Inversor multinível AT-NPC para aplicação em sistemas de armazenamento de energia

Abstract

Resumo: A busca por fontes de energia mais limpas e diversificadas tem impulsionado a integração de sistemas de armazenamento à rede elétrica, tanto para viabilizar fontes intermitentes como solar e eólica, quanto para aumentar a resiliência e a qualidade da energia fornecida, o que exige inversores mais eficientes para essas aplicações. Nesse contexto, inversores multiníveis ganham destaque por apresentarem menor distorção harmônica de corrente em comparação aos inversores convencionais de dois níveis, especialmente quando operam com a mesma frequência de comutação dos interruptores. Embora os inversores multiníveis sejam tradicionalmente utilizados em média e alta tensão, suas vantagens têm motivado estudos em aplicações de baixa tensão, como sistemas de armazenamento e geração distribuída. A pesquisa por novas topologias mais adequadas a esse contexto representa uma das fronteiras tecnológicas no desenvolvimento de conversores modernos. Este trabalho propõe o desenvolvimento de um conversor CC-CA trifásico, bidirecional, baseado na topologia AT-NPC (Advanced T-type Neutral Point Clamped), uma variação da família tipo T voltada a aplicações em baixa tensão e frequências abaixo de 13kHz, abrangendo também a confecção da placa de acionamentos. Essa topologia reduz o número de componentes no caminho da corrente, minimiza perdas por condução e mostra-se promissora para sistemas de armazenamento e geração distribuída. A estrutura adotada utiliza modulação por largura de pulso com deslocamento de nível (LS-PWM — Level-Shifted PWM). A topologia emprega interruptores RB-IGBT (Reverse Blocking IGBT), capazes de bloquear tensão reversa, dispensando diodos em antiparalelo. Isso reduz o número de componentes no caminho da corrente e as perdas por condução. O estudo aborda as etapas de operação e as técnicas de modulação aplicadas ao conversor AT-NPC, que diferentemente dos inversores de dois níveis, por possuírem maior número de interruptores requerem modulações mais complexas e elaborada. O sistema conecta um banco de baterias ao inversor operando em condição ilhada, no modo formador de rede (VSI – Voltage Source Inverter), atuando como referência de tensão e frequência para o sistema local. As simulações permitiram validar a modulação, as malhas de controle e o comportamento do conversor, fornecendo base para o dimensionamento e análise do rendimento. Um protótipo funcional também foi desenvolvido, permitindo validar experimentalmente o princípio de operação da topologia AT-NPC. Embora a topologia traga benefícios significativos, sua implementação apresenta desafios importantes, como o maior número de interruptores, a necessidade de circuitos de acionamento mais complexos, exigência de alimentações isoladas para os drivers e maior cuidado no projeto e na sincronização dos sinais de controle. Os ganhos em rendimento e a significativa redução da distorção harmônica, aproximadamente pela metade em relação aos inversores tradicionais, tornam essa alternativa viável e atrativa para substituição dos conversores clássicos em aplicações relacionadas ao armazenamento de energia e geração distribuída

Abstract: The pursuit of cleaner and more diversified energy sources has driven the integration of storage systems into the power grid, both to enable intermittent sources such as solar and wind, and to increase the resilience and quality of the supplied energy, which requires more efficient inverters for these applications. In this context, multilevel inverters stand out for presenting lower current harmonic distortion compared to conventional two-level inverters, especially when operating at the same switching frequency of the devices. Although multilevel inverters are traditionally used in medium- and high-voltage applications, their advantages have motivated studies in low-voltage applications, such as storage systems and distributed generation. The search for new topologies better suited to this context represents one of the technological frontiers in the development of modern converters.This work proposes the development of a three-phase, bidirectional DC-AC converter based on the AT NPC (Advanced T-type Neutral Point Clamped) topology, a variation of the T-type family designed for low-voltage applications and frequencies below 13kHz, also encompassing a development of the driver board. This topology reduces the number of components in the current path, minimizes conduction losses, and proves promising for storage systems and distributed generation. The adopted structure uses Level Shifted Pulse Width Modulation (LS-PWM). The topology employs Reverse-Blocking IGBTs (RB-IGBTs), capable of blocking reverse voltage, thus eliminating the need for antiparallel diodes. This reduces the number of components in the current path and conduction losses. The study addresses the operating stages and modulation techniques applied to the AT-NPC converter, which, unlike two-level inverters, requires more complex and elaborate modulations due to the higher number of switches. The system connects a battery bank to the inverter operating in islanded condition, in grid forming mode (VSI – Voltage Source Inverter), acting as a reference for voltage and frequency in the local system. Simulations allowed the validation of the modulation, control loops, and converter behavior, providing a basis for design and efficiency analysis. A functional prototype was also developed, enabling the experimental validation of the operating principle of the AT-NPC topology. Although the topology offers significant benefits, its implementation presents important challenges, such as the higher number of switches, the need for more complex gate-drive circuits, the requirement for isolated driver supplies, and greater care in the design and synchronization of control signals. The gains in efficiency and the significant reduction of harmonic distortion — approximately by half when compared to traditional inverters — make this alternative viable and attractive for the replacement of conventional converters in applications related to energy storage and distributed generation