Multi-objective design tool for optimizing capacitor selection in power converters based on the mission profile

Abstract

Sistemas de eletrônica de potência eficientes e confiáveis a longo prazo são um dos próximos grandes desafios no setor de energia. A eficiência e a confiabilidade do conversor de potência são elementoschave para expandir a capacidade instalada de fontes de energia renováveis e devem ser levadas em consideração na estimativa de processamento anual de energia e em suas fases de projeto. Assim, para maximizar o rendimento energético, reduzir custos e aumentar o lucro por geração de energia, um conversor de potência deve ser projetado de acordo com as características específicas do sistema e de seu perfil energético. Tomando como estudo de caso sistemas fotovoltaicos, a potência instantânea fornecida depende de vários fatores, como irradiância solar, temperatura ambiente, orientação e tipo de montagem do painel, eficiência das células solares, entre outros. Esta tese de doutorado visa contribuir com este tópico propondo uma nova e abrangente metodologia de projeto multiobjetivo para a seleção de capacitores em conversores de potência, com base no perfil de missão energética e ambiental em que o sistema irá operar. Para atingir esse objetivo, um método de caracterização do perfil da missão foi desenvolvido para permitir ao projetista um conjunto de informações sobre o comportamento de longo prazo de uma usina fotovoltaica. Além disso, para realizar uma análise de longo prazo do desempenho do conversor de energia, é feita uma modelagem eletro-térmica e de vida útil dos capacitores que atuam como buffer de energia, em função das condições variáveis das condições ambientais e do processamento de energia. Os resultados de um inversor fotovoltaico de estágio único são apresentados e discutidos com os seguintes objetivos: 1) entender como os diferentes perfis de missão afetam o desempenho dos conversores de potência e 2) como usar esse conhecimento para projetar adequadamente os capacitores com uma visão de longo prazo. Uma ferramenta de projeto de várias etapas é desenvolvida para atingir esse objetivo, onde o custo, o volume e a confiabilidade de vários projetos de banco de capacitores podem ser avaliados rapidamente pelo designer. Para demonstrar ainda mais a utilidade desta ferramenta de projeto proposta, também são apresentados análises e resultados de um segundo estudo de caso, onde os mesmos passos são utilizados para projetar os capacitores do DClink de uma fonte ininterrupta de potência de dupla conversão.