Multiphase Design and Control Techniques Applied to a Forward Micro-Inverter

En la última década la potencia instalada de energía solar fotovoltaica ha crecido una media de un 49% anual y se espera que alcance el 16%del consumo energético mundial en el año 2050. La mayor parte de estas instalaciones se corresponden con sistemas conectados a la red eléctrica y un amplio porcentaje de ellas son instalaciones domésticas o en edificios. En el mercado ya existen diferentes arquitecturas para este tipo de instalaciones, entre las que se encuentras los módulos AC. Un módulo AC consiste en un inversor, también conocido como micro-inversor, que se monta en la parte trasera de un panel o módulo fotovoltaico. Esta tecnología ofrece modularidad, redundancia y la extracción de la máxima potencia de cada panel solar de la instalación. Además, la expansión de esta tecnología posibilitará una reducción de costes asociados a las economías de escala y a la posibilidad de que el propio usuario pueda componer su propio sistema. Sin embargo, el micro-inversor debe ser capaz de proporcionar una ganancia de tensión adecuada para conectar el panel solar directamente a la red, mientras mantiene un rendimiento aceptable en un amplio rango de potencias. Asimismo, los estándares de conexión a red deber ser satisfechos y el tamaño y el tiempo de vida del micro-inversor son factores que han de tenerse siempre en cuenta. En esta tesis se propone un micro-inversor derivado de la topología “forward” controlado en el límite entre los modos de conducción continuo y discontinuo (BCM por sus siglas en inglés). El transformador de la topología propuesta mantiene la misma estructura que en el convertidor “forward” clásico y la utilización de interruptores bidireccionales en el secundario permite la conexión directa del inversor a la red. Asimismo el método de control elegido permite obtener factor de potencia cercano a la unidad con una implementación sencilla. En la tesis se presenta el principio de funcionamiento y los principales aspectos del diseño del micro-inversor propuesto. Con la idea de mantener una solución sencilla y de bajo coste, se ha seleccionado un controlador analógico que está originalmente pensado para controlar un corrector del factor de potencia en el mismo modo de conducción que el micro-inversor “forward”. La tesis presenta las principales modificaciones necesarias, con especial atención a la detección del cruce por cero de la corriente (ZCD por sus siglas en inglés) y la compatibilidad del controlador con la inclusión de un algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia (MPPT por sus siglas en inglés). Los resultados experimentales muestran las limitaciones de la implementación elegida e identifican al transformador como el principal contribuyente a las pérdidas del micro-inversor. El principal objetivo de esta tesis es contribuir a la aplicación de técnicas de control y diseño de sistemas multifase en micro-inversores fotovoltaicos. En esta tesis se van a considerar dos configuraciones multifase diferentes aplicadas al micro-inversor “forward” propuesto. La primera consiste en una variación con conexión paralelo-serie que permite la utilización de transformadores con una relación de vueltas baja, y por tanto bien acoplados, para conseguir una ganancia de tensión adecuada con un mejor rendimiento. Esta configuración emplea el mismo control BCM cuando la potencia extraída del panel solar es máxima. Este método de control implica que la frecuencia de conmutación se incrementa considerablemente cuando la potencia decrece, lo que compromete el rendimiento. Por lo tanto y con la intención de mantener unos bueno niveles de rendimiento ponderado, el micro-inversor funciona en modo de conducción discontinuo (DCM, por sus siglas en inglés) cuando la potencia extraía del panel solar es menor que la máxima. La segunda configuración multifase considerada en esta tesis es la aplicación de la técnica de paralelo con entrelazado. Además se han considerado dos técnicas diferentes para decidir el número de fases activas: dependiendo de la potencia continua extraída del panel solar y dependiendo de la potencia instantánea demandada por el micro-inversor. La aplicación de estas técnicas es interesante en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica por la posibilidad que brindan de obtener un rendimiento prácticamente plano en un amplio rango de potencia. Las configuraciones con entrelazado se controlan en DCM para evitar la necesidad de un control de corriente, lo que es importante cuando el número de fases es alto. Los núcleos adecuados para todas las configuraciones multifase consideradas se seleccionan usando el producto de áreas. Una vez seleccionados los núcleos se ha realizado un diseño detallado de cada uno de los transformadores. Con la información obtenida de los diseños y los resultados de simulación, se puede analizar el impacto que el número de transformadores utilizados tiene en el tamaño y el rendimiento de las distintas configuraciones. Los resultados de este análisis, presentado en esta tesis, se utilizan posteriormente para comparar las distintas configuraciones. Muchas otras topologías se han presentado en la literatura para abordar los diferentes aspectos a considerar en los micro-inversores, que han sido presentados anteriormente. La mayoría de estas topologías utilizan un transformador de alta frecuencia para solventar el salto de tensión y evitar problemas de seguridad y de puesta a tierra. En cualquier caso, es interesante evaluar si topologías sin aislamiento galvánico son aptas para su utilización como micro-inversores. En esta tesis se presenta una revisión de inversores con capacidad de elevar tensión, que se comparan bajo las mismas especificaciones. El objetivo es proporcionar la información necesaria para valorar si estas topologías son aplicables en los módulos AC. Las principales contribuciones de esta tesis son: • La aplicación del control BCM a un convertidor “forward” para obtener un micro-inversor de una etapa sencillo y de bajo coste. • La modificación de dicho micro-inversor con conexión paralelo-series de transformadores que permite reducir la corriente de los semiconductores y una ganancia de tensión adecuada con transformadores altamente acoplados. • La aplicación de técnicas de entrelazado y decisión de apagado de fases en la puesta en paralelo del micro-inversor “forward”. • El análisis y la comparación del efecto en el tamaño y el rendimiento del incremento del número de transformadores en las diferentes configuraciones multifase. • La eliminación de las medidas y los lazos de control de corriente en las topologías multifase con la utilización del modo de conducción discontinuo y un algoritmo MPPT sin necesidad de medida de corriente. • La recopilación y comparación bajo las mismas especificaciones de topologías inversoras con capacidad de elevar tensión, que pueden ser adecuadas para la utilización como micro-inversores. Esta tesis está estructurada en seis capítulos. El capítulo 1 presenta el marco en que se desarrolla la tesis así como el alcance de la misma. En el capítulo 2 se recopilan las topologías existentes de micro-invesores con aislamiento y aquellas sin aislamiento cuya implementación en un módulo AC es factible. Asimismo se presenta la comparación entre estas topologías bajo las mismas especificaciones. El capítulo 3 se centra en el micro-inversor “forward” que se propone originalmente en esta tesis. La aplicación de las técnicas multifase se aborda en los capítulos 4 y 5, en los que se presentan los análisis en función del número de transformadores. El capítulo está orientado a la propuesta paralelo-serie mientras que la configuración con entrelazado se analiza en el capítulo 5. Por último, en el capítulo 6 se presentan las contribuciones de esta tesis y los trabajos futuros. ABSTRACT In the last decade the photovoltaic (PV) installed power increased with an average growth of 49% per year and it is expected to cover the 16% of the global electricity consumption by 2050. Most of the installed PV power corresponds to grid-connected systems, with a significant percentage of residential installations. In these PV systems, the inverter is essential since it is the responsible of transferring into the grid the extracted power from the PV modules. Several architectures have been proposed for grid-connected residential PV systems, including the AC-module technology. An AC-module consists of an inverter, also known as micro-inverter, which is attached to a PV module. The AC-module technology offers modularity, redundancy and individual MPPT of each module. In addition, the expansion of this technology will enable the possibility of economies of scale of mass market and “plug and play” for the user, thus reducing the overall cost of the installation. However, the micro-inverter must be able to provide the required voltage boost to interface a low voltage PV module to the grid while keeping an acceptable efficiency in a wide power range. Furthermore, the quality standards must be satisfied and size and lifetime of the solutions must be always considered. In this thesis a single-stage forward micro-inverter with boundary mode operation is proposed to address the micro-inverter requirements. The transformer in the proposed topology remains as in the classic forward converter and bidirectional switches in the secondary side allows direct connection to the grid. In addition the selected control strategy allows high power factor current with a simple implementation. The operation of the topology is presented and the main design issues are introduced. With the intention to propose a simple and low-cost solution, an analog controller for a PFC operated in boundary mode is utilized. The main necessary modifications are discussed, with the focus on the zero current detection (ZCD) and the compatibility of the controller with a MPPT algorithm. The experimental results show the limitations of the selected analog controller implementation and the transformer is identified as a main losses contributor. The main objective of this thesis is to contribute in the application of control and design multiphase techniques to the PV micro-inverters. Two different multiphase configurations have been applied to the forward micro-inverter proposed in this thesis. The first one consists of a parallel-series connected variation which enables the use of low turns ratio, i.e. well coupled, transformers to achieve a proper voltage boost with an improved performance. This multiphase configuration implements BCM control at maximum load however. With this control method the switching frequency increases significantly for light load operation, thus jeopardizing the efficiency. Therefore, in order to keep acceptable weighted efficiency levels, DCM operation is selected for low power conditions. The second multiphase variation considered in this thesis is the interleaved configuration with two different phase shedding techniques: depending on the DC power extracted from the PV panel, and depending on the demanded instantaneous power. The application of interleaving techniques is interesting in PV grid-connected inverters for the possibility of flat efficiency behavior in a wide power range. The interleaved variations of the proposed forward micro-inverter are operated in DCM to avoid the current loop, which is important when the number of phases is large. The adequate transformer cores for all the multiphase configurations are selected according to the area product parameter and a detailed design of each required transformer is developed. With this information and simulation results, the impact in size and efficiency of the number of transformer used can be assessed. The considered multiphase topologies are compared in this thesis according to the results of the introduced analysis. Several other topological solutions have been proposed to solve the mentioned concerns in AC-module application. The most of these solutions use a high frequency transformer to boost the voltage and avoid grounding and safety issues. However, it is of interest to assess if the non-isolated topologies are suitable for AC-module application. In this thesis a review of transformerless step-up inverters is presented. The compiled topologies are compared using a set benchmark to provide the necessary information to assess whether non-isolated topologies are suitable for AC-module application. The main contributions of this thesis are: • The application of the boundary mode control with constant off-time to a forward converter, to obtain a simple and low-cost single-stage forward micro-inverter. • A modification of the forward micro-inverter with primary-parallel secondary-series connected transformers to reduce the current stress and improve the voltage gain with highly coupled transformers. •The application of the interleaved configuration with different phase shedding strategies to the proposed forward micro-inverter. • An analysis and comparison of the influence in size and efficiency of increasing the number of transformers in the parallel-series and interleaved multiphase configurations. • Elimination of the current loop and current measurements in the multiphase topologies by adopting DCM operation and a current sensorless MPPT. • A compilation and comparison with the same specifications of suitable non-isolated step-up inverters. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 the background of single-phase PV-connected systems is discussed and the scope of the thesis is defined. Chapter 2 compiles the existing solutions for isolated micro-inverters and transformerless step-up inverters suitable for AC-module application. In addition, the most convenient non-isolated inverters are compared using a defined benchmark. Chapter 3 focuses on the originally proposed single-stage forward micro-inverter. The application of multiphase techniques is addressed in Chapter 4 and Chapter 5, and the impact in different parameters of increasing the number of phases is analyzed. In Chapter 4 an original primary-parallel secondary-series variation of the forward micro-inverter is presented, while Chapter 5 focuses on the application of the interleaved configuration. Finally, Chapter 6 discusses the contributions of the thesis and the future work.

Reduction of front-metallization grid shading in concentrator cells through laser micro-grooved cover glass

Concentrator solar cell front-grid metallizations are designed so that the trade-off between series resistance and shading factor (SF) is optimized for a particular irradiance. High concentrator photovoltaics (CPV) typically requires a metallic electrode pattern that covers up to 10% of the cell surface. The shading effect produced by this front electrode results in a significant reduction in short-circuit current (I SC) and hence, in a significant efficiency loss. In this work we present a cover glass (originally meant to protect the cell surface) that is laser-grooved with a micrometric pattern that redirects the incident solar light towards interfinger regions and away from the metallic electrodes, where they would be wasted in terms of photovoltaic generation. Quantum efficiency (QE) and current (I)-voltage (V) characterization under concentration validate the proof-of-concept, showing great potential for CPV applications

A Vision-based Quadrotor Multi-robot Solution for the Indoor Autonomy Challenge of the 2013 International Micro Air Vehicle Competition

This paper presents a completely autonomous solution to participate in the Indoor Challenge of the 2013 International Micro Air Vehicle Competition (IMAV 2013). Our proposal is a multi-robot system with no centralized coordination whose robotic agents share their position estimates. The capability of each agent to navigate avoiding collisions is a consequence of the resulting emergent behavior. Each agent consists of a ground station running an instance of the proposed architecture that communicates over WiFi with an AR Drone 2.0 quadrotor. Visual markers are employed to sense and map obstacles and to improve the pose estimation based on Inertial Measurement Unit (IMU) and ground optical flow data. Based on our architecture, each robotic agent can navigate avoiding obstacles and other members of the multi-robot system. The solution is demonstrated and the achieved navigation performance is evaluated by means of experimental flights. This work also analyzes the capabilities of the presented solution in simulated flights of the IMAV 2013 Indoor Challenge. The performance of the CVG UPM team was awarded with the First Prize in the Indoor Autonomy Challenge of the IMAV 2013 competition.

UM ESTUDO SOBRE A IMPORTÂNCIA DO USO DAS FERRAMENTAS DE CONTROLE GERENCIAL NAS MICRO, PEQUENAS E MÉDIAS EMPRESAS INDUSTRIAIS NO MUNICÍPIO DE SÃO CAETANO DO SUL

O objetivo desse estudo foi evidenciar o uso das ferramentas de controle gerencial que auxiliam no processo de tomada de decisão nas Micros, Pequenas e Médias Empresas, no município de SCSul. Entende-se, que na atualidade esses instrumentos devem ser alinhados com a realidade dessas organizações e as informações extraídas por estas devem ser a base para a tomada de decisão que perpetuem a riqueza dos investidores. O procedimento metodológico aplicado na escolha das empresas pesquisadas foi o critério de conveniência, utilizando o método de raciocínio dedutivo, através de aplicação de um questionário em 296 empresas, pelo a qual 18,6% destas se depuseram a responder o questionário. As empresas foram classificadas de acordo com o faturamento bruto anual estabelecido pela Receita Federal. Após a análise dos resultados, foi possível detectar que cerca de 41% dessas organizações estão a mais de 20 anos no mercado, o que demonstra uma boa consolidação no mercado. Detecta-se, também, que estes empresários-gerentes possuem uma forte formação superior: 31,27% pós-graduados e 22,22% graduados, o que pode ser um diferencial na gestão desses negócios. Como o pressuposto dessa pesquisa foi de analisar: se as MPME s industriais no município de SCSul estão utilizando as ferramentas de controle gerencial em seu processo de gestão para tomada de decisão, diante das análises efetuadas, tanto pelo o estudo de campo com bibliográfica, conclui-se que a tomada de decisão nessas empresas está baseada nas ferramentas de controle e que estas possuem um bom controle dos seus negócios contrariando o que se esperava.

UM ESTUDO SOBRE A IMPORTÂNCIA DO USO DAS FERRAMENTAS DE CONTROLE GERENCIAL NAS MICRO, PEQUENAS E MÉDIAS EMPRESAS INDUSTRIAIS NO MUNICÍPIO DE SÃO CAETANO DO SUL

O objetivo desse estudo foi evidenciar o uso das ferramentas de controle gerencial que auxiliam no processo de tomada de decisão nas Micros, Pequenas e Médias Empresas, no município de SCSul. Entende-se, que na atualidade esses instrumentos devem ser alinhados com a realidade dessas organizações e as informações extraídas por estas devem ser a base para a tomada de decisão que perpetuem a riqueza dos investidores. O procedimento metodológico aplicado na escolha das empresas pesquisadas foi o critério de conveniência, utilizando o método de raciocínio dedutivo, através de aplicação de um questionário em 296 empresas, pelo a qual 18,6% destas se depuseram a responder o questionário. As empresas foram classificadas de acordo com o faturamento bruto anual estabelecido pela Receita Federal. Após a análise dos resultados, foi possível detectar que cerca de 41% dessas organizações estão a mais de 20 anos no mercado, o que demonstra uma boa consolidação no mercado. Detecta-se, também, que estes empresários-gerentes possuem uma forte formação superior: 31,27% pós-graduados e 22,22% graduados, o que pode ser um diferencial na gestão desses negócios. Como o pressuposto dessa pesquisa foi de analisar: se as MPME s industriais no município de SCSul estão utilizando as ferramentas de controle gerencial em seu processo de gestão para tomada de decisão, diante das análises efetuadas, tanto pelo o estudo de campo com bibliográfica, conclui-se que a tomada de decisão nessas empresas está baseada nas ferramentas de controle e que estas possuem um bom controle dos seus negócios contrariando o que se esperava.

ASSOCIATIVISMO EMPRESARIAL ENTRE MICRO E PEQUENAS EMPRESAS: A EXPERIÊNCIA DO GRANDE ABC COM O PROJETO EMPREENDER (SEBRAE)

O associativismo empresarial aparece como forma de desenvolvimento regional, seja este econômico, social ou cultural, e é grande aliado para o surgimento e crescimento das micro e pequenas empresas. É um tema já vivenciado e estudado por vários países do mundo, entre eles europeus e especificamente italianos, mas ainda pouco estudado e conhecido no Brasil. A presente pesquisa objetivou analisar o associativismo empresarial entre micro e pequenas empresas (MPEs) na região do Grande ABC (GABC) pelo Projeto Empreender (SEBRAE) relacionando seus dados com os publicados do relatório 2003/5 de autoria do Observatório Europeu de estudos sobre pequenas e médias empresas europeias, analisando as formas de associativismo aqui ocorridas, além de identificar o perfil das empresas e empresários envolvidos no projeto. Para tal análise foram coletados dados de um total de 63 empresas do Projeto Empreender, nos núcleos de Santo André, São Caetano do Sul e Ribeirão Pires. Do GABC foram coletados dados utilizando o instrumento desenvolvido pelo Observatório Europeu de estudos sobre pequenas e médias empresas. A análise dos dados coletados no GABC em relação aos dados europeus se fez necessária para que pudessem ser encontrados pontos de divergências e convergências em cada uma das experiências, objetivando o aprendizado e evolução do tema. A escolha do GABC foi motivada pelo fato da região passar por mudanças no seu perfil econômico, passando de berço e grande pólo das grandes indústrias para um grande centro de pequenas empresas prestadoras de serviços. Após coleta e análise dos dados, percebeu-se que a experiência do GABC e a ocorrida na Itália se parecem em muitos aspectos, porém tem grandes diferenças estruturais. Enquanto o projeto europeu é de responsabilidade de um órgão da União Europeia, aqui o projeto é de autoria do SEBRAE e sofre grandes conflitos com as Associações Comerciais e Industriais (ACIs) da região quando o tema é custeio das despesas das pessoas e estrutura que envolve a implantação do projeto. Além disso, conclui-se que é necessária uma maior aproximação dos municípios com o projeto, tendo em vista que isto poderia ser fator de incentivo a entrada de novas empresas além de fator de aumento de seriedade do sistema. Mais dois dados merecem destaque. Primeiro o fato do Projeto Empreender ter pouca visibilidade regional, ou seja, ser muito pouco divulgado, e o fato da agência de desenvolvimento do GABC não ter aproximação alguma com o projeto. Por último, surgem dados no decorrer da pesquisa que rompem a barreira das teorias administrativas conhecidas, tais como a amizade como fator de associativismo. Portanto, os resultados obtidos com essa pesquisa apontam para a influência no incentivo ao desenvolvimento do processo associativista na região do GABC, além de servir como incentivador para a aproximação de outros atores sociais no processo.(AU)

ASSOCIATIVISMO EMPRESARIAL ENTRE MICRO E PEQUENAS EMPRESAS: A EXPERIÊNCIA DO GRANDE ABC COM O PROJETO EMPREENDER (SEBRAE)

O associativismo empresarial aparece como forma de desenvolvimento regional, seja este econômico, social ou cultural, e é grande aliado para o surgimento e crescimento das micro e pequenas empresas. É um tema já vivenciado e estudado por vários países do mundo, entre eles europeus e especificamente italianos, mas ainda pouco estudado e conhecido no Brasil. A presente pesquisa objetivou analisar o associativismo empresarial entre micro e pequenas empresas (MPEs) na região do Grande ABC (GABC) pelo Projeto Empreender (SEBRAE) relacionando seus dados com os publicados do relatório 2003/5 de autoria do Observatório Europeu de estudos sobre pequenas e médias empresas europeias, analisando as formas de associativismo aqui ocorridas, além de identificar o perfil das empresas e empresários envolvidos no projeto. Para tal análise foram coletados dados de um total de 63 empresas do Projeto Empreender, nos núcleos de Santo André, São Caetano do Sul e Ribeirão Pires. Do GABC foram coletados dados utilizando o instrumento desenvolvido pelo Observatório Europeu de estudos sobre pequenas e médias empresas. A análise dos dados coletados no GABC em relação aos dados europeus se fez necessária para que pudessem ser encontrados pontos de divergências e convergências em cada uma das experiências, objetivando o aprendizado e evolução do tema. A escolha do GABC foi motivada pelo fato da região passar por mudanças no seu perfil econômico, passando de berço e grande pólo das grandes indústrias para um grande centro de pequenas empresas prestadoras de serviços. Após coleta e análise dos dados, percebeu-se que a experiência do GABC e a ocorrida na Itália se parecem em muitos aspectos, porém tem grandes diferenças estruturais. Enquanto o projeto europeu é de responsabilidade de um órgão da União Europeia, aqui o projeto é de autoria do SEBRAE e sofre grandes conflitos com as Associações Comerciais e Industriais (ACIs) da região quando o tema é custeio das despesas das pessoas e estrutura que envolve a implantação do projeto. Além disso, conclui-se que é necessária uma maior aproximação dos municípios com o projeto, tendo em vista que isto poderia ser fator de incentivo a entrada de novas empresas além de fator de aumento de seriedade do sistema. Mais dois dados merecem destaque. Primeiro o fato do Projeto Empreender ter pouca visibilidade regional, ou seja, ser muito pouco divulgado, e o fato da agência de desenvolvimento do GABC não ter aproximação alguma com o projeto. Por último, surgem dados no decorrer da pesquisa que rompem a barreira das teorias administrativas conhecidas, tais como a amizade como fator de associativismo. Portanto, os resultados obtidos com essa pesquisa apontam para a influência no incentivo ao desenvolvimento do processo associativista na região do GABC, além de servir como incentivador para a aproximação de outros atores sociais no processo.(AU)

Measurements of hydrogen, oxygen and carbon isotope variability in Sphagnum moss along a micro-topographical gradient in a southern Patagonian peatland

Funded by Natural Environment Research Council PRECIP and PATAGON