Hil de um inversor monofásico com filtro lcl utilizando fpga

Abstract

A integração de sistemas de energia renovável à rede elétrica requer inversores que atendam aos rigorosos padrões de interconexão e qualidade de energia definidos por normas como o IEEE Std 1547. No entanto, o desenvolvimento e validação destes conversores apresentam desafios relacionados aos altos custos e riscos inerentes aos testes experimentais em bancada. O Hardware-in-the-Loop (HIL) permite a validação de algoritmos de controle em tempo real, onde o sistema de potência é representado por modelos matemáticos executados digitalmente em um simulador, interagindo em tempo real com o hardware de controle físico. Este trabalho desenvolve uma plataforma HIL baseada em FPGA para simulação em tempo real de um inversor monofásico com filtro LCL. A metodologia envolveu a modelagem matemática do sistema inversor-filtro LCL, a discretização utilizando o método de Euler Explícito e a implementação de um solver em arquitetura paralela utilizando VHDL. O solver implementado na FPGA Spartan-7 atendeu a um passo de simulação fixo de 100 ns. A validação cruzada com o software PSIM demonstrou erros normalizados (NRMSE) inferiores a 1% para as principais variáveis de potência do filtro LCL.

The integration of renewable energy systems into the electrical grid requires inverters that comply with stringent interconnection and power quality standards defined by norms such as IEEE Std 1547. However, the development and validation of these converters present challenges related to the high costs and inherent risks of experimental bench testing. Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation emerges as a methodology that allows for the real-time validation of control algorithms, where the power system is represented by mathematical models executed digitally in a simulator, interacting in real time with the physical control hardware. This work develops an HIL platform based on FPGA for the real-time simulation of a single-phase inverter with an LCL filter. The methodology involved the mathematical modeling of the inverter-LCL filter system, discretization using the Forward Euler method, and the implementation of a solver using a parallel architecture in VHDL. The solver implemented on a Spartan-7 FPGA met a fixed simulation step size of 100 ns. Cross-validation with PSIM software demonstrated normalized errors (NRMSE) below 1% for the main power variables of the LCL filter.