Papers by Prof. Roberto Coelho
Eletrônica de Potência, Dec 31, 2022
Este artigo apresenta uma metodologia para estimar, ainda na etapa de projeto, a distorção harmôn... more Este artigo apresenta uma metodologia para estimar, ainda na etapa de projeto, a distorção harmônica total da corrente injetada na rede elétrica por inversores fonte de tensão de dois estágios. Como tais inversores operam em malha fechada, a qualidade da corrente injetada na rede elétrica é altamente dependente da dinâmica das malhas de controle. Assim, é necessário focar em uma abordagem que modele o comportamento da corrente injetada na rede considerando as perturbações em malha fechada. A abordagem proposta possibilita a derivação de uma equação para prever o comportamento da corrente injetada na rede e estimar sua distorção harmônica, tornando-se uma importante ferramenta para otimizar o projeto de inversores conectados à rede. Para validar a acurácia da metodologia desenvolvida, são apresentados resultados experimentais em diferentes cenários de operação.
Eletrônica de Potência, Jul 1, 2007
Resumo-O artigo apresenta o estudo, implementação e resultados experimentais de um sistema fotovo... more Resumo-O artigo apresenta o estudo, implementação e resultados experimentais de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica, composto por um conversor CC-CC elevador, operando com comutação suave, e um inversor ponte completa (Full-Bridge). O conversor CC-CC é controlado por um sistema rastreador de máxima potência (Maximum Power Point Tracker-MPPT), implementado em um microcontrolador, para que seu funcionamento esteja sempre próximo ao ponto de máximo aproveitamento de potência do painel fotovoltaico. O inversor, além de injetar na concessionária uma corrente alternada de qualidade e em fase com a tensão da rede, também controla a tensão do seu barramento CC de entrada. Palavras-Chave-Comutação ZVS, conversores CC/CC, sistemas fotovoltaicos.
Energies
This paper proposes a novel maximum power point tracking algorithm applied to photovoltaic system... more This paper proposes a novel maximum power point tracking algorithm applied to photovoltaic systems. The proposed method uses the derivative of power versus voltage to define the tracking path and has the advantage of requiring only a voltage sensor to be implemented. The absence of the current sensor and the auxiliary circuitry employed for conditioning the current signal imply cost reduction, configuring the main contribution of the proposed method, whose performance is kept close to the classical incremental conductance method, even with the reduced number of components. A DC-DC zeta converter is introduced in the content of this work as an interface between a photovoltaic array and a resistive load. The paper describes the operating principle and presents the mathematical formulation related to the proposed algorithm. Interesting simulation and experimental results are presented to validate the theory by comparing the proposed method with its traditional version under several sce...
Eletrônica de Potência, 2020
Este artigo apresenta uma célula ativa de Célula de Desacoplamento de Potência para Microinversor... more Este artigo apresenta uma célula ativa de Célula de Desacoplamento de Potência para Microinversores Fotovoltaicos Este artigo apresenta uma célula ativa de Célula de Desacoplamento de Potência para Microinversores Fotovoltaicos desacoplamento de potência aplicada à mitigação da Célula de Desacoplamento de Potência para Microinversores Fotovoltaicos desacoplamento de potência aplicada à mitigação da Célula de Desacoplamento de Potência para Microinversores Fotovoltaicos ondulação de tensão de um microinversor fotovoltaico de dois estágios. Essa célula é projetada para ser acoplada ao barramento CC principal do microinversor e desviar a ondulação de 120 Hz para um barramento secundário, configurando uma alternativa viável ao uso de capacitores eletrolíticos, usualmente empregados com esse propósito. O artigo traz uma revisão bibliográfica que aponta para as principais topologias e estratégias de controle normalmente utilizadas em células de Power Decoupling Cell for Photovoltaic Microinverters controle normalmente utilizadas em células de Power Decoupling Cell for Photovoltaic Microinverters desacoplamento de potência, detalha o equacionamento voltado ao seu dimensionamento e apresenta resultados experimentais considerando duas estratégias de controle distintas. Tais resultados comprovam a habilidade da célula de desacoplamento em mitigar a componente de 120 Hz da tensão do barramento CC, reduzindo-a de 7,2% para apenas 1,1%.
Eletrônica de Potência, 2013
This work proposes a 12 kW three-phase grid-connected single stage PWM DC-AC converter destined t... more This work proposes a 12 kW three-phase grid-connected single stage PWM DC-AC converter destined to process the energy provided by a photovoltaic array composed of 57 KC200GT PV modules with high power factor for any solar radiation. The PWM inverter modeling and the control strategy, using dq0 transformation, are proposed in order to also allow the system operation as an active power filter, capable to compensate harmonic components and reactive power generated by the non-linear loads connected to the mains grid. An input voltage clamping technique is proposed to impose the photovoltaic operation on the maximum power point. Simulation and experimental results are presented to validate the proposed methodology for grid connected photovoltaic generation system.
Eletrônica de Potência, 2015
Resumo-Este artigo propõe uma estratégia para gerenciamento do fluxo de potência em uma microrred... more Resumo-Este artigo propõe uma estratégia para gerenciamento do fluxo de potência em uma microrrede híbrida composta por um arranjo fotovoltaico de 1 kW p , um aerogerador de 1,2 kW p , uma célula a combustível de 1,2 kW e um banco de supercapacitores de 31 F/ 250 V. Tal microrrede é concebida para permitir o suprimento ininterrupto de energia a cargas críticas cc, podendo operar no modo isolado ou interligado à rede elétrica. A partir do estudo teórico da microrrede, são definidas as referências de potência para cada uma das fontes renováveis em função do modo de operação (conectado à rede ou isolado), da disponibilidade de recursos energéticos (sol, vento e estoque de hidrogênio) e da prioridade de despacho. Resultados experimentais oriundos do funcionamento da microrrede mostram que as transições entre os diversos cenários ocorrem de maneira suave e que o fluxo de potência se estabelece de acordo com as prioridades de despacho de cada cenário.
Eletrônica de Potência, 2018
Resumo-Este artigo propõe um novo conversor cc-cc não isolado de alto ganho baseado no clássico c... more Resumo-Este artigo propõe um novo conversor cc-cc não isolado de alto ganho baseado no clássico conversor Buck síncrono com indutor acoplado e multiplicadores de tensão. Além de apresentar baixos esforços de tensão nos interruptores, o conversor proposto permite uma menor utilização magnética quando comparado a conversores baseados na topologia Boost, levando a uma estrutura mais compacta. Seu modo de operação ressonante possibilita comutação com tensão nula na ativação dos interruptores e comutação com corrente nula no bloqueio dos diodos, o que aumenta seu rendimento. Resultados experimentais obtidos a partir de um protótipo de 150 W, capaz de operar com uma grande variedade de módulos de filme fino, com tensão de entrada de 55-85 V e tensão de saída de 400 V, mostram que o rendimento máximo obtido é de 98,0% e os rendimentos ponderados da Comissão de Energia da Califórnia (CEC) são superiores a 96,7% em toda a faixa de tensão de entrada.
Eletrônica de Potência, 2019
Resumo-Este artigo propõe um novo conversor cc-cc não isolado de alto ganho baseado no conversor ... more Resumo-Este artigo propõe um novo conversor cc-cc não isolado de alto ganho baseado no conversor Ćuk com indutor acoplado e multiplicadores de tensão, acrescido de um filtro LC de entrada. O conversor proposto apresenta reduzidos esforços de tensão nos interruptores e permite o projeto de dispositivos magnéticos de volume reduzido. Além disso, o seu modo de operação ressonante possibilita comutação com tensão nula na ativação dos interruptores e comutação com corrente nula no bloqueio dos diodos, propiciando alto rendimento à topologia. Um protótipo de 200 W, com faixa de tensão de entrada de 25-40 V e tensão de saída de 400 V foi construído e testado experimentalmente. O protótipo do conversor proposto apresentou rendimento máximo de 96,5% e rendimentos ponderados da Comissão de Energia da Califórnia (CEC) superiores a 95% em toda a faixa de tensão de entrada.
Eletrônica de Potência, 2018
Resumo-Neste artigo apresenta-se um estudo comparativo entre técnicas aplicadas ao controle de co... more Resumo-Neste artigo apresenta-se um estudo comparativo entre técnicas aplicadas ao controle de conversores cc-cc com saídas conectadas em paralelo. Este tipo de conexão é comum em aplicações envolvendo microrredes, em que um mesmo barramento CC é compartilhado entre diversos estágios de processamento de energia. As técnicas de controle abordadas neste artigo diferenciam-se quanto à forma de implementação, que pode ser local ou coordenado. Além de apresentarem diferentes comportamentos quanto à complexidade, robustez, modularidade e rastreamento de referência, tais técnicas influenciam a estabilidade do sistema, uma vez que alteram a impedância equivalente de saída dos conversores. A fim de avaliar tais características, o artigo compara experimentalmente as técnicas de controle do tipo droop, hierárquico e mestre-escravo, e apresenta uma análise da estabilidade em nível de eletrônica de potência, considerando um sistema composto por três conversores Boost com saídas compartilhadas. Palavras-Chave-Controle droop, Controle hierárquico, Controle mestre-escravo, Estabilidade.
Catarina para a obtenção do Grau de A AG GR RA AD DE EC CI IM ME EN NT TO OS S Expresso meus prof... more Catarina para a obtenção do Grau de A AG GR RA AD DE EC CI IM ME EN NT TO OS S Expresso meus profundos agradecimentos a meu pai (in memoriam), minha mãe e meus irmãos, cujo apoio e incentivo motivou-me a seguir em frente. Em especial agradeço a minha mãe, dona Néia, que apesar das adversidades sempre trabalhou arduamente para que seus filhos tivessem a oportunidade de estudar; a minha irmã Maristela, pela amizade, apoio, risadas e horas dedicadas à leitura e correção do texto. Também agradeço a minha esposa, Thayse, pelo companheirismo, amor, carinho e compreensão nos momentos de ausência, que foram muitos. Estendo meus agradecimentos a sua família, pelo respeito e amizade. Agradeço ao professor Denizar Cruz Martins, que com dedicação, organização e sabedoria me orientou no decorrer dos quatro anos de doutorado, sempre demonstrando muito comprometimento. Além de toda a competência técnica, o professor Denizar agrega qualidades como simplicidade, educação refinada e incrível capacidade de resolver problemas. Obrigado pelo privilégio de ter sido seu orientado. Estendo meus agradecimentos ao professor Ivo Barbi, pessoa de conhecimento ilimitado e com fantástica facilidade de transmiti-lo. Sem seus ensinamentos e incentivo, meu trajeto teria sido mais árduo. Em igual importância, agradeço aos professores Samir Ahmad Mussa, Arnaldo José Perin, Ênio Valmor Kassick e Marcelo Lobo Heldwein, pelas aulas ministradas e auxílio sempre que os solicitei. Agradeço aos membros da banca, em especial ao relator da tese, professor Francisco de Assis dos Santos Neves, pela dedicação na leitura e pelas contribuições. "Uma frase inteligente não prova nada" Voltaire Palavras-chave: Microrredes. Conversores estáticos. Controle. Fluxo de potência. Fontes renováveis de energia. Estabilidade. A AB BS ST TR RA AC CT T This work presents the procedures related to the practical implementation of a microgrid composed of 1 kW photovoltaic array, a 1 kW wind generator, a 1.2 kW fuel cell and a supercapacitor bank of 31,5 F/ 250V. The system, designed for allowing the uninterrupted maintenance of critical dc load, is able to operate in two distinct modes: grid-connected or stand alone. When in grid-connected mode, the main grid absorbs the extra generated power or complementing it, depending on the load requirements. In this mode, the fuel cell is never active due its high cost (Brazilian scenario). On the other hand, in standalone mode, the load demand is exclusively supplied by the renewable energy sources. However, the fuel cell is started only if there is not enough power provided by the photovoltaic array and wind turbine generator. Thus, the system autonomy is limited to the amount of stored hydrogen. Besides the analysis concerning the results from eight distinct scenarios, obtained by the combination of power generation and load demand, this work presents the methodologies related to the choice, design, size, and control of the employed power converters, discusses about the concept of decentralized generation, proposes a strategy to control the power flow among the renewable energy source, the main grid and the critical load and describes the effects of supercapacitor banks employment on the microgrid stability. Finally, results from simulation and experimentation are used in order to validate the concepts.
Eletrônica de Potência, 2021
Resumo-Este artigo apresenta o conversor Buck-Boost diferencial simétrico, obtido da conexão dife... more Resumo-Este artigo apresenta o conversor Buck-Boost diferencial simétrico, obtido da conexão diferencial entre dois conversores Buck-Boost. A topologia é caracterizada por apresentar baixa ondulação de tensão, processamento parcial de potência, capacidade de fornecer ganhos de tensão intermediários (1<M<10) e simplicidade de dimensionamento. O artigo apresenta a descrição do conversor proposto, suas principais equações e formas de onda em modo de condução contínua com modulação phase-shift, uma análise matemática que demonstra sua capacidade de realizar o processamento parcial de potência e uma análise comparativa com topologias similares publicadas na literatura. Além disso, resultados experimentais extraídos de um protótipo projetado para operar com frequência de comutação de 40 kHz, tensão de entrada de 105 V, tensão de saída de 400 V e potência nominal de 800 W são apresentados. Por ser destinado ao processamento de energia solar fotovoltaica, o conversor é validado em malha aberta e como rastreador do ponto de máxima potência, cuja eficiência CEC obtida é de 97,8%. Palavras-chave-Conexão diferencial, Processamento parcial de potência, Rastreamento do ponto de máxima potência. 1 SYMMETRIC DIFFERENTIAL DC-DC BUCK-BOOST CONVERTER Abstract-This paper presents the symmetric differential Buck-Boost converter, obtained from the differential connection between two Buck-Boost converters. The topology is characterized by presenting low voltage ripple, partial power processing, ability to provide intermediate voltage gains (1 <M <10) and simplicity of design. The paper presents the description of the proposed converter, its main equations and waveforms in continuous conduction mode with phase-shift modulation, a mathematical analysis that demonstrates its ability to perform partial power processing, and a comparative analysis with similar published topologies in literature. In addition, experimental results extracted from a prototype designed to operate with a switching frequency of 40 kHz, input voltage of 105 V, output voltage of 400 V and rated power of 800 W are presented. Since the proposed converter is applied to photovoltaic energy processing, it is validated in open loop and as maximum power point tracker, in which the weighted efficiency CEC obtained is 97.8%
2012 10th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications, 2012
Maximum power point trackers (MPPT) are employed to maximize the photovoltaic modules output powe... more Maximum power point trackers (MPPT) are employed to maximize the photovoltaic modules output power, since it is strongly affected by changes on the incident solar radiation, surface temperature and loadtype. Basically, a MPPT consists on a dc-dc converter (hardware) controlled by a tracking algorithm (software) and the combination of both, hardware and software, defines the tracking efficiency. This paper shows that even when the most accurate algorithm is employed, the maximum power point cannot be tracked, since its imposition as operating point depends on the dc-dc converter static feature and the load-type connected to its output. For validating the concept, the main dc-dc converters, i.e., Buck, Boost, Buck-Boost, Cuk, SEPIC and Zeta are analyzed considering two load-types: resistive and capacitive (regulated dc bus or battery). Simulation and experimental results are compared in order to confirm the theoretical analysis. 1
Eletrônica de Potência
Várias arquiteturas de link cc para transformadores de estado sólido têm sido sugeridas na litera... more Várias arquiteturas de link cc para transformadores de estado sólido têm sido sugeridas na literatura. No entanto, algumas são unidirecionais, não modulares, não possibilitam a divisão dos esforços de tensão e de corrente sobre os semicondutores ou não possuem redundância de conversores. Neste artigo apresenta-se uma proposta de arquitetura que utiliza conversores DAB visando a aplicação em transformadores de estado sólido. O sistema é concebido de maneira a propiciar características como: ajuste dos níveis de tensão, isolamento galvânico, bidirecionalidade, controle ativo do fluxo de potência e divisão da potência processada entre os módulos, reduzindo os esforços de tensão e de corrente nos interruptores e permitindo maior facilidade de expansão, concepção e controle. Além das características citadas, a arquitetura proposta apresenta modularidade e introduz o conceito de célula e redundância. Esta técnica favorece a retirada de alguns conversores da estrutura sem que os outros sejam submetidos à tensões maiores, a tensão na carga e na fonte de entrada não são alteradas e o fornecimento de potência à carga pode ser mantido , o que aumenta a confiabilidade no fornecimento de energia. A utilização do conversor DAB, chamado de Módulo DAB neste artigo, propicia alto rendimento, pois este conversor executa comutação suave natural para uma determinada faixa de carga. O princípio de operação da estrutura, seus mecanismos da divisão de potência processada e o conceito de redundância, são descritos e experimentalmente validados.
Energies
This work proposes a mixed-integer linear programming model for the operational cost function of ... more This work proposes a mixed-integer linear programming model for the operational cost function of lithium-ion batteries that should be applied in a microgrid centralized controller. Such a controller aims to supply loads while optimizing the leveled cost of energy, and for that, the cost function of the battery must compete with the cost functions of other energy resources, such as distribution network, dispatchable generators, and renewable sources. In this paper, in order to consider the battery lifetime degradation, the proposed operational cost model is based on the variation in its state of health (SOH). This variation is determined by experimental data that relate the number of charge and discharge cycles to some of the most important factors that degrade the lifespan of lithium-ion batteries, resulting in a simple empirical model that depends on the battery dispatch power and the current state of charge (SOC). As proof-of-concept, hardware-in-the-loop (HIL) simulations of a re...
Energies, 2022
This paper presents a partial power processing and an efficiency analysis of dc-dc differential c... more This paper presents a partial power processing and an efficiency analysis of dc-dc differential converters based on the use of two basic converters of the same group: the positive or negative group. The paper contributes theoretical analysis and demonstrates that the differential converters based on the positive group process has more power than the load requires, and that the differential converters based on the negative group process has less power than the load needs. This is an important advantage of the negative group converters, since a parcel of the output power is directly transferred by the input source to the load, resulting in partial power processing. In order to verify the theoretical analysis herein developed, ten prototypes are evaluated considering an input voltage of 20 V and output power of 100 W.
Eletrônica de Potência, 2017
Resumo-Uma das formas de alcançar elevado ganho estático por meio do conversor boost clássico con... more Resumo-Uma das formas de alcançar elevado ganho estático por meio do conversor boost clássico consiste na adição de células a capacitor chaveado a sua estrutura, originando os denominados conversores boost híbridos. Devido ao elevado número de elementos armazenadores de energia contidos nestes conversores, as funções de transferência que os representam são de ordem elevada e exigem grande esforço para serem obtidas. Neste artigo propõe-se uma metodologia que permite simplificar conversores boost híbridos genéricos (de ordem n) a um conversor dinamicamente equivalente, mas de segunda ordem. São apresentadas as equações que permitem determinar os parâmetros de equivalência, as funções de transferência orientadas ao controle e resultados experimentais, extraídos de um protótipo de 150 W, que validam a equivalência entre as respostas dinâmica do conversor boost híbrido e de seu modelo simplificado.
IET Power Electronics, 2020
A new high gain step-up dc-dc converter based on modified active switched-inductor (MASL) and swi... more A new high gain step-up dc-dc converter based on modified active switched-inductor (MASL) and switched-capacitor (SC) is proposed in this study. The proposed converter is based on the classical boost topology, in which the inductor is changed by the proposed MASL cell. This new cell allows the addition of more than two switched-inductors (SLs) to the classical boost topology, which is the most significant limitation of conventional active SL. Additionally, in the proposed converter, the output capacitor is replaced by an SC cell, increasing still more the voltage gain of it, which can be higher than 20 without using transformers or coupled inductors, and with lower voltage stress on the semiconductors and high efficiency. The principle of operation, theoretical static and dynamic analysis, design methodology and comparison with other non-isolated topologies present in the literature are approached in this study. The performance of the proposed converter is validated by interesting experimental results obtained from a 200 W prototype with an input voltage of 20 V, an output voltage of 400-600 V, switched frequency at 50 kHz and peak efficiency of 95%.
IET Power Electronics, 2020
This study proposes a novel high step-up non-isolated dc–dc converter based on the classical Cuk ... more This study proposes a novel high step-up non-isolated dc–dc converter based on the classical Cuk converter with coupled inductor and voltage multiplier techniques. To further increase its voltage gain, the load is differentially connected between the input source and the output capacitor. The proposed converter presents reduced voltage stresses over the active switches and allows the design of low-volume magnetic devices. Its quasi-resonant operation mode guarantees zero-current-switching (ZCS) turn-off of diodes, whereas the current ripple of the magnetic devices can be utilised to assist zero-voltage-switching (ZVS) turn-on of active switches. A prototype circuit with 25–40-V input voltage, 400-V output voltage, and 200-W output power is built and tested to verify its performance. The highest obtained efficiency is 97.2% and the weighted California Energy Commission (CEC) efficiencies are >95.7% over the entire input voltage range.
Eletrônica de Potência, 2018
Resumo-Este artigo propõe dois inversores do tipo Forward, os quais foram concebidos para a conex... more Resumo-Este artigo propõe dois inversores do tipo Forward, os quais foram concebidos para a conexão de fontes renováveis à rede elétrica através de um estágio único de conversão. As topologias permitem fazer o controle da corrente injetada na rede e da tensão de entrada e, devido ao ganho do transformador, podem ser aplicados em tensões de entrada menores ou maiores que a tensão da rede. As duas topologias operam no modo de condução contínuo e diferem-se entre si pela técnica de desmagnetização do transformador. Uma emprega enrolamento terciário e foi concebida para potências entre 200∼500 W. A outra utiliza a estrutura Forward com dois interruptores e, assim, desmagnetiza o transformador pelo enrolamento primário e foi concebida para sistemas de 500∼800 W. O artigo aborda princípio de operação, análise estática, função de transferência, dimensionamento dos filtros e projeto do controle das topologias. Elas são validadas experimentalmente em uma aplicação com 85 V de tensão de entrada e 110 V eficazes de tensão de rede. Os resultados mostraram uma corrente injetada à rede elétrica com fator de potência maior que 0,98 e uma distorção harmônica menor que 3,75%, além de um rendimento acima de 84% em potência nominal.
Eletrônica de Potência, 2018
Resumo-Este artigo apresenta um conversor CC-CC elevador não isolado, obtido a partir da combinaç... more Resumo-Este artigo apresenta um conversor CC-CC elevador não isolado, obtido a partir da combinação de uma rede ativa de indutores chaveados com uma rede passiva de capacitores chaveados. O conversor proposto pode alcançar ganhos de tensão elevados (>10) e caracteriza-se por apresentar reduzido número de componentes e baixos esforços de tensão nos interruptores. O artigo apresenta o princípio de operação do conversor em modo de condução contínua e descontínua, suas principais formas de onda, equacionamento considerando parâmetros parasitas e análise comparativa com outros conversores de similar ganho, previamente publicados na literatura. A validação experimental do conversor proposto é alcançada por meio de um protótipo com potência nominal de 200 W,
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