Publicação: Novo conversor isolado de múltiplas entradas e múltiplas saídas multidirecional para arquiteturas modernas de distribuição de energia CC de baixa tensão
Carregando...
Tipo do documento
Data
Direito de acesso
Coleções
Área do conhecimento
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::SISTEMAS ELETRICOS DE POTENCIA
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Autores
Orientador
Coorientador
Tofoli, Fernando Lessa
Resumo
Este trabalho apresenta a modelagem, a análise e a avaliação, em ambiente de simulação,
de um conversor CC-CC flyback multidirecional, multi-enrolamentos e multiportas, proposto
para a integração, em um único estágio de conversão, de fontes e cargas operando em diferentes
níveis de tensão em arquiteturas CC de baixa tensão. Com isso, reduz-se a necessidade de
conversores CC-CC intermediários e das perdas inerentes ao processamento de energia em
múltiplos estágios, favorecendo maior densidade de potência. Como prova de conceito, adotouse uma configuração de três portas composta por uma fonte fotovoltaica, uma carga CC e um
sistema de armazenamento por baterias, utilizada para desenvolver as formulações analíticas, a
estratégia de controle e os estudos de validação. Para a operação do conversor, adota-se uma
forma de funcionamento na qual os processos de magnetização e desmagnetização do indutor
acoplado ocorrem de forma individualizada por porta, reduzindo o acoplamento dinâmico entre
elas, ampliando a flexibilidade da relação de espiras e simplificando a implementação do
controle. A coordenação energética é realizada por uma estratégia de controle do fluxo de
potência, denominada Power Flow Control Strategy (PFCS), na qual a tensão da porta 2 atua
como variável global de coordenação e é mantida dentro de uma faixa delimitada por quatro
níveis de tensão, a partir dos quais são selecionados os modos de operação conforme o balanço
entre geração fotovoltaica, demanda da carga e capacidade de intercâmbio do armazenamento.
Nessa estrutura, a porta 1, conectada ao sistema fotovoltaico, opera em rastreamento do ponto
de máxima potência (Maximum Power Point Tracking – MPPT) ou em modo de limitação de
potência por voltage droop (Voltage Droop Control Mode – VDCM). Para essa porta, empregase um controlador preditivo baseado em modelo com conjunto finito de ações (Finite Control
Set Model Predictive Control – FCS-MPC) para rastrear a referência de tensão do arranjo
fotovoltaico, a qual é definida pelo algoritmo de MPPT, com passo adaptativo e baseado na
estimativa da corrente fotovoltaica por observador, dispensando sensor de corrente, ou pelo
VDCM, conforme o modo de operação do sistema. A porta 3, associada ao armazenamento por
baterias, é controlada bidireccionalmente por meio de duas estratégias de voltage droop, uma
destinada ao processo de carga e outra ao processo de descarga. Na presença de excedente
energético, o sistema seleciona o modo Battery Voltage Droop control by charging mode
(BVDMcha), no qual a bateria absorve potência; em situação de déficit energético, seleciona-se
o modo Battery Voltage Droop control by discharging mode (BVDMdis), no qual a bateria
fornece potência ao sistema. Na ausência de necessidade de intercâmbio de energia, a porta 3
2
permanece em estado de espera, caracterizado pelo modo IDLE. De modo complementar, a
porta 2, associada à carga CC, incorpora funções de proteção que permitem manter a carga
conectada ou realizar sua desconexão. Os resultados de simulação, sob operação ilhada e
diferentes condições de irradiância e demanda na carga, mostraram que a tensão da porta 2
permaneceu dentro da faixa especificada tanto em cenários de excedente quanto de déficit de
potência, com a porta 3 transitando entre os modos BVDMcha e BVDMdis para absorver ou
fornecer energia conforme requerido; adicionalmente, realizou-se uma avaliação comparativa
de estratégias alternativas de controle para a porta 3, evidenciando diferenças de
compatibilidade dinâmica com a malha fotovoltaica. Em síntese, os resultados obtidos indicam
que a topologia multiporta proposta, associada à nova forma de operação e à estratégia de
controle desenvolvida, constitui uma solução tecnicamente viável para a integração, em um
único estágio de conversão, de elementos operando em diferentes níveis de tensão em
arquiteturas CC.
Abstract
This work presents the modelling, analysis, and simulation-based evaluation of a
multidirectional, multi-winding, multiport flyback DC-DC converter proposed for the
integration, within a single conversion stage, of sources and loads operating at different voltage
levels in low-voltage DC architectures. By doing so, the need for intermediate DC-DC
converters and the losses inherent to multistage power processing are reduced, thereby favoring
higher power density. As a proof of concept, a three-port configuration composed of a
photovoltaic source, a DC load, and a battery energy storage system was adopted to develop
the analytical formulations, the control strategy, and the validation studies. For converter
operation, an operating scheme is adopted in which the magnetization and demagnetization
processes of the coupled inductor take place individually for each port, thereby reducing the
dynamic coupling among ports, increasing the flexibility of the turns-ratio design, and
simplifying control implementation. Energy coordination is performed through a Power Flow
Control Strategy (PFCS), in which the voltage of port 2 acts as the global coordination variable
and is maintained within a band delimited by four voltage levels, from which the operating
modes are selected according to the balance among photovoltaic generation, load demand, and
the power-exchange capability of the storage system. Within this framework, port 1, connected
to the photovoltaic system, operates either in Maximum Power Point Tracking (MPPT) mode
or in voltage-droop-based power-limiting mode, referred to as Voltage Droop Control Mode
(VDCM). For this port, a Finite Control Set Model Predictive Control (FCS-MPC) strategy is
employed to track the photovoltaic array voltage reference, which is generated either by the
MPPT algorithm, featuring an adaptive step size and based on observer-estimated photovoltaic
current without the need for a current sensor, or by the VDCM, depending on the system
operating mode. Port 3, associated with battery energy storage, is bidirectionally controlled
through two voltage-droop strategies, one dedicated to the charging process and the other to the
discharging process. Under surplus-energy conditions, the system selects the Battery Voltage
Droop Control by Charging Mode (BVDMcha), in which the battery absorbs power; under
power-deficit conditions, it selects the Battery Voltage Droop Control by Discharging Mode
(BVDMdis), in which the battery supplies power to the system. When no energy exchange is
required, port 3 remains in a standby state characterized by the IDLE mode. In a complementary
manner, port 2, associated with the DC load, incorporates protection functions that allow the
load either to remain connected or to be disconnected. Simulation results under islanded
operation and different irradiance and load-demand conditions showed that the voltage of port
4
2 remained within the specified range under both surplus- and deficit-power scenarios, with
port 3 transitioning between the BVDMcha and BVDMdis modes to absorb or supply energy as
required. In addition, a comparative evaluation of alternative control strategies for port 3 was
carried out, highlighting differences in dynamic compatibility with the photovoltaic control
loop. In summary, the obtained results indicate that the proposed multiport topology, together
with the new operating scheme and the developed control strategy, constitutes a technically
viable solution for integrating, within a single conversion stage, elements operating at different
voltage levels in DC architectures.
Palavras-chave
Conversor CC-CC flyback multidirecional, Conversor multiporta, Conversor de três portas, Controle preditivo baseado em modelo com conjunto finito de ações, Estratégia de controle do fluxo de potência, Arquiteturas CC de baixa tensão
Citação
OLIVEIRA, Raphael Carrijo de. Novo conversor isolado de múltiplas entradas e múltiplas saídas multidirecional para arquiteturas modernas de distribuição de energia CC de baixa tensão. 2026. 210f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.444
Coleções
Avaliação
Revisão
Suplementado Por
Referenciado Por
Licença Creative Commons
Exceto quando indicado de outra forma, a licença deste item é descrita como Acesso Aberto