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Type: Dissertação
Title: Controle de conversores estáticos aplicado a sistemas de armazenamento por baterias com conversores integrados: uma abordagem de balanceamento ativo dos estados de carga em cenários de reversão de fluxo de potência
Author: Silva, Filipe Grades da
First Advisor: Almeida, Pedro Machado de
Co-Advisor: Cupertino, Allan Fagner
Referee Member: Pereira, Heverton Augusto
Referee Member: Soares, Guilherme Márcio
Resumo: A crescente inserção de fontes renováveis na matriz elétrica impulsiona a demanda por Sistemas de Armazenamento de Energia (ESS), onde a reutilização de baterias de segunda vida surge como uma potencial alternativa economicamente competitiva. No entanto, a heterogeneidade dessas células em arranjos série convencionais ocasiona o efeito do "elo mais fraco", limitando a capacidade total do sistema. Este trabalho propõe o desenvolvimento de um sistema de controle para bancos de baterias baseados na arquitetura de Baterias com Conversores Integrados (BCI), visando o balanceamento ativo dos Estados de Carga (SoC) e a regulação do barramento CC. A metodologia incluiu a modelagem matemática unificada da BCI e a análise de sistemas com múltiplas unidades em série, demonstrando o desacoplamento das malhas de controle. Para a regulação da tensão de saída dos conversores bidirecionais, foi desenvolvida uma estratégia de controle robusto baseada em Desigualdades Matriciais Lineares (LMI), solucionando problemas de instabilidade observados em métodos clássicos (LQR) durante a inversão do fluxo de potência. Para a malha externa de balanceamento, propôs-se um controlador ProporcionalIntegral (PI), superando as limitações de erro estacionário de controladores puramente proporcionais. A análise teórica comprovou a necessidade de alternância dos sinais dos ganhos do controlador de SoC em função do sentido da corrente. Resultados de simulação validaram a eficácia da proposta, demonstrando que o sistema realiza o balanceamento dos SoCs forçando as unidades com maior carga a processarem mais potência, mantendo a estabilidade e a tensão do barramento regulada mesmo sob variações paramétricas e inversões de carga.
Abstract: The increasing integration of renewable energy sources into the electrical grid drives the demand for Energy Storage Systems (ESS), where the reuse of second-life batteries emerges as a potentially cost-competitive alternative. However, the heterogeneity of these cells in conventional series arrangements triggers the "weakest link" effect, limiting the system’s total capacity. This work proposes the development of a control system for battery banks based on the Smart-Battery architecture, aiming for active State of Charge (SoC) balancing and DC bus regulation. The methodology included the unified mathematical modeling of the Smart-Battery and the analysis of systems with multiple units in series, demonstrating the decoupling of control loops. For the output voltage regulation of the bidirectional converters, a robust control strategy based on Linear Matrix Inequalities (LMI) was developed, solving instability issues observed in classical methods (LQR) during power flow inversion. For the external balancing loop, a ProportionalIntegral (PI) controller was proposed, overcoming the steady-state error limitations of purely proportional controllers. Theoretical analysis proved the necessity of alternating the SoC controller gain signs depending on the current direction. Simulation results validated the effectiveness of the proposal, demonstrating that the system performs SoC equalization by forcing units with higher charge to process more power, maintaining stability and regulated bus voltage even under parametric variations and load inversions.
Keywords: Sistemas de armazenamento de energia
Baterias com conversores integrados
Balanceamento de estado de carga (SoC)
Controle robusto (LMI)
Baterias de segunda vida
Energy storage systems
Smart-battery
State of charge (SoC) balancing
Robust control (LMI)
Second-life batteries
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20375
Issue Date: 11-Mar-2026
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