de corrente a ser injetada na rede elétrica, de acordo com a energia disponível pelo barramento CC.[016]. In this way, it is possible to make the maximum amount of energy available on the DC input bus be injected into the electrical network, using the MEMP that is based on the P&O (Disturb & Observe) algorithm, which was modified to establish a certain value reference current to be injected into the electrical network, according to the energy available through the DC bus.

[017]. Além disso, o inversor em ponte completa proposto com célula de comutação suave utiliza um filtro indutivo na saída de modo a manter a corrente injetada na rede elétrica com baixo conteúdo harmônico, filtrando as componentes de alta frequência oriundas do chaveamento do conversor. Isso é importante para atender aos critérios de qualidade da energia elétrica estabelecidos pelas normas ABNT NBR 16.149, ABNT NBR 16.150 e IEEE 1547. [018]. O sistema proposto não apresenta estágio elevador de tensão que seria[017]. In addition, the proposed full bridge inverter with a smooth switching cell uses an inductive filter at the output in order to keep the current injected into the electrical network with low harmonic content, filtering out the high frequency components from the switching of the converter. This is important in order to meet the electricity quality criteria established by the standards ABNT NBR 16.149, ABNT NBR 16.150 and IEEE 1547. [018]. The proposed system does not have a voltage lift stage that would be

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I 11 composto por um conversor CC-CC. Dessa maneira, para a operação adequada do conversor CC-CA é necessário que a tensão do barramento de entrada CC tenha uma tensão mínima maior que o valor de pico da tensão da rede elétrica (Vr). Para isso, caso sejam utilizados módulos fotovoltaicos conectados em série, é necessária uma quantidade mínima para atingir esse nível de tensão. Caso a fonte renovável composta por célula a combustível, sistema eólico ou solar não atinjam os limiares de tensão para o barramento CC, deve-se introduzir um conversor elevador de tensão CC-CC.I 11 composed of a DC-DC converter. Thus, for the proper operation of the DC-AC converter, it is necessary that the voltage of the DC input bus has a minimum voltage greater than the peak value of the mains voltage (Vr). For this, if photovoltaic modules connected in series are used, a minimum quantity is required to reach this voltage level. If the renewable source made up of a fuel cell, wind or solar system does not reach the voltage thresholds for the DC bus, a DC-DC voltage converter must be introduced.

[019]. Além disso, verifica-se que a topologia do circuito de potência da presente invenção não apresenta transformador de alta ou baixa frequência, o que reduz o tamanho e peso do conversor. Porém, um transformador é requerido apenas para a confecção da fonte de tensão auxiliar Vaux, a qual é externa ao circuito de potência desta patente.[019]. In addition, it appears that the topology of the power circuit of the present invention does not have a high or low frequency transformer, which reduces the size and weight of the converter. However, a transformer is required only for the manufacture of the auxiliary voltage source Vaux, which is external to the power circuit of this patent.

Descrição detalhada [020]. Esta estrutura topológica de inversor monofásico em ponte completa com célula de comutação não dissipativa, opera de modo conectado à rede elétrica e utiliza um sistema de controle para a extração de máxima potência da fonte de energia renovável, constituída de arranjo fotovoltaico (ou outras fontes com características similares). Esse sistema de máxima extração de energia é denominado MEMP (método de extração de máxima potência), sem a utilização de sensores do lado de CC, o que minimiza custos e tempo computacional para processamento dos sinais.Detailed description [020]. This topological structure of a single-phase inverter on a complete bridge with a non-dissipative switching cell, operates in a connected way to the electrical network and uses a control system for the maximum power extraction from the renewable energy source, consisting of a photovoltaic arrangement (or other sources with similar characteristics). This system of maximum energy extraction is called MEMP (maximum power extraction method), without the use of sensors on the DC side, which minimizes costs and computational time for signal processing.

[021]. Com esse sistema, efetua-se o rastreamento da máxima potência através das perturbações realizadas na amplitude da corrente injetada CA na rede elétrica.[021]. With this system, maximum power is tracked through disturbances in the amplitude of the current injected AC into the power grid.

[022]. A estrutura topológica de inversor em ponte completa utiliza duas células não dissipativas e cada uma irá operar para o respectivo semiciclo da onda senoidal da rede elétrica. Ela está apresentada na Figura 1 (modelo da célula para semiciclo positivo) e foi concebida, inicialmente, de modo a ser aplicada em conversores CC-CC do tipo Buck (abaixador de tensão), o qual é composto por[022]. The topological structure of the complete bridge inverter uses two non-dissipative cells and each one will operate for the respective sine wave semiconductor of the electrical network. It is shown in Figure 1 (cell model for positive semicycle) and was initially designed to be applied in Buck-type DC-DC converters (voltage lowering device), which is composed of

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I 11 apenas uma chave principal (S1) e uma auxiliar (Sauxi), sendo que essas chaves são dispositivos semicondutores de potência (MOSFETs, IGBTs, por exemplo). Tais dispositivos semicondutores são colocados em condução após ser dado um pulso e a respectiva abertura ocorre quando o pulso é desabilitado. Em paralelo à chave S1 está posicionado o diodo de roda-livre Dfw1. Em série com a chave Saux1 está instalado o indutor ressonante Lr, diodo Di e a alimentação da célula não dissipativa pela fonte auxiliar Vaux. Entre os nós 2 e p, está posicionado o capacitor ressonante Cri e entre os nós 3 e p, está o diodo de roda-livre Dfw2. [023]. A Figura 2 apresenta o modelo da célula para o semiciclo negativo, composta de chave principal S3, a qual tem instalado em paralelo o diodo de roda-livre Dfw3. Em série com a chave Saux2, está instalado o indutor ressonante Lr, diodo Di e a alimentação da célula não dissipativa pela fonte auxiliar Vaux. Entre os nós 5 e p, está posicionado o capacitor ressonante Cr2 e entre os nós 6 e p, está o diodo de roda-livre Dfw4.I 11 only one main switch (S1) and one auxiliary switch (Sauxi), and these switches are power semiconductor devices (MOSFETs, IGBTs, for example). Such semiconductor devices are placed in conduction after a pulse is given and the respective opening occurs when the pulse is disabled. In parallel to switch S1, the free-wheel diode Dfw1 is positioned. In series with the Saux1 switch, the Lr resonant inductor, Di diode and the non-dissipative cell supply via the Vaux auxiliary source are installed. Between nodes 2 and p, the resonant capacitor Cri is positioned and between nodes 3 and p, there is the freewheeling diode Dfw2. [023]. Figure 2 shows the cell model for the negative semicycle, composed of the main switch S3, which has the Dfw3 free-wheel diode installed in parallel. In series with the Saux2 switch, the Lr resonant inductor, Di diode and the non-dissipative cell supply via the Vaux auxiliary source are installed. Between nodes 5 and p, the resonant capacitor Cr2 is positioned and between nodes 6 and p, there is the freewheeling diode Dfw4.

[024]. Essa célula promove chaveamento não dissipativo e pode operar em alta frequência e em sistemas de elevada potência, até em torno de 5 kW, sem a limitação de potência teórica, a qual ocorre em conversores com células de comutação suave Quase-Ressonantes convencionais e Quase-Ressonantes PWM.[024]. This cell promotes non-dissipative switching and can operate at high frequency and in high power systems, up to around 5 kW, without the theoretical power limitation, which occurs in converters with conventional quasi-resonant and almost- PWM resonators.

[025]. A Figura 3 apresenta o diagrama esquemático do conversor CC-CA proposto com a célula de comutação suave LC-PWM-SF-RDC. Estão indicadas as tensões Vab, a corrente injetada na rede elétrica Io, a tensão da rede elétrica Vr (entre os nós 1 e 2) e tensão da fonte auxiliar Vaux (entre os nós 3 e 4). Além disso, a Figura 4 mostra o diagrama da fonte auxiliar Vaux para a alimentação da célula de comutação suave. Esta fonte é constituída de um transformador com um enrolamento primário alimentado pela tensão Vr e que induzirá tensões aos enrolamentos do secundário, o qual é dividido por um tape central. Esse tape é conectado ao terra do circuito de potência mostrado na Figura 3. Na saída dos enrolamentos do secundário estão dois diodos, formando um retificador de onda completa, cujo nível CC será filtrado pelo capacitor Cf, resultando na tensão Vaux[025]. Figure 3 shows the schematic diagram of the proposed CC-AC converter with the LC-PWM-SF-RDC soft switching cell. The voltages Vab, the current injected into the mains Io, the mains voltage Vr (between nodes 1 and 2) and the voltage of the auxiliary source Vaux (between nodes 3 and 4) are indicated. In addition, Figure 4 shows the diagram of the Vaux auxiliary power supply for supplying the soft switching cell. This source consists of a transformer with a primary winding fed by the voltage Vr and which will induce voltages to the secondary windings, which is divided by a central tape. This tape is connected to the ground of the power circuit shown in Figure 3. At the output of the secondary windings there are two diodes, forming a full wave rectifier, whose DC level will be filtered by capacitor Cf, resulting in the Vaux voltage

Petição 870180151116, de 13/11/2018, pág. 9/13Petition 870180151116, of 11/13/2018, p. 9/13

I 11 entre os nós 3 e 4 (este está conectado ao terra).I 11 between nodes 3 and 4 (this is connected to ground).

[026]. Supondo que a tensão de circuito aberto de um arranjo fotovoltaico que esteja alimentando o lado CC do conversor proposto seja igual a 504,4V à 25°C, a tensão Vaux deverá ser igual a, no mínimo, 300 V, tendo-se uma relação da tensão de entrada (Vin) pela tensão da fonte auxiliar (Vaux) de 1,66. Esta relação é denominada K e deve estar entre 1 e 2, embora não possa ser igual a 1 ou igual a 2 (1<K<2).[026]. Assuming that the open circuit voltage of a photovoltaic array that is supplying the DC side of the proposed converter is equal to 504.4V at 25 ° C, the Vaux voltage should be equal to, at least, 300 V, having a relationship the input voltage (Vin) by the auxiliary source voltage (Vaux) of 1.66. This relationship is called K and must be between 1 and 2, although it cannot be equal to 1 or equal to 2 (1 <K <2).

[027]. O diagrama de blocos da Figura 5 enfatiza que a alimentação do conversor proposto pode ser feita por tensão de corrente contínua que seja proveniente de fontes renováveis, tais como, solar, eólica e células a combustível (1). Essa tensão será convertida pelo circuito de potência apresentado na Figura 3, constituído pelo conversor CC-CA com célula de comutação suave (2). Verifica-se que a distorção harmônica total da corrente distorcida deve estar dentro dos limiares estabelecidos pelas normas brasileiras ABNT NBR 16.149 e ABNT NBR 16.150, além de internacionais tal como a IEEE 1547. Para tal é necessário o filtro indutivo constituído por dois indutores na saída do conversor proposto, os quais são denominados de Lf1 e Lf2, conforme apresentado na Figura 3 (3).[027]. The block diagram in Figure 5 emphasizes that the proposed converter can be powered by direct current voltage that comes from renewable sources, such as solar, wind and fuel cells (1). This voltage will be converted by the power circuit shown in Figure 3, consisting of the DC-AC converter with a smooth switching cell (2). It appears that the total harmonic distortion of the distorted current must be within the thresholds established by the Brazilian standards ABNT NBR 16.149 and ABNT NBR 16.150, in addition to international standards such as IEEE 1547. For this purpose, an inductive filter consisting of two inductors at the output is necessary. of the proposed converter, which are called Lf1 and Lf2, as shown in Figure 3 (3).

[028]. Para a operação adequada do sistema de controle, o qual é responsável pela realização da extração da máxima energia disponível no barramento de entrada e injeção de corrente senoidal em sincronismo com a rede elétrica, são necessárias, no mínimo, as leituras da corrente e tensão da rede elétrica (4).[028]. For the proper operation of the control system, which is responsible for the extraction of the maximum energy available in the input bus and injection of sinusoidal current in synchronism with the electrical network, at least the readings of the current and voltage of the electrical network (4).

[029]. As etapas de operação do conversor CC-CA proposto, serão apresentadas para o semiciclo positivo da tensão da rede elétrica (Vr). O mesmo princípio de funcionamento é válido para o semiciclo negativo de Vr. É importante salientar que, pela lógica de controle implementada, a chave S4 ficará habilitada por todo o semiciclo positivo. O mesmo ocorre para a chave S2 durante o semiciclo negativo.[029]. The operation steps of the proposed DC-AC converter, will be presented for the positive semiconductor of the mains voltage (Vr). The same operating principle is valid for the Vr negative semicycle. It is important to note that, due to the control logic implemented, the S4 switch will be enabled for the entire positive semicycle. The same is true for switch S2 during the negative semicycle.

[030]. Na primeira etapa, ilustrada pela Figura 6, é possível observar que, inicialmente, toda a corrente Io passa por Dfw2, o que mantém a tensão no[030]. In the first stage, illustrated by Figure 6, it is possible to observe that, initially, all current Io passes through Dfw2, which maintains the voltage in the

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I 11 capacitor ressonante Vcri igual a 0 V. Ao fechar Sauxi, a corrente em Ilr aumenta linearmente, se opondo à variação instantânea da corrente. Esta etapa finaliza quando Ilr se iguala a Io, fazendo com que esta deixe de circular por Dfw2.I 11 resonant capacitor Vcri equal to 0 V. When closing Sauxi, the current in Ilr increases linearly, opposing the instantaneous variation of the current. This stage ends when Ilr equals Io, causing it to stop circulating through Dfw2.

[031]. A Figura 7 mostra a segunda etapa, em que o diodo Dfw2 abre permitindo a ressonância entre Cri e Lr. A corrente Ilr aumenta devido às contribuições de Io e de Iaux. A consequência da ressonância é o aumento da tensão em Cri até atingir o valor da tensão de entrada Vin, sendo esta condição necessária para a finalização desta etapa (Vcri = Vin).[031]. Figure 7 shows the second stage, in which the Dfw2 diode opens allowing the resonance between Cri and Lr. The current Ilr increases due to the contributions of Io and Iaux. The consequence of the resonance is the increase of the voltage in Cri until reaching the value of the input voltage Vin, this condition being necessary for the completion of this step (Vcri = Vin).

[032]. Na terceira etapa apresentada na Figura 8, a chave S1 fecha em ZVS e, para isso, a tensão Vcr1 se mantém constante igual a Vin. A corrente Io começa a se desviar da célula de comutação para a fonte principal Vin, sendo que Ilr diminui para o valor de Io, o que caracteriza a finalização desta etapa. Nota-se também que, a corrente do indutor ressonante Ilr manterá o diodo Dfw1 em condução direta.[032]. In the third stage shown in Figure 8, switch S1 closes in ZVS and, for this, the voltage Vcr1 remains constant equal to Vin. The current Io begins to deviate from the switching cell to the main source Vin, with Ilr decreasing to the value of Io, which characterizes the completion of this step. It is also noted that the current of the resonant inductor Ilr will keep the diode Dfw1 in direct conduction.

[033]. Na quarta etapa, ilustrada na Figura 9, a corrente Is1 aumenta linearmente até atingir o valor de Io. A corrente do indutor ressonante Ilr, por sua vez, decresce linearmente de Io até 0 A. A tensão no capacitor Vcr1 mantém-se constante em Vin, devido ao fato de S1 permanecer fechado.[033]. In the fourth step, illustrated in Figure 9, the Is1 current increases linearly until reaching the value of Io. The current of the resonant inductor Ilr, in turn, decreases linearly from Io to 0 A. The voltage in capacitor Vcr1 remains constant in Vin, due to the fact that S1 remains closed.

[034]. Durante a quinta etapa, ilustrada na Figura 10, a chave Saux1 é aberta em ZCS (com corrente nula). Dessa forma, toda a corrente passa pela fonte principal e tem-se a operação clássica do inversor em ponte completa (em inglês, Fullbridge).[034]. During the fifth stage, illustrated in Figure 10, the Saux1 switch is opened in ZCS (with zero current). In this way, all current flows through the main source and there is the classic operation of the complete bridge inverter (in English, Fullbridge).

[035]. Na sexta etapa, apresentada na Figura 11, a chave S1 é aberta e, dessa maneira, a corrente Io se desvia da chave S1 ao capacitor Cr1, fazendo-o descarregar pela rede elétrica. Essa etapa finaliza quando a tensão Vcr1 atinge o valor de 0 V.[035]. In the sixth stage, shown in Figure 11, the switch S1 is opened and, in this way, the current Io diverts from the switch S1 to capacitor Cr1, causing it to discharge through the electrical network. This step ends when the voltage Vcr1 reaches the value of 0 V.

[036]. Na sétima e última etapa de operação do sistema proposto, a qual está ilustrada na Figura 12, a corrente Io se desvia para o diodo de roda-livre da chave S2 (Díw2). Esta etapa tem duração até Saux1 fechar novamente.[036]. In the seventh and final stage of operation of the proposed system, which is illustrated in Figure 12, current Io is diverted to the free-wheel diode of switch S2 (Díw2). This step lasts until Saux1 closes again.

[037]. As formas de onda teóricas para o conversor proposto operando durante[037]. The theoretical waveforms for the proposed converter operating during

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I 11 o semiciclo positivo estão apresentadas na Figura 13. Nela é possível verificar o comportamento das correntes no indutor ressonante Ilr e da chave S1 (Isi). Nota-se que na terceira etapa, a corrente na chave S1 é negativa, devido à condução direta do diodo de roda-livre Dfw1. Além disso, estão apresentadas a forma de onda da tensão no capacitor ressonante Vcri, pulsos nas chaves Saux1 e s1. Observa-se que a chave s1 apenas entrará em condução se a tensão na mesma for nula, ou seja, quando a tensão em Vcri é igual a Vin (operação em ZVS).I 11 the positive semicycle are shown in Figure 13. It is possible to verify the behavior of the currents in the resonant inductor Ilr and the switch S1 (Isi). Note that in the third stage, the current in switch S1 is negative, due to the direct conduction of the freewheeling diode Dfw1. In addition, the voltage waveform in the resonant capacitor Vcri, pulses in the Saux1 and s1 switches are shown. It is observed that the switch s1 will only start conducting if the voltage in it is zero, that is, when the voltage in Vcri is equal to Vin (operation in ZVS).

[038]. Outra forma de representar as etapas de operação do conversor é através do plano de fases. Esse plano está ilustrado na Figura 14, o qual representa a evolução da corrente e tensão do circuito ressonante que compõe a célula de comutação suave. No eixo das abcissas está a tensão no capacitor de ressonância Cri e no eixo das ordenadas está apresentada a corrente no indutor de ressonância Lr.[038]. Another way of representing the operation steps of the converter is through the phase plan. This plan is illustrated in Figure 14, which represents the evolution of the current and voltage of the resonant circuit that makes up the smooth switching cell. In the abscissa axis there is the voltage in the resonance capacitor Cri and in the ordinate axis the current in the resonance inductor Lr is shown.

[039]. Observa-se que as chaves principais S1 e S3, incluindo suas respectivas chaves auxiliares Saux1 e Saux2, operam em alta frequência, na mesma frequência do sinal de portadora de 25 kHz, por exemplo. As chaves S2 e S4 operam na mesma frequência da rede elétrica com valor de 60 Hz, sendo que S4 opera durante o semiciclo positivo e S2 opera durante o semiciclo negativo. É possível verificar que para as chaves S2 e S4 podem ser aplicados Tiristores, devido à operação na frequência da rede elétrica, instalando-se em paralelo aos mesmos, diodos rápidos de roda-livre Dfw2 e Dfw4. Esse tipo de modulação promove uma redução das perdas de chaveamento e observa-se que, no instante em que as chaves abrem, a corrente é nula, ou seja, tem-se a operação das chaves S2 e S4 em ZCS.[039]. It is observed that the main switches S1 and S3, including their respective auxiliary switches Saux1 and Saux2, operate at high frequency, at the same frequency as the 25 kHz carrier signal, for example. The switches S2 and S4 operate on the same frequency as the electrical network with a value of 60 Hz, with S4 operating during the positive semicycle and S2 operating during the negative semicycle. It is possible to verify that for the switches S2 and S4, Thyristors can be applied, due to the operation in the frequency of the electric network, installing in parallel to them, fast free-wheel diodes Dfw2 and Dfw4. This type of modulation promotes a reduction in switching losses and it is observed that, the moment the switches open, the current is null, that is, the operation of switches S2 and S4 in ZCS is performed.

[040]. A estrutura da lógica de controle utiliza a técnica de MEMP apresentada em BR102017016710-0, na qual são feitas as leituras da tensão e corrente da rede elétrica, de modo a perturbar a variável de referência que é utilizada na malha de controle para a corrente injetada.[040]. The structure of the control logic uses the MEMP technique presented in BR102017016710-0, in which the voltage and current readings of the electrical network are made, in order to disturb the reference variable that is used in the control loop for the injected current. .

[041]. Uma visão geral da técnica adotada é que ela se baseia na perturbação[041]. An overview of the technique adopted is that it is based on the disturbance

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I 11 da referência da corrente injetada, conforme as variações da potência injetada na rede elétrica e da tolerância (diferença máxima entre a referência da corrente RMS e da corrente lida pelo sensor na rede elétrica, sendo que esta variável determina a máxima amplitude a ser injetada na rede, ajustando de forma indireta a tensão no barramento CC). Nota-se que quanto maior for a amplitude da corrente injetada da rede, menor será a tensão do barramento CC e viceversa. O sistema de controle desenvolvido é capaz de ajustar o valor de pico da corrente de referência (Iref pico), mantendo a tensão do barramento CC no nível adequado para extração da máxima potência. Após isso, com o nível adequado da corrente de pico ajustado pelo MEMP, é realizado o sincronismo com a tensão da rede elétrica Vr, para a geração da corrente de referência (Io ref). Deve-se observar que Io ref é resultado da multiplicação do valor de pico de referência de corrente Iref pico (saída do algoritmo do MEMP), com onda senoidal em fase com a Vr (saída de um circuito denominado PLL, por exemplo, em inglês, Phase Locked Loop).I 11 of the injected current reference, according to the variations of the injected power in the electrical network and of the tolerance (maximum difference between the reference of the RMS current and the current read by the sensor in the electrical network, this variable determining the maximum amplitude to be injected in the network, indirectly adjusting the voltage on the DC bus). It is noted that the greater the amplitude of the injected current from the network, the lower the voltage of the DC bus and vice versa. The developed control system is able to adjust the peak value of the reference current (Iref peak), keeping the DC bus voltage at the appropriate level for maximum power extraction. After that, with the appropriate level of the peak current adjusted by the MEMP, synchronization with the voltage of the mains voltage Vr is performed, for the generation of the reference current (Io ref). It should be noted that Io ref is the result of multiplying the peak current reference value Iref peak (MEMP algorithm output), with sine wave in phase with Vr (output from a circuit called PLL, for example, in English) , Phase Locked Loop).

[042]. A Figura 15 apresenta as formas de onda obtidas por simulação. Dentre essas, estão a tensão na rede Vr, corrente injetada na rede Io com baixo conteúdo harmônico atendendo aos requisitos das normas ABNT NBR 16149 e IEEE 1547, potência de um sistema fotovoltaico (utilizado neste exemplo) Pfv, potência máxima disponível pelo arranjo fotovoltaico pmáx, eficiência da extração da máxima potência do arranjo de entrada em torno de 99,7 %, variáveis Delta RMS e tolerância utilizadas pelo MEMP e, por fim está a corrente de pico imposta na referência da malha de corrente a ser injetada na rede.[042]. Figure 15 shows the waveforms obtained by simulation. Among these are the voltage in the Vr network, current injected into the Io network with low harmonic content, meeting the requirements of the ABNT NBR 16149 and IEEE 1547 standards, power of a photovoltaic system (used in this example) Pfv, maximum power available by the photovoltaic arrangement pmáx , efficiency of extracting the maximum power of the input arrangement around 99.7%, Delta RMS variables and tolerance used by MEMP and, finally, the peak current imposed in the reference of the current loop to be injected into the network.

Claims

1. FULL BRIDGE SINGLE-PHASE INVERTER SYSTEM CONNECTED TO THE ELECTRICAL NETWORK, characterized by comprising:

a) Two non-dissipative soft switching cells of the LC-PWM-SF-RDC type, in which one will operate during the positive half of the mains voltage (consisting of Si, Dfw1, Saux1, D2, Lr, Di, Vaux, Cri and Dfw2) and the other during the negative semicycle (consisting of S3, Dfw3, Saux2, D3, Lr, Di, Vaux, Cr2, Dfw4);

b) Complete bridge converter with four main and two auxiliary switches, with the main switches S1 and S3 including auxiliary S aux1 and Saux2 operating in the frequency range in kHz, through PWM modulation, and switches S2 and S4 operating in the mains frequency;

c) The switches S1, S2, S3, S4 and Saux1 and Saux2 are semiconductor devices made up of transistors of the type MOSFETs or IGBTs;

d) Auxiliary source consisting of a centrally shunted transformer, full wave rectifier and CF filter capacitor, which is required to supply the smooth switching cell;

e) Method of tracking the maximum power (MEMP) available on the DC bus by disturbing the amplitude of the current injected into the electrical network, applied to the DC-AC converter with a non-dissipative switching cell;

f) Maximum power tracking method (MEMP) available on the DC bus without using sensors on the DC side of the converter.

2. INVERTER SYSTEM, according to claim 1, characterized by having switches S2 and S4, operating at the frequency of the electrical network, which can be composed of thyristors, with the installation of fast diodes (Dfw2 and Dfw4) in parallel.

3. INVERTER SYSTEM, according to claim 2, characterized by having switches S2 and S4, operating at the frequency of the electrical network, minimizing switching losses.

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2 I 3

4. INVERTER SYSTEM, according to claim 1, characterized by having a soft non-dissipative switching cell that guarantees the operation of the system with lower losses during switching, greater efficiency of the converter and being able to mitigate possible noise due to the operation at high frequency, which can cause electromagnetic interference.

5. INVERTER SYSTEM, according to claim 1, characterized by having the supply of the DC-AC Converter performed by photovoltaic arrangement consisting of modules connected in series, system with fuel cell and wind system, which provide DC voltage within the established thresholds for proper operation (depending on the K ratio).

6. INVERTER SYSTEM, according to claim 1, characterized by using control of the DC-AC converter with maximum power point tracking through the use of only two sensors, for reading the voltage and current of the VR mains.

7. INVERTER SYSTEM, according to claim 1, characterized by synchronism control (PLL) and current injection in the electrical network, guaranteeing the operation of the DC-AC converter with low harmonic content of the injected current and unit power factor.

8. INVERTER SYSTEM, according to claim 1, characterized by having the CC-AC circuit presenting at least one inductive filter so that the current injected into the electrical network has a low harmonic content.

9. INVERTER SYSTEM, according to claim 1, characterized by using the Lf1 and Lf2 inductors connected in series.

10. INVERTER SYSTEM, according to claim 1, characterized by having a single stage when the DC-AC converter does not have the need for a DC-DC voltage lift stage.

11. INVERTER SYSTEM, according to claim 1, characterized by having the power circuit of the DC-AC converter implemented without the

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3 I 3 use of a high or low frequency transformer, which reduces the size, weight and cost of implementation.

12. INVERTER SYSTEM, according to claim 1, characterized in that it can be used as a DC-AC converter for operation in three-phase electrical networks.

13. INVERTER SYSTEM, according to claim 12, characterized by having to add for this three-phase operation, a smooth switching cell, including an auxiliary switch, a main switch with high frequency switching and a switch operating at low frequency for the respective cycle of the electric network.

14. INVERTER SYSTEM, according to claim 1, characterized by operating according to the following steps for the positive semicycle, being similar for the negative semiconductor of the mains voltage:

a) First stage in which the Saux1 and S4 switches are closed, with a linear increase in the ILR current;

b) Second stage in which the Dfw2 diode is opened, with the resonance between CR1 and LR, and the CR1 capacitor charge until reaching the value of the VIN input voltage;

c) Third stage in which the switch S1 is closed in ZVS (null voltage), the voltage of the capacitor CR1 remains with the value of the input voltage VIN, the current ILR has the same value of Io and the diode Díwi enters in direct conduction ;

d) Fourth stage in which the current Isi increases linearly until reaching the value of Io, current Ilr decreases to 0A and voltage Vcri remains constant equal to Vin;

e) Fifth stage in which the Saux1 switch is opened with zero current (ZCS), making the classic operation of the inverter complete bridge;

f) Sixth stage in which switch S1 is opened, current Io is diverted from switch S1 to capacitor Cri, discharging it through the electrical network, until reaching 0V;

g) Seventh stage in which the current Io is diverted to the free-wheel diode of switch S2 (Dfw2), lasting until the switch Saux1 closes again.