Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost Atuando como

UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA
Setor de Tecnologia
Faculdade de Engenharia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost
Atuando como Controlador de Carga de
Baterias em um Sistema Fotovoltaico
Juiz de Fora, MG – Brasil
Novembro de 2004
Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost atuando como
Controlador de Carga de Baterias em um Sistema Fotovoltaico
Ricardo Henrique Rosemback
Dissertação submetida ao corpo docente da Coordenação do Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Juiz de Fora como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica.
Aprovada por:
_______________________________________
Prof. Pedro Gomes Barbosa, D. Sc.
(Orientador)
_______________________________________
Prof. Marcio de Pinho Vinagre, Dr. Eng.
_______________________________________
Prof. Antonio Carlos Siqueira de Lima, D.Sc.
Juiz de Fora, MG – Brasil
Novembro de 2004
“Todo caminho que trilhamos pela primeira vez é muito mais longo e difícil do que o mesmo
caminho quando já o conhecemos.”
Thomas Mann
iii
Resumo da Dissertação apresentada ao PPEE/UFJF como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica (M.E.E.)
CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST ATUANDO COMO
CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA EM UM SISTEMA
FOTOVOLTAICO
Ricardo Henrique Rosemback
Novembro de 2004
Orientador: Prof. Pedro Gomes Barbosa
Programa: Engenharia Elétrica
Área de Concentração: Instrumentação e Controle
Este trabalho apresenta o projeto de um Controlador de Carga de Baterias para
ser usado em sistemas de geração de energia elétrica fotovoltaicos.
As baterias
eletroquímicas são usadas para armazenar o excedente de energia elétrica convertida nos
painéis fotovoltaicos e não consumida pelas cargas.
Para garantir o carregamento
completo e seguro das baterias o processo de carga é divido em quatro etapas: (i) carga
leve, (ii) carga rápida, (iii) sobrecarga e (iv) carga de flutuação. O controlador de carga de
baterias desenvolvido neste trabalho é um Conversor CC-CC Bidirecional com duas
etapas de funcionamento distintas: uma Buck e outra Boost. Durante a Etapa Buck a
bateria é carregada enquanto que a Etapa Boost é usada durante o processo de descarga.
Serão apresentadas metodologias para modelar matematicamente e para linear as Etapas
Buck e Boost do Conversor CC-CC Bidirecional. As funções de transferência obtidas
serão usadas para analisar a estabilidade de pequenos sinais do conversor e projetar
controles para a tensão e/ou a corrente de carga e de descarga de um banco de bateria.
Resultados de simulações digitais obtidas com o programa PSpice, bem como alguns
resultados experimentais obtidos com um protótipo de laboratório são usados para testar
o desempenho do conversor e seus controles.
iv
Abstract of Dissertation presented to PPEE/UFJF as a partial fulfillment of the
requirements for a Master of Electrical Engineering (M.E.E.)
OPERATION OF A BUCK-BOOST CONVERTER AS BATTERY CHARGE
CONTROLLER CONNECTED TO A PHOTOVOLTAIC GENERATION SYSTEM
Ricardo Henrique Rosemback
November 2004
Advisor: Prof. Pedro Gomes Barbosa
Program: Electrical Engineering
Minor Area: Instrumentation and Control
This work presents the design of a battery charge controller to be used in
photovoltaic electric energy generation systems. The electrochemical batteries are used
to store the amount of electrical energy converted by the photovoltaic panels and not
consumed by the loads. The full and safe charging process of the batteries are divided
in four stages: (i) trickle charge, (ii) bulk charge, (iii) over charge and (iv) float charge.
The charge controller developed in this work is a bidirectional DC-DC converter with
two operational stages: one buck and the other boost. During the buck operation the
battery is charged while the boost stage is used to discharge it. Methodologies to model
mathematically and to linearize the buck and the boost stages of the bidirectional DCDC converter will be presented. The obtained transfer functions are used to analyze
the small signal stability of the converter and to design controllers to control the
voltage and/or current of the battery during the charge and the discharge stages. Digital
simulation results obtained with PSpice program as well as some experimental results
obtained with a laboratory prototype are used to test the performance of the converter
and its controllers.
Sumário
Simbologia ...........................................................................................................
ix
Capítulo 1 – Introdução
1.1 Histórico .........................................................................................................
1
1.2 Identificação do Problema .............................................................................
3
1.3 Motivação do Estudo .....................................................................................
4
1.4 Objetivos do Trabalho ...................................................................................
5
1.5 Estrutura do Trabalho ....................................................................................
6
Capítulo 2 – Elementos de um Sistema de Geração de Energia Elétrica
Fotovoltaico
2.1 Introdução ......................................................................................................
7
2.2 Principais Elementos dos Sistemas Fotovoltaicos ........................................
8
2.2.1 O Painel Fotovoltaico .............................................................................
10
2.2.2 Conversores Estáticos ............................................................................
16
2.2.2.1 Conversores Estáticos CC-CC .....................................................................
17
2.2.2.2 Conversores Estáticos CC-CA .....................................................................
20
2.2.3 Elemento de armazenamento de Energia: Baterias ..............................
21
2.2.3.1 Bateria Chumbo-ácido ...................................................................................
22
2.2.3.2 Bateria Níquel-cádmio ...................................................................................
26
2.2.4 Elemento de Regulação de Carga de Baterias ......................................
26
2.2.4.1 Processo de Carga ..........................................................................................
28
2.2.4.2 Compensador de Temperatura ....................................................................
30
2.2.4.3 Desconexão por Baixa Tensão .....................................................................
31
Sumário
vi
2.2.4.4 Bloqueio de Corrente Reversa .....................................................................
2.3 Topologias Básicas de Sistemas de Geração Baseado em Painéis
Fotovoltaicos .......................................................................................................
2.3.1 Sistemas Fotovoltaicos Isolados ............................................................
31
31
32
2.3.1.1 Arranjo Fotovoltaico e Carga CC ................................................................
32
2.3.1.2 Arranjo Fotovoltaico com Banco de Baterias e Carga CC ......................
33
2.3.1.3 Arranjo Fotovoltaico e Carga CA ................................................................
33
2.3.1.4 Arranjo Fotovoltaico com Banco de Baterias e Carga CA ......................
34
2.3.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Rede CA .....................................
34
2.3.2.1 Sistemas Fotovoltaicos Residenciais Conectados a Rede CA .................
35
2.3.1.2 Sistemas Fotovoltaicos de Grande Porte Conectados a Rede CA .........
35
2.4 Conclusões Parciais .......................................................................................
36
Capítulo 3 – Controlador de carga de Baterias Baseado no Conversor CC-CC
Bidirecional Buck-Boost
3.1 Introdução ......................................................................................................
37
3.2 Topologia do Sistema Fotovoltaico ...............................................................
38
3.3 Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost .................................................
39
3.3.1 Etapa Buck .............................................................................................
40
3.3.2 Etapa Boost ............................................................................................
43
3.4 Estratégia de Controle do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost .......
45
3.5 Projeto das Malhas de Realimentação de Controle do Conversor CC-CC
Bidirecional .......................................................................................................
52
3.5.1 Linearização do Estágio de Potência do Conversor CC-CC
Bidirecional .........................................................................................................
53
3.4.1.1 Modelo Dinâmico da Etapa Buck ................................................................
56
3.4.1.2 Modelo Dinâmico da Etapa Boost ................................................................
60
3.5.2 Malha de Realimentação de Controle de Tensão ..................................
64
Sumário
vii
3.5.2.1 Controlador Tipo 1 ........................................................................................
68
3.5.2.2 Controlador Tipo 2 ........................................................................................
69
3.5.2.2 Controlador Tipo 3 ........................................................................................
71
3.5.3 Metodologia de Projeto de Controladores Baseado no Fator K ............
3.5.3.1 Algoritmo de Projeto do Controlador ........................................................
3.5.4 Malha de Realimentação de Controle de Corrente ................................
3.6 Conclusões Parciais .......................................................................................
72
75
76
78
Capítulo 4 – Projeto e Simulação do Conversor CC-CC Bidirecional BuckBoost
4.1 Introdução ......................................................................................................
79
4.2 Dimensionamento dos Elementos do Sistema .............................................
80
4.2.1 Arranjo Fotovoltaico ...............................................................................
80
4.2.2 Conversor CC-CC Boost ........................................................................
81
4.2.3 Banco de Baterias ...................................................................................
86
4.3 Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost .................................................
87
4.3.1 Malha de Controle de Tensão Etapa Boost ...........................................
89
4.3.2 Malha de Controle de Tensão Etapa Buck ............................................
92
4.3.3 Malha de Controle de Corrente Etapa Buck ..........................................
95
4.4 Resultados Obtidos na Simulação .................................................................
97
4.4.1 Comportamento da Etapa Buck ............................................................
98
4.4.2 Comportamento da Etapa Boost ...........................................................
100
4.5 Protótipo do Conversor CC-CC Bidirecional ................................................
101
4.5.1 Chaves Estáticas .....................................................................................
102
4.5.2 Circuito de Controle ...............................................................................
103
4.5.3 Circuito de Disparo ................................................................................
103
Sumário
viii
4.5.4 Sensores de Tensão e Corrente ..............................................................
104
4.5.5 Sensor de Temperatura ..........................................................................
104
4.6 Resultados da Implementação do Protótipo .................................................
104
4.7 Conclusões Parciais .......................................................................................
107
Capítulo 5 – Conclusões e Recomendações para Trabalhos Futuros
5.1 Conclusões ....................................................................................................
108
5.2 Recomendações para Trabalhos Futuros ......................................................
110
Referências Bibliográficas ...................................................................................
111
Apêndice A – Projeto Físico Indutor ...................................................................
116
Apêndice B – Listagem dos Arquivos de Simulação no PSpice .........................
120
Simbologia
1. Símbolos empregados nas expressões matemáticas
DESCRIÇÃO
SÍMBOLO
UNIDADE
αBT
Coeficiente de temperatura da bateria Chumbo-ácido
V/°C
αT
Coeficiente da temperatura de ISC para o painel fotovoltaico
A/°C
βT
Coeficiente de temperatura de VOC para o painel fotovoltaico
V/°C
C
Capacidade da bateria
Ah
∆I
Variação da corrente
A
∆V
Variação da tensão
V
C
Capacidade da bateria
Ah
d
Razão cíclica
D
Razão cíclica no estado permanente CC
fS
Freqüência de chaveamento dos conversores estáticos
G
Insolação
W/m 2
GSTC
Insolação nas Condições de Teste Padrão
W/m 2
iBB(t)
Corrente fornecida pelo banco de baterias
A
IBB
Valor médio da corrente iBB(t)
A
IBULK
Corrente de carga da bateria durante o segundo estágio do
processo de carga
A
ID
Corrente sobre o diodo do modelo elétrico do painel
fotovoltaico
A
IFV
Corrente fornecida pela fonte de corrente no modelo elétrico
do painel fotovoltaico
A
IMP
Corrente no ponto de máxima potência do painel fotovoltaico
A
IOCT
Valor de corrente que indica que a bateria alcançou sua carga
completa
A
Hz
Simbologia
x
IP
Corrente fornecida pelo painel fotovoltaico
A
IPN
Corrente fornecida pelo painel fotovoltaico para um
determinado valor de insolação e temperatura
A
ISC
Corrente de curto -circuito do painel fotovoltaico
A
ITC
Corrente de carga da bateria durante o primeiro estágio do
processo de carga
A
NE
Número de elementos que compõe a bateria
NOCT
Temperatura normal de operação da célula fotovoltaica
°C
P0
Potência média de saída do conversor CC-CC estático
W
pBoost(t)
Potência instantânea fornecida pelo conversor CC-CC Boost
W
pCarga(t)
Potência instantânea fornecida consumida pela carga
W
Pi
Potência média de entrada do conversor CC-CC estático
W
PMP
Potência máxima fornecida pelo painel para um determinado
nível de insolação e temperatura
W
Potência instantânea fornecida pelo arranjo fotovoltaico
W
RP
Resistência em paralelo do modelo do painel fotovoltaico
Ω
RS
Resistência série do modelo do painel fotovoltaico
Ω
pPainel(t)
SOC(t)
Estado de Carga do banc o de baterias
SOC min
Estado de Carga mínimo admissível
SOC max
Estado de Carga máximo admissível
Ta
Temperatura ambiente
°C
Ta,ref
Temperatura ambiente de referencia
°C
TC
Temperatura da célula fotovoltaica
°C
TS
Período de chaveamento dos converso res estáticos
TSTC
Temperatura nas Condições de Teste Padrão
°C
VB(T)
Tensão na bateria em função da temperatura
V
vBB(t)
Tensão do banco de baterias
V
VBB
Tensão nominal do banco de baterias
V
s
Simbologia
xi
VBBmax
Valor de tensão correspondente ao SOCmax
V
VBBmin
Valor de tensão correspondente ao SOCmin
V
Tensão nominal do barramento CC
V
VCC MAX
Tensão máxima admissível no barramento CC
V
VCC MIN
Tensão mínima admissível no barramento CC
V
Tensão no barramento CC
V
Valor de tensão da bateria no limite da capacidade de descarga
V
VE,25°C
Tensão de um elemento da bateria a 25°C
V
VFLOAT
Valor de tensão que deve ser aplicado à bateria durante o
quarto estágio do processo de carga
V
VMP
Tensão no ponto de máxima potência do painel fotovoltaico
V
VOC
Tensão de circuito aberto do painel fotovoltaico
V
VOC
Valor máximo de sobrecarga de tensão que deve ser alcançado
pela bateria
V
VP
Tensão fornecida pelo arranjo fotovoltaico
V
VPN
Tensão fornecida pelo painel fotovoltaico para um
determinado valor de insolação e temperatura
V
VCC
vCC(t)
V CHGEND
2. Acrônimos e abreviaturas
SIGNIFICADO
SÍMBOLO
CA
Corrente alternada
CC
Corrente contínua
FTMA
Função de transferência de malha aberta
FTMF
Função de transferencia de malha fechadas
PWM
Modulação por largura de pulso
Capítulo 1
Introdução
1.1 Histórico
A busca pela dominação de fontes de energia pelo homem começou em torno
de 500.000 anos atrás, quando o homem primitivo passou a controlar o fogo,
aproveitando dessa forma de energia para aquecê-lo, afastar predadores e preparar
alimentos. Desde então o homem foi descobrindo novas fontes e formas de energia e
criando dispositivos para utilizá-las a seu favor. As fontes de energia passaram a ser
vital para sobrevivência e evolução do homem. Portanto, devido a grande importância
da energia para a humanidade nos dias de hoje, são incessantes as pesquisas que visam
o desenvolvimento e aprimoramento de técnicas de obtenção de energia, com o
objetivo principal de conciliar grande capacidade de geração, baixo custo e um mínimo
impacto ao meio ambiente.
O Sol é a mais importante fonte de energia do nosso planeta. Ele fornece
1,5x10 18 kWh de energia anualmente a Terra nas formas de luz e calor, energia
correspondente a 10.000 vezes o consumo mundial no mesmo período. E ainda, o Sol
uma fonte de energia inesgotável na escala terrestre de tempo [1].
1
CAPÍTULO 1- I NTRODUÇÃO
2
A forma de energia mais importante atualmente é a elétrica que pode ser
transportada ininterruptamente por longas distâncias, distribuída a diversos pontos
simultaneamente e convertida nas mais diversas formas de energia como luminosa,
mecânica, química e térmica.
O Efeito Fotovoltaico que transforma diretamente a energia luminosa solar em
corrente elétrica concilia a mais importante fonte, o Sol, com a principal forma de
energia, a elétrica. Relatado por Edmond Becquerel, em 1839, o Efeito Fotovoltaico
pode ser explicado sucintamente como o aparecimento de uma diferença de potencial
nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da
luz. Essas estruturas de material semicondutor são denominadas de Células
Fotovoltaicas [2].
As Células Fotovoltaicas são as unidades básicas de geração de energia, elas
podem ser conectadas entre si, formando os painéis fotovoltaicos, que são os
dispositivos utilizados na prática para geração de energia. As primeiras aplicações
desses dispositivos foram para atender a necessidade de geração de energia no espaço
em satélites artificiais, sondas, naves e estações espaciais. Com a queda progressiva no
custo de produção dos painéis seu emprego estendeu-se a aplicações terrestres,
inicialmente em locais isolados distantes da rede elétrica [1], [2].
Atualmente utiliza-se a energia fotovoltaica nas mais diversas áreas com o
objetivo de geração de energia elétrica aliada as seguintes vantagens: simplicidade de
instalação, facilidade de expansão, elevado grau de confiabilidade do sistema, redução
das perdas por transmissão de energia devido à proximidade entre geração e consumo
e pouca necessidade de manutenção. Além disso, os sistemas fotovolt aicos são fontes
silenciosas e não poluentes de geração de energia elétrica [3].
O custo da produção de energia elétrica através de painéis fotovoltaicos ainda é
elevado em comparação a outros métodos de geração de energia elétrica o que
inviabiliza muitas vezes a sua aplicação. Contudo, há uma grande expectativa da
CAPÍTULO 1- I NTRODUÇÃO
3
difusão do uso de sistemas fotovoltaicos nos próximos anos, principalmente pelo
esgotamento das fontes primárias de energia e o grande impacto ambiental causado
pelas usinas tradicionais de geração de energia como a hidroelétrica e as termoelétricas
[4].
Além do desenvolvimento de painéis mais eficientes a um custo menor, um
sistema de geração de energia fotovoltaica para tornar-se mais difundido depende
também do desenvolvimento de equipamentos complementares que tornem os
sistemas mais versáteis, ou seja adaptando-os as mais diversas aplicações, e eficientes,
aproveitando melhor a energia gerada pelos painéis [5].
1.2 Identificação do Problema
A produção de energia através de painéis fotovoltaicos depende, principalmente,
do nível de insolação incidente sobre eles. Como o recurso energético solar apresenta
grande variabilidade devido à alternância de dias e noites, das estações do ano e
períodos de passagem de nuvens, a produção de energia apresentará também uma
grande variação de acordo com a insolação, ou seja, nos períodos de grande insolação
haverá grande produção de energia, nos períodos de baixa insolação haverá pouca
produção de energia e nos períodos sem insolação não haverá produção de energ ia.
Dessa forma, a quantidade de energia gerada pelos painéis, em grande parte das
aplicações, não coincidirá com a quantidade de energia requerida pelas cargas elétricas
da instalação, tendo-se que descartar o excedente de energia gerado em determinados
momentos e em outros, requerer energia de uma outra fonte.
Uma forma de solucionar este problema é o armazenamento do excedente de
energia gerado pelos painéis em banco de baterias eletroquímicas, transformando
energia elétrica em energia potencial química. A energia química armazenada poderá
ser utilizada posteriormente, na forma de energia elétrica, quando a energia requerida
pelas cargas elétricas da instalação for superior a energia gerada pelos painéis.
CAPÍTULO 1- I NTRODUÇÃO
4
Porém as baterias eletroquímicas são equipamentos que elevam o custo de
implementação do sistema fotovoltaico e podem ser danificadas prematuramente caso
não sejam respeitadas suas especificações de uso, principalmente no se refere aos
processos de carga e descarga. Assim, para evitar que as mesmas sejam danificadas
precocemente, as baterias necessitam de um equipamento destinado ao seu
monitoramento durante os processos de carga e de descarga. Este equipamento é
denominado por “Controlador de Carga de Bateria” [6].
O Controlador de Carga de Bateria em um sistema fotovoltaico deve, além de
proteger as baterias, providenciar o carregamento completo da bateria, dentro de suas
especificações, em um período de tempo o mais curto possível. O Controlador deve
também providenciar e gerenciar o retorno da energia armazenada para o sistema
elétrico quando for necessário. Dessa forma é importante que o Controlador de Carga
de Bateria receba informações constantes do sistema para gerenciar com mais
eficiência o fluxo de energia que entra e sai do banco de baterias.
Para executar tais tarefas os controladores necessitam basicamente de dois
circuitos, um circuito de controle e um circuito de comutação. O circuito de controle
monitora grandezas do sistema, como a tensão, a corrente e a temperatura na bateria,
processa essas informações e gera os sinais de controle que comandará o circuito de
comutação. Já o circuito de comutação é composto por chaves que comutam as
ligações de acordo com as condições e as necessidades do sistema.
1.3 Motivação do Estudo
A principal motivação deste trabalho é o desenvolvimento de um Conversor CCCC Bidirecional Buck-Boost que atuará em um sistema fotovoltaico como Controlador
de Carga de Bateria. O Conversor CC-CC Bidirecional irá promover a ligação entre o
barramento de corrente contínua e o banco de baterias eletroquímicas do sistema
fotovoltaico. Sua função será de promover o controle de carga de baterias chumbo-
CAPÍTULO 1- I NTRODUÇÃO
5
ácido. O processo de carga da bateria é dividido em quatro estágios para garantir o
carregamento completo, rápido e seguro. Para executar com precisão o processo de
carga, o circuito de controle do conversor monitora a tensão, a corrente e a
temperatura na bateria. Processa essas informações e gera os sinais de controle que
irão atuar nas chaves do circuito de comutação. Os parâmetros de controle devem ser
ajustados de acordo com as especificações do fabricante da bateria utilizada no
sistema.
1.4 Objetivos do Trabalho
No desenvolvimento deste trabalho, que envolve um controlador de carga de
bateria baseado na topologia de um Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost, foram
selecionados os seguintes objetivos para serem estudados:
i. descrever os principais elementos que compõem um sistema fotovoltaico
dando-se ênfase às baterias chumbo-ácido utilizadas para o armazenamento
de energia elétric a;
ii. descrever o circuito principal do Conversor CC-CC Bidirecional para ser usado
como Controlador de Carga de Baterias;
iii. apresentar uma estratégia de controle para o gerenciamento do fluxo de
energia dentro do sistema, bem como o processo de carga do banco de
baterias;
iv. apresentar um modelo matemático, linearizado, para as etapas de operação do
Conversor CC-CC Bidirecional, obtendo-se as funções de transferências para
auxiliar o projeto das malhas de controle;
v. descrever as metodologias de projeto das malhas de realimentação de controle
CAPÍTULO 1- I NTRODUÇÃO
6
adotadas no Conversor CC-CC Bidirecional;
vi. verificar a dinâmica das malhas de controle do conversor através de
simulações no Pspice;
vii. descrever as etapas para implementação da topologia estudada para
observação do seu funcionamento;
1.5 Estrutura do Trabalho
O desenvolvimento desse trabalho que aborda o Conversor CC-CC Bidirecional,
que atua como Controlador de Carga de Bateria em um sistema fotovoltaico, está
dividida em capítulos conforme sumarizados a seguir:
O Capítulo 2 faz referência aos sistemas fotovoltaicos, abordando o
funcionamento e as características das células fotovoltaicas, os principais equipamentos
que compõem o sistema e as topologias mais usuais.
O Capítulo 3 enfoca as características, o funcionamento e o equacionamento do
Conversor Bidirecional CC-CC que será desenvolvido para atuar como Controlador de
Carga de Bateria em um sistema fotovoltaico.
O Capítulo 4 descreve as etapas para implementação do protótipo como:
dimensionamento dos componentes, montagem do equipamento e verificação do seu
funcionamento.
O Capítulo 5 relata os resultados e as conclusões alcançadas no desenvolvimento
do trabalho, também são propostas sugestões para trabalhos futuros com objetivo de
aperfeiçoamento do equipamento desenvolvido.
Capítulo 2
Elementos de um Sistema de
Geração de Energia Elétrica
Fotovoltaico
2.1 Introdução
Sistemas Fotovoltaicos de geração de energia são sistemas que através de células
fotovoltaicas converte a energia luminosa diretamente em energia elétrica. As células
são conectadas entre si formando os painéis fotovoltaicos, que são os componentes
que caracterizam o sistema. Além dos painéis, outros equipamentos podem fazer parte
do sistema, como conversores estáticos, baterias eletroquímicas e controladores de
carga de bateria [1].
Entre as vantagens associadas aos sistemas fotovoltaicos, destaca-se sua
versatilidade, o que permite projetá-los para diversas aplicações. Sua topologia é
definida levando-se em consideração muitos fatores com: localização geográfica,
condições climáticas, isolado ou conectado a rede de fornecimento de energia da
concessionária, características elétricas das cargas alimentadas pelo sistema e sua
7
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
8
aplicação [7].
Outras vantagens dos sistemas fotovoltaicos são a grande durabilidade dos
painéis e a sua modularidade.
Esta última característica facilita o transporte, a
instalação e a ampliação dos sistemas fotovoltaicos. E ainda, por não possuir peças
móveis os sistemas fotovoltaicos requerem pouca manutenção [1].
Sob os aspectos relacionados ao meio ambiente, a geração de energia pelos
sistemas fotovoltaicos não emite nenhum tipo de resíduo ao meio ambiente além de
serem fontes silenciosas. Isto permite sua instalação perto dos consumidores de
energia, que por sua vez contribui para a redução das perdas na transmissão da energia
elétrica gerada.
A redução progressiva no custo de fabricação dos painéis fotovoltaicos, somado
as suas vantagens, e ainda, a saturação, o impacto ao meio-ambiente e o aumento
progressivo no preço da energia gerada pelas fontes tradicionais como combustíveis
fosseis e hidrelétrica tem contribuído para o aumento progressivo do emprego de
sistemas fotovoltaicos na geração de energia elétrica [5].
Conhecer as principais características de um sistema fotovoltaico é um dos
requisitos básico para o desenvolvimento de trabalhos que busquem o aprimoramento
do seu funcionamento e de seus componentes. Este capítulo apresenta os principais
equipamentos que compõem o sistema e as topologias mais usuais.
2.2 Principais Elementos dos Sistemas Fotovoltaicos
Os sistemas fotovoltaicos são bastante flexíveis, podendo admitir muitas
topologias de acordo com a aplicação. Os principais elementos que podem fazer parte
do projeto de um sistema fotovoltaico de geração de energia, além dos painéis, são: (i)
conversores estáticos cuja finalidade é adequar a potência elétrica de saída dos painéis à
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
9
natureza das cargas alimentadas, (ii) baterias eletroquímicas cuja tarefa é armazenar
energia e (iii) controlador de carga de baterias que providencia o carregamento seguro
da energia excedente nas baterias para seu uso posterior [1].
A Figura 2.1 mostra o esquema de um sistema fotovoltaico composto por todos
os elementos citados. Essa topologia é composta por dois barramentos, um
barramento de tensão contínua, denominado de barramento CC e um barramento de
tensão alternada, denominado barramento CA. A energia gerada pelos painéis é
transferida para o barramento CC através dos conversores estáticos CC-CC que
mantém a tensão do barramento em um valor desejado. O banco de baterias está
conectado ao barramento CC através do Controlador de Carga de Bateria. Um
conversor estático CC-CA, que pode ser trifásico ou monofásico, transfere a energia
disponível no barramento CC para o barramento CA onde estão conectadas as cargas
do sistema. O barramento CA pode ser também conectado a rede de energia da
concessionária, desde que a legislação local permita e que a qualidade de energia no
barramento CA esteja dentro das normas estabelecidas pela concessionária [1], [8].
Figura 2.1 – Diagrama de conexão de um sistema fotovoltaico de geração de energia
elétrica.
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
10
Nas seções seguintes são detalhados mais especificamente cada uma das partes
do sistema mostrado na Figura 2.1.
2.2.1 O Painel Fotovoltaico
O painel fotovoltaico é o responsável por transformar a energia luminosa solar
em corrente elétrica. Ele é formado por células individuais conectadas entre si. Cada
célula fotovoltaica isoladamente tem capacidade limitada de produção de energia
elétrica e fornece um baixo nível de tensão. Portanto para atender a demanda de
energia de grande parte dos equipamentos elétricos há necessidade de se associar
várias células, através de ligações série e paralelo, formando-se assim os painéis
fotovoltaicos. Os painéis fotovoltaicos podem, também, ser conectados entre si,
formando-se os arranjos fotovoltaicos. Isso possibilita projeto de sistemas de grande
capacidade de geração de energia elé trica [1], [2].
As células fotovoltaicas são constituídas por materiais semicondutores. Os
materiais classificados como semicondutores caracterizam-se por possuírem uma
banda de valência totalmente preenchida por elétrons e uma banda de condução
totalmente “vazia” a temperaturas próximas de zero Kelvin. A separação entre as duas
bandas de energia permitida dos semicondutores, chamada de gap de energia, é da
ordem de 1eV (elétron-volt). Isso faz com que os semicondutores apresentem
características interessantes. Uma delas é o aumento de sua condutividade com a
temperatura, devido à excitação térmica de portadores da banda de valência para a
banda de condução. Uma característica fundamental para as células fotovoltaicas é
possibilidade de fótons, na faixa do espectro visível, com energia superior ao do gap de
energia do material, excitarem elétrons à banda de condução. Este efeito, que pode ser
observado em semicondutores puros, também chamado intrínsecos, não garante por
si só o funcionamento de células fotovoltaicas. Para obtê-las é necessário uma estrutura
apropriada, para que os elétrons excitados possam ser coletados, gerando uma
corrente útil [1].
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
11
O elemento mais utilizado atualmente na fabricação das células fotovoltaicas é o
Silício [4]. Os átomos de Silício caracterizam por possuírem quatro elétrons de ligação
que se ligam aos vizinhos formando uma rede cristalina. O cristal de Silício puro não
possui elétrons livres, portanto é um mal condutor elétrico. Para alterar isto,
acrescentam-se porcentagens de outros elementos a sua estrutura molecular, este
processo denomina-se dopagem.
Mediante a dopagem do Silício com elementos da família V da tabela periódica,
como o Fósforo, que contém 5 elétrons na última camada, obtém-se um material com
elétrons livres ou material portador de cargas negativas denominado de Silício tipo n.
Realizando o mesmo processo, mas acrescentando elementos da família III, como o
Boro, que contém 3 elétrons de ligação, à estrutura do material, obtém-se um material
com características inversas, ou seja, déficit de elétrons ou material portador de carga
positiva, denominado de Silício tipo p. Esta falta de elétrons e denominada de buraco
ou lacuna.
Em um cristal de Silício puro, introduzindo-se átomos de Boro em uma metade e
de Fósforo na outra, será formado o que se denomina junção pn. Na junção os
elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram as lacunas que os capturam.
Isso faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado p, tornando-o negativamente
carregado e uma redução de elétrons no lado n, que o torna eletricamente positivo.
Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a
passagem de mais elétrons do lado n para o lado p. O processo alcança o equilíbrio
quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres
remanescentes no lado n. A Figura 2.2(a) ilustra o comportamento das cargas elétricas
através da junção pn e a Figura 2.2(b) mostra o comportamento do campo elétrico
sobre a junção pn.
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
12
Figura 2.2 – Junção semicondutora: (a) região do cristal onde ocorre o acumulo de cargas e
(b) campo elétrico resultante da transferência de cargas através da junção pn.
Se esta junção pn, mostrada esquematicamente na Figura 2.2 (a), for exposta a
fótons com energia superior aquela presente no gap do dispositivo ocorrerá a geração
de pares elétron-lacuna nessa região. Se este fenômeno ocorrer na região onde o
campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma
corrente elétrica através da junção. Este deslocamento de cargas dá origem a uma
diferença de potencial que é chamada de efeito fotovoltaico. Então se as duas
extremidades do cristal forem conectadas por um fio, haverá circulação de uma
corrente elétrica unidirecional [1].
O modelo elétrico que representa um painel fotovoltaico ideal é mostrado na
Figura 2.3(a), onde a corrente IP fornecida pelo painel a uma carga, é equivalente à
associação de uma fonte de corrente contínua IFV em paralelo com um diodo. Onde o
módulo de IFV é proporcional ao nível de insolação G que incide sobre a célula e o
comportamento da corrente pela junção pn é representado pela corrente do diodo ID .
O desempenho de um painel real difere do ideal por apresentar alguns fatores de
perdas. Estas perdas são representadas pelas resistências em série e em paralelo
inseridas no modelo ideal. A resistência em série se deve a resistividade do corpo
material, a resistência da lâmina da camada difundida e a resistência dos contatos
metálicos. A resistência em paralelo se deve aos defeitos da junção que ocasionam
correntes de perdas ao longo da junção [2]. A Figura 2.3(b) apresenta o circuito
equivalente de um painel real onde RS representa a resistência em série e RP a
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
13
resistência em paralelo.
Figura 2.3 – Circuito equivalente do painel fotovoltaico conectado a uma carga: (a) modelo
ideal e (b) modelo real.
A Figura 2.4 mostra a curva característica genérica da corrente IP em relação a
variação da tensão VP em um painel fotovoltaico. Nessa figura, ISC é a corrente de
curto-circuito e representa a máxima corrente que o dispositivo pode entregar sob
determinadas condições de radiação e temperatura com tensão nula; V OC é a tensão
de circuito aberto e representa a máxima tensão que o dispositivo pode entregar sob
determinadas condições de radiação e temperatura com corrente nula; PMP é o ponto
de máxima potência e corresponde ao ponto da curva no qual o produto da tensão
pela corrente é máximo; IMP é a corrente relativa ao ponto de máxima potência e que
é utilizado para definir o valor da corrente nominal do dispositivo e V MP é a tensão
relativa ao ponto da máxima potência e que é utilizado para definir o valor da tensão
nominal do dispositivo.
Figura 2.4 – Curva característica genérica de tensão por corrente de um painel fotovoltaico.
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
14
Do modelo mostrado na Figura 2.3, a corrente IP fornecida pelo painel a uma
carga pode ser equacionada em função da sua tensão de saída VP conforme mostrado
a seguir [9].
I P = I SC [1 − K 1 ( e
onde
K 1 = 0,01175 ,
K2 =
K4
,
(V OC )m
( K2 (VP )m −1 )
m=
(2.1
)]
)
 I (1 + K1 ) − I MP 
ln(K 3 K 4 )
, K 3 = ln SC
 e
ln(V MP VOC )
K
I

1 SC

 1 + K1 
 .
K 4 = ln
 K1 
Contudo, (2.1) é valida somente para as Condições de Teste Padrão, STC (do
inglês Standard Test Conditions), onde o nível de insolação é GSTC = 1000W/m2 e a
temperatura é T STC = 25°C.
A potência produzida pelo painel varia de acordo com a quantidade de energia
luminosa que incide sobre ele e a sua temperatura. Quando há variação no nível de
insolação e na temperatura, os novos valores de corrente e tensão que caracterizam o
painel são dados respectivamente por:
e,
I PN = I P + ∆I
(2.2)
VPN = VP + ∆V ,
(2.3)
Onde as variações da corrente (∆I) e da tensão (∆V) são dadas por:
 G
∆I = αT 
 G STC
e,

 G

 (TC − TSTC ) + 
− 1I SC

 GSTC

(2.4)
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
∆V = −β T (TC − TSTC ) − RS ∆ I .
15
(2.5)
onde βT é o coeficiente de temperatura da tensão de circuito aberto, RS é a resistência
série equivalente do painel e T C é a temperatura da célula fotovoltaica dada por:
TC = Ta +
G
GNOCT
(NOCT − T ).
(2.6)
a , ref
onde, Ta é a temperatura ambiente em (°C); NOCT é a Temperatura Normal de
Operação da Célula fotovoltaica definida para as seguintes condições: nível de
insolação GNOCT=800W/m 2, temperatura ambiente de referência Ta,ref=20°C e
velocidade do vento de 1 m/s2. O valor da NOCT é fornecido pelo fabricante do
painel.
A Figura 2.5(a) mostra a curva tensão versus corrente e a Figura 2.5(b) a curva
tensão versus potência de um painel fotovoltaico modelado conforme descrito
anteriormente para diferentes níveis de insolação e uma temperatura ambiente fixa e
igual a 25°C. A Figura 2.6(a) mostra a curva tensão versus corrente e a Figura 2.6(b) a
curva tensão versus potência do painel fotovoltaico modelado para diferentes valores
de temperatura e para uma insolação constante de 1000W/m 2. Os parâmetros
utilizados nas equações para adquirir estas às curvas características estão mostrados na
Tabela 2.1, estes parâmetros pertencem à folha de dados do painel BP SX120.
Tabela 2.1 – Parâmetros do Painel Fotovoltaico BP SX120 para STC.
PARÂMETROS
Potência máxima
Corrente no ponto de máxima potência
Tensão no ponto de máxima potência
Corrente de curto-circuito
Tensão de circuito aberto
Coeficiente de temperatura da ISC
Coeficiente de temperatura da VOC
Temperatura normal de operação
SÍMBOLO
P MP
IMP
VMP
ISC
VOC
αT
βT
NOCT
VALOR
120W
3,56A
33,7V
3,87A
42.1V
2,51mA/°C
-160mV/°C
47°C
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
16
Figura 2.5 – Curvas características do painel fotovoltaico, variação com a insolação: (a)
tensão x corrente e (b) tensão x potência (os símbolos (∗) nas curvas indicam os pontos de
máxima potência).
Figura 2.6 – Curvas características do painel fotovoltaico, variação com a temperatura: (a)
tensão x corrente e (b) tensão x potência (os símbolos (∗) nas curvas indicam os pontos de
máxima potência).
2.2.2 Conversores Estáticos
Os conversores estáticos possuem a tarefa de adequar a potência elétrica
disponível em determinados pontos do sistema para uma outra forma estável desejada.
Através de uma estratégia de comando para abertura e fechamento de suas chaves
semicondutoras de potência os conversores estáticos são capazes de elevar ou abaixar
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
17
um determinado nível de tensão ou corrente contínua, transformar uma tensão
alternada em contínua ou uma tensão contínua em alternada com a amplitude e
freqüência desejadas.
Os conversores estáticos podem operar no modo tensão ou no modo corrente.
No modo tensão a variável de controle é a tensão de saída e o conversor opera como
uma fonte de tensão. No modo corrente a variável de controle é a corrente de saída e
o conversor opera como uma fonte de corrente equivalente.
Nos sistemas fotovoltaicos utilizam-se basicamente dois tipos de conversores
estáticos: (i) conversores CC-CC e (ii) conversores CC-CA.
2.2.2.1 Conversores Estáticos CC-CC
Os conversores estáticos CC-CC são dispositivos que recebem um nível de
tensão ou de corrente contínua nos seus terminais de entrada e ajustam para um
outro valor de tensão ou de corrente contínua nos terminais de saída de acordo com
as exigências do sistema. Existem duas topologias básicas de conversores estáticos
CC-CC que são: (a) conversor abaixador de tensão, também denominado na literatura
como “Step-down” ou “Buck” e (b) conversor elevador de tensão, também conhecido
como “Step-up” ou “Boost” [10]. A Figura 2.7(a) mostra a topologia de um conversor
abaixador de tensão enquanto que a Figura 2.7(b) mostra a topologia de um conversor
elevador de tensão. Nessas duas figuras S representa a chave estática de potência, D é
um diodo de potência, L é um indutor para armazenamento de energia, C é um
capacitor que atua como filtro de saída, iL (t) é a corrente sobre o indutor, V i é a tensão
de entrada e V0 é a tensão de saída fornecida a carga R.
Os conversores CC-CC chaveados possuem dois modos de operação de acordo
com a corrente iL (t) que circula pelo indutor L que são: (i) modo de condução contínua
(MCC) onde a corrente iL(t) é sempre maior que zero durante um período de
chaveamento e (ii) modo de condução descontínua (MCD) onde a corrente iL (t) é
zero por alguns instantes do período de chaveamento [10].
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
18
Figura 2.7 - Topologias básicas dos conversores estáticos CC-CC: (a) conversor buck e (b)
conversor boost.
Os conversores estáticos CC-CC em um sistema fotovoltaico fazem a ligação
dos painéis ao barramento de corrente contínua onde serão conectadas as cagas de
corrente contínua. Os conversores podem exercer dupla função no sistema
fotovoltaico, a principal é adequar o nível de tensão gerado nos terminais do painel no
nível de tensão desejado no barramento CC, possibilitando com isso padronizar a
tensão dos equipamentos que serão conectados ao barramento CC. A outra função
que pode ser incorporada aos conversores estáticos CC-CC que conectam os painéis
fotovoltaicos ao barramento CC é a função de seguidor do ponto de máxima potência
do painel, denominada pela sigla MPPT (do inglês, Maximum Power Point Tracker). O
ponto de máxima potência de um painel varia com o nível de insolação e com a
temperatura, como mostra os gráficos da Figura 2.5(b) e Figura 2.6(b)
respectivamente. O MPPT possibilita extrair a máxima potência gerada pelos painéis
fotovoltaicos em diferentes condições de insolação e de temperatura.
Os dispositivos MPPT funcionam basicamente da seguinte forma, os terminais
do arranjo fotovoltaico são conectados à entrada do conversor. Através de um
algoritmo de controle que atua sobre a chave S, varia-se o valor da tensão de entrada,
conseqüentemente a corrente de entrada também varia, até que o produto da tensão
pela corrente na entrada do conversor seja máximo. Esse controle é feito
continuamente pelo algoritmo, para que se possa extrair sempre a máxima potência
que pode ser gerada pelos painéis sob determinadas condições de insolação e
temperatura [1].
Existem vários algoritmos para o rastreamento do ponto de máxima potência
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
19
aplicado ao controle do conversor CC-CC em sistemas fotovoltaicos, a Figura 2.8
apresenta o fluxograma do algoritmo Incremental Condutance proposto em [11]. O
algoritmo procede da seguinte forma: primeiro, ele lê os valores atuais da tensão V(k) e
da corrente I(k) na entrada do conversor, em seguida, calcula os desvios dV e dI,
subtraindo a leitura atual pelos valores de tensão V(k-1) e corrente I(k-1) obtidos na
leitura anterior, respectivamente. Se dV e dI forem iguais a zero tem-se que o painel
está operando no ponto de máxima potência do painel e o algoritmo retornará ao início.
Caso dV seja igual a zero e dI>0, o algoritmo somará ao valor de tensão de referência
V REF um incremento de tensão ∆V, mas se dI<0, o algoritmo subtrai de VREF o
incremento ∆V. Já se dV for diferente de zero, o algoritmo vai comparar a razão
dI/dV
com -I(k)/V(k). Neste caso, se dI/dV for igual a -I(k)/V(k) o algoritmo
retorna ao início, pois o conversor está rastreando no ponto de máxima potência. Por
outro lado, se dI/dV for maior que -I(k)/V(k) o algoritmo somará a VREF o incremento
∆V e se dI/dV for menor que -I(k)/V(k) o algoritmo subtrai de VREF o incremento
∆V.
Figura 2.8 – Fluxograma do algoritmo Incremental Condutance.
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
20
2.2.2.2 Conversores Estáticos CC-CA
Os painéis fotovoltaicos geram corrente elétrica unidirecional, ou seja, corrente
contínua, porém grande parte dos equipamentos elétricos é padronizada para ser
conectada diretamente à rede de alimentação de corrente alternada das
concessionárias de energia. Para que estes equipamentos possam ser utilizados em
sistemas fotovoltaicos é necessária à utilização de um dispositivo que converta
corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA). Estes equipamentos são
denominados na literatura como conversores estáticos CC-CA, ou mais comumente
inversores [10].
Dependendo da natureza da fonte unidirecional conectada nos terminais CC dos
inversores eles são classificados como inversores tipo fonte de tensão (VSI – do inglês
Voltage Source Inverters) ou inversores tipo fonte de corrente (CSI – do inglês Current
Source Inverters) [12].
Existe uma grande variedade de topologias de conversores CC-CA os quais
podem ser monofásicos ou trifásicos. A Figura 2.9(a) mostra a topologia básica de um
conversor CC-CA monofásico composto por um único ramo de chaves
semicondutoras e a Figura 2.9(b) a topologia de Conversor CC-CA trifásico composto
por três ramos de chaves semicondutoras com diodos conectados em antiparalelo.
Figura 2.9 – Topologias dos conversores estáticos CC-CA: (a) monofásico e (b) trifásico.
Maiores detalhes sobre este tipo de inversores e sobre estratégias de controle e
de eliminação harmônica podem ser achados em [8], [12].
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
21
2.2.3 Elemento de Armazenamento de Energia
A produção de energia através de painéis fotovoltaicos é diretamente
proporcional ao nível de insolação que incide sobre ele, dessa forma nos momentos de
grande insolação haverá grande produção de energia, nos momentos com pouca
insolação haverá pouca produção de energia e ainda nos períodos sem insolação não
haverá produção de energia pelos painéis. Assim ocorrerão momentos em que a
energia requerida pelas cargas será menor que a energia gerada e em outros a energia
gerada será insuficiente para alimentar as cargas do sistema. Como, em grande parte
dos sistemas o consumo de energia não pode acompanhar a variabilidade da geração
dos painéis, então haverá a necessidade de se adaptar a curva de geração do painel a
curva de consumo de energia do sistema.
As baterias eletroquímicas são uma importante forma de armazenamento de
energia que pode ser utilizada em sistemas fotovoltaicos, pois elas são capazes de
transformar diretamente energia elétrica em energia potencial química e posteriormente
converter, diretamente, a energia potencial química em energia elétrica.
As baterias, também chamadas de acumuladores eletroquímicos, são
classificadas em duas categorias: (i) baterias primárias e (ii) baterias secundárias.
Baterias primárias são dispositivos eletroquímicos que, uma vez esgotados os reagentes
que produzem a energia elétrica, são descartadas, pois não podem ser recarregadas. Já
as baterias secundárias podem ser regeneradas, ou seja, através da aplicação de uma
corrente elétrica em seus terminais pode-se reverter às reações responsáveis pela
geração de energia elétrica e assim recarregar novamente a bateria [13]. Os sistemas
fotovoltaicos de geração de energia elétrica utilizam acumuladores secundários, ou seja,
baterias que podem ser recarregadas. Entre inúmeros tipos de baterias secundárias as
mais comuns são as chumbo-ácido e as níquel-cádmio [1].
2.2.3.1 Bateria Chumbo-ácido
A bateria chumbo-ácido é a mais utilizada para armazenamento de energia nos
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
22
sistemas fotovoltaicos devido principalmente ao seu baixo custo em comparação aos
outros tipos de baterias e a sua grande disponibilidade no mercado [14].
Baterias Chumbo-ácido são assim denominadas, pois a sua matéria ativa é o
chumbo e seus compostos, e o eletrólito é uma solução aquosa de ácido sulfúrico. A
bateria é composta por elementos ou células, esses elementos são constituídos por
duas placas de polaridades opostas, isoladas entre si, banhadas pelo eletrólito. Os
elementos são interligados convenientemente no interior da bateria de forma a definir
sua tensão e capacidade nominal. A tensão nominal de um elemento de uma bateria
Chumbo-ácido é 2V. A Figura 2.10 mostra a estrutura de uma bateria chumbo-ácido
retirado do catálogo de baterias chumbo-ácido Moura [15].
O processo químico de geração de eletricidade através de reações químicas tem o
nome de Oxidação e Redução. Os átomos possuem elétrons de valência, ou seja,
aqueles que vão ser trocados ou compartilhados com outros átomos para formação de
compostos durante as reações químicas. Quando o elemento da reação perde elétrons
ele se oxida e é chamado de Agente Redutor e o processo é chamado de Redução.
Por outro lado, o elemento da reação que ganha elétrons é chamado de Agente
Oxidante e o processo de Oxidação [1], [13].
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
23
Figura 2.10 – Estrutura de uma Bateria Chumbo-ácido selada.
Durante os processos de descarga e carga de uma bateria chumbo-ácido, ocorre
tanto o processo de Oxidação quanto de Redução. Na oxidação o chumbo (Pb) que
compõe a placa de polaridade negativa reage com o ácido sulfúrico (H 2SO4) formando
sulfato de chumbo (PbSO4) e cátion de Hidrogênio (H +), conforme mostrado a seguir:
Pb + H2SO4 ? PbSO 4 + 2H+ + 2e- ⇒ + 0,356V
(2.7
)
Na redução o dióxido de chumbo (PbO2) que compõe a placa de polaridade
positiva reage também com o ácido sulfúrico (H 2SO 4) mais o cátion de Hidrogênio (H +)
tendo como produto final dessa reação sulfato de chumbo (PbSO4) mais água (H 2O),
conforme a equação química a seguir:
PbO2 + H2SO 4 + 2H+ + 2e- ? PbSO4 + H2O ⇒ + 1,685V
(2.8
)
A reação química completa durante a descarga da bateria e o potencial elétrico
produzido pela reação são dados por:
PbO2 + Pb + H2SO4 ? 2PbSO4 + 2H2O ⇒ + 2,041V
(2.9
)
Toda reação química cujo potencial elétrico é positivo ocorre espontaneamente,
ou seja, fechando-se um circuito através dos pólos da bateria haverá circulação de
corrente.
Para regeneração do potencial eletroquímico da bateria ocorre a reação
inversa onde o sulfato de chumbo reage com a água durante a passagem de uma
corrente elétrica no sentido oposto, obtendo-se novamente dióxido de chumbo,
chumbo puro e ácido sulfúrico. A reação química completa e o seu potencial elétrico
produzido durante o processo de carga da bateria são dados por:
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
24
(2.10
2PbSO 4 + 2H 2O ? PbO2 + Pb + H2SO4 ⇒ - 2,04V
)
A capacidade de uma bateria chumbo-ácido é a quantidade de carga elétrica,
expressa em Ampère-hora (Ah). Essa capacidade é obtida através de um ensaio de
descarga com corrente constante até a tensão final de descarga por elemento referido
a temperatura de 25°C. Deste modo à capacidade da bateria é o produto da corrente
em Ampères pelo tempo em horas corrigido para a temperatura de referência. A
capacidade nominal (C) é definida para um regime de descarga de 10 horas com
corrente constante, à temperatura de 25°C, até a tensão final de 1,75V por elemento
[1].
É denominado ciclo um processo de descarga seguido de um processo de carga
que restabeleça completamente a capacidade da bateria. A vida útil de uma bateria
pode ser definida pelo número de ciclos que ela pode realizar [1].
Um parâmetro importante na escolha de uma bateria chumbo-ácido é sua
profundidade de descarga.
A profundidade de descarga define o percentual em
relação a sua de capacidade nominal que uma bateria pode fornecer sem que seja
comprometida sua vida útil. Existem baterias chumbo-ácido de baixa profundidade de
descarga, empregadas principalmente em automóveis, e baterias de alta profundidade
de descarga, que são as mais indicadas para aplicação nos sistemas fotovoltaicos de
geração de energia elétrica [1].
O gráfico da Figura 2.11, obtido da folha de dados de uma bateria de ciclo
profundo [16], mostra a relação entre a profundidade média diária de descarga e o
número de ciclos que a bateria é capaz de realizar durante sua vida útil. Descargas que
ultrapassam a profundidade de descarga da bateria chumbo-ácido diminuem o seu
tempo de vida útil e uma descarga muito profunda pode tornar o processo químico
irreversível finalizando o tempo de operação da bateria. Para aumentar a durabilidade
das baterias chumbo-ácido é preciso carregá-las adequadamente, conforme as
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
25
recomendações dos fabricantes, antes que sua descarga alcance níveis superiores aos
pré-estabelecidos para a sua profundidade de descarga [18], [19].
Figura 2.11 – Gráfico da relação entre a profundidade média diária de descarga durante um
ciclo e o número de ciclos.
Um outro problema relacionado com o processo de descarga da bateria, que
contribui para degradação da vida útil das baterias chumbo-ácido é a sulfatação. A
sulfatação é a formação de cristais de sulfato de chumbo nas placas dos elementos. Os
cristais vão acumulando sobre as placas formando uma barreira entre o eletrólito e o
material ativo das placas. Para minimizar a sulfatação deve-se evitar manter a bateria
descarregada por longos períodos de tempo, carregamentos parciais prolongados e a
operação contínua em temperaturas acima de 45°C [17].
O processo de carga também pode danificar as baterias. Durante o processo de
carga a tensão nos terminais da bateria sobe lentamente até atingir um determinado
valor de tensão quando cessa a acumulação de energia na bateria. A partir desse
ponto, caso não se interrompa a corrente de carga, a bateria passa a consumir toda a
energia entregue realizando a eletrólise da água contida no eletrólito. Isso ocasiona
perda excessiva de água resultando no aumento da necessidade de manutenção para
reposição de água na bateria [20].
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
26
2.2.3.2 Bateria Níquel-cádmio
Um outro tipo de bateria secundária também empregada nos sistemas geração
de energia elétrica fotovoltaicos são as baterias níquel-cádmio. Essas apresentam uma
estrutura física semelhante à das baterias chumbo-ácido. Porém, ao invés de placas de
chumbo, elas utilizam hidróxido de níquel para as placas positivas (Ni(OH)2), óxido de
cádmio (Cd(OH)2) para as placas negativas e o eletrólito é o hidróxido de potássio [1].
A reação química completa durante a descarga da bateria e o potencial elétrico
produzido pela reação são dados por.
(2.11
Cd + NiO2 + 2H2O ? Cd(OH)2 + Ni(OH)2 ⇒ + 1,3V
)
A tensão nominal de um elemento de uma bateria Níquel-cádmio é de 1,3V a
20°C. Em comparação com as baterias chumbo-ácido as baterias níquel-cádmio são
menos afetadas por sobrecargas e podem ser totalmente descarregadas, não estando
sujeitas a sulfatação e o seu carregamento não sofre influencia da temperatura [1]. Em
contra partida possuem um custo mais elevado que as baterias chumbo-ácido.
2.2.4 Elemento de Regulação de Carga de Bateria
Nos sistemas fotovoltaicos que utilizam bancos de baterias para armazenamento
de energia é indispensável à utilização de um equipamento responsável por monitorar e
controlar os processos de carga e descarga das baterias [18], [21]. Este equipamento é
denominado na literatura por Controlador de Carga de Bateria.
O controlador de carga é um dispositivo que controla e monitora o processo de
carga e de descarga das baterias, evitando sobrecargas que possam danificar e
aumentar a necessidade de manutenção das mesmas, e descargas profundas que
diminuam sua vida útil.
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
27
Os controladores de carga de bateria possuem a finalidade básica de proteger a
bateria e conseqüentemente aumentar a sua vida útil. Para tal, os controladores de
carga são compostos basicamente por dois circuitos: (a) um circuito de controle e (b)
um circuito de comutação. O circuito de controle monitora as grandezas do sistema,
como a tensão, a corrente e a temperatura na bateria, processa essas informações e
gera sinais de controle que são usados para comandar o circuito de comutação. O
circuito de comut ação é composto por chaves semicondutoras que controlam a tensão
e/ou a corrente de carga ou descarga das baterias.
O circuito de controle é a parte fundamental dos controladores de carga, pois é
através dele que se pode definir uma estratégia de controle adequada para o tipo e o
modelo de bateria empregada no sistema, maximizando a durabilidade da bateria e
aumentando a confiabilidade do sistema.
O Controlador de Carga de Bateria pode usar controle analógico constituído por
elementos
discretos
e
circuitos
integrados dedicados; ou controle digital,
implementado por microprocessador ou processador digital de sinais.
As principais funções que são atribuídas aos controladores de carga de bateria
em um sistema fotovoltaico de geração de energia elétrica são: (i) providenciar o
carregamento completo da bateria, (ii) evitar sobrecarga na bateria, (iii) bloquear
corrente reversa entre a bateria e o painel e (iv) prevenir descargas profundas (no caso
das baterias chumbo-ácido).
2.2.4.1 Processo de Carga
Providenciar o carregamento completo da bateria exige do controlador uma
elaborada estratégia de controle, na qual seja possível carregar a bateria, dentro de seus
limites, o mais rápido possível já que o período diário de geração de energia pelo painel
fotovoltaico é limitado [22].
Para se obter um rápido, seguro e completo processo de carga da bateria
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
28
chumbo-ácido, alguns fabricantes de baterias recomendam dividir o processo em
quatro estágios, que serão denominados por: (i) carga leve ou suave (trickle charge ), (ii)
carga profunda (bulk charge), (iii) sobrecarga (over charge) e (iv) carga de flutação (float
charge) [23]. A Figura 2.12 mostra as curvas de corrente e tensão sobre a bateria
durante o processo de carga dividido em quatro estágios.
Figura 2.12 – Curvas de corrente e tensão nos quatro estágios do processo de carga da
bateria.
1º Estágio (de T 0 a T 1) – Carga leve (Trickle charge)
Este primeiro estágio ocorre quando a tensão da bateria está abaixo do valor
V CHGENB , este valor de tensão, especificado pelo fabricante, indica que a bateria
alcançou ou ultrapassou sua capacidade de descarga crítica. Nesta condição, a bateria
deve receber uma pequena corrente de carga definida por ITC que tem um valor típico
de C/100, onde C é capacidade nominal da bateria para o regime de 10 horas. Essa
pequena corrente ITC é aplicada até que a tensão da bateria alcance o valor VCHGENB .
Esse estágio também previne que ocorra algum acidente caso as placas de um
elemento da bateria esteja em curto, pois se isto tiver ocorrido a tensão nos terminais
da bateria não vai aumentar e assim o processo de carga não passará para o próximo
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
29
estágio.
2º Estágio (de T 1 a T 2) – Carga profunda (Bulk Charge)
Após a tensão na bateria alcançar o valor VCHGENB será fornecida a bateria uma
corrente constante IBULK. A corrente IBULK é a máxima corrente de carga que a bateria
suporta sem excessiva perda de água, seu valor é especificado pelo fabricante. Esta
corrente é aplicada até que o valor da tensão na bateria alcance do valor máximo de
sobrecarga de tensão, definido por V OC , também especificado pelo fabricante da
bateria.
3º Estágio (de T 2 a T 3) – Sobrecarga (Over charge)
Durante esse estágio o controlador tentará regular a tensão da bateria até o valor
constante VOC para que a bateria alcance plena carga. Quando a corrente de carga cair
até um valor predeterminado IOCT e a tensão permanecer em VOC, o próximo estágio
se iniciará. O valor de IOCT é em torno de 10% de IBULK.
4º Estágio (de T 3 adiante) – Carga de flutuação (Float charge)
Neste estágio o controlador aplicará sobre a bateria uma tensão constante
V FLOAT, cujo valor é especificado pelo fabricante da bateria. Esta tensão é aplicada à
bateria com o objetivo de evitar sua autodescarga.
À medida que a bateria vai
descarregando sua tensão vai caindo, quando ela alcançar 0,9 VFLOAT o controlador
volta a executar o 2º estágio fornecendo a corrente IBULK. Porém o controlador só
poderá retornar ao 2º estágio caso o painel esteja produzindo energia, se não a bateria
continuará descarregando podendo atingir um valor tensão inferior a V CHGENB , então
o controlador deverá retornar ao 1º estágio, quando houver energia disponível no
sistema.
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
30
2.2.4.2 Compensador de Temperatura
A variação da temperatura ambiente modifica os pontos de tensão prédeterminados para cada estágio, os quais são definidos pelo fabricante para 25°C, pois
a característica de tensão dos elementos da bateria chumbo-ácido é negativamente
dependente da temperatura. A taxa de variação da tensão com a temperatura em uma
bateria chumbo-ácido é definida por α BT e seu valor varia em torno de -4mV/°C por
elemento [21], [24].
A correção da tensão da bateria em relação a variação da
temperatura é dada por:
VB (T ) = VE ,25° C + αBT (T − 25 ) N E
(2.12
)
onde V B (T ) é a tensão nos terminais da bateria em (V) para a temperatura T em (°C),
V E,25°C é a tensão de um elemento da bateria em (V) em relação a temperatura de
25°C e N E é o numero de elementos que compõe a bateria.
O compensador de temperatura deve ser implementado principalmente nos
controladores que atuam em ambientes onde ocorre uma variação de temperatura
superior a ±5 °C, com o objetivo garantir uma maior exatidão do processo de carga
[25]. O sensor responsável pela compensação da temperatura deve ser instalado no
mesmo ambiente das baterias para uma maior eficiência do compensador de
temperatura.
2.2.4.3 Desconexão por Baixa Tensão
Para evitar que ocorra uma descarga profunda, acima da permitida em sistemas
que usam baterias chumbo-ácido, os controladores devem possuir o recurso de
desconexão da carga por baixa tensão (LVD – do inglês Load Voltage Disconnection)
[21]. Este comando é acionado quando a tensão da bateria decresce até um valor prédeterminado VLDV, correspondente ao estado aceitável de descarga. A bateria volta a
ser conectada a carga quando sua tensão alcança um valor, também pré-determinado
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
31
V LRV. O valor de tensão de reconexão da carga (LRV – do inglês Load Reconnection
Voltage) corresponde a um estado de carga seguro para a bateria voltar a fornecer
energia.
Dependendo da aplicação, os sistemas fotovoltaicos de geração de energia
elétrica devem ser dimensionados para que o dispositivo LVD seja raramente
acionado, somente nos casos extremos de longos períodos de baixa insolação.
2.2.4.4 Bloqueio de Corrente Reversa
Nos sistemas fotovoltaicos pode ocorrer a circulação de corrente da bateria para
o painel fotovoltaico, durante os períodos em que o painel não está gerando energia,
implicando em perdas de energia pela descarga da bateria. Os controladores de carga
de bateria são capazes de bloquear a circulação desta corrente. Esse bloqueio é feito
através do circuito de comutação do controlador, que possui chaves unidirecionais ou
diodo de bloqueio [1].
2.3 Topologias Básicas dos Sistemas de Geração
Baseados em Painéis Fotovoltaicos
Os sistemas de geração de energia elétrica baseados em painéis fotovoltaicos não
possuem uma topologia padronizada, eles são projetados de acordo com os recursos
disponíveis e as características de cada aplicação. Os sistemas fotovoltaicos podem ser
divididos em dois grupos, sistemas fotovoltaicos isolados e sistemas fotovoltaicos
acoplados a rede CA [1], [8].
Os sistemas fotovoltaicos isolados são normalmente implementados em regiões
remotas e pouco povoadas, onde a rede de alimentação de energia das concessionárias
não alcança e sua expansão tem um custo inviável. Já nos sistemas acoplados a rede
CA, a energia elétrica gerada pelos painéis podem complementar a oferta de energia
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
32
pela concessionária implicando em economia na compra de energia.
2.3.1 Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Os sistemas fotovoltaicos isolados da rede de distribuição apresentam muitas
configurações possíveis, essas configurações são definidas de acordo com a aplicação
do sistema. A seguir, são apresentadas algumas possibilidades.
2.3.1.1 Arranjo Fotovoltaico e Carga CC
Esta é a configuração mais simples onde a energia elétrica gerada pelo painel
alimenta diretamente uma carga que opera em corrente contínua. A Figura 2.13(a)
mostra esta configuração. Pode-se melhorar o desempenho e a eficiência dessa
topologia incorporando entre o arranjo fotovoltaico e a carga CC um conversor CCCC conforme mostrado na Figura 2.13(b). A finalidade do conversor CC-CC é manter
a tensão constante sobre a carga e ainda pode atuar como seguidor do ponto de
máxima potência.
Esses sistemas não possuem autonomia, ou seja, produzem e fornecem energia
de acordo com o nível de insolação. Assim sua aplicação se restringe, principalmente,
a sistemas de bombeamento de água em lugares isolados. Dessa forma pode-se
armazenar a água em reservatórios elevados sem a necessidade de bombeamento
constante.
2.3.1.2 Arranjo Fotovoltaico com Banco de Baterias e Carga CC
Instalações fotovoltaicas isoladas da rede de fornecimento de energia da
concessionária que necessitam de autonomia no fornecimento de energia precisam
incorporar ao sistema um banco de baterias para o armazenamento de energia para
posterior utilização. A energia armazenada será utilizada nos momentos de pouca
insolação e a noite. A Figura 2.13(c) mostra a topologia de um sistema fotovoltaico de
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
33
geração de energia elétrica que incorpora um banco de baterias e alimenta cargas de
corrente contínua. Esses sistemas são empregados em instalações em locais remotos,
onde se deseja alimentar principalmente equipamentos eletrônicos com tensão
contínua e o fornecimento de energia deve ser ininterrupto. Como por exemplo podese citar as estações repetidoras de sinais de rádio, as antenas de telefonia móvel e
telefones de emergência em rodovias.
2.3.1.3 Arranjo Fotovoltaico com Carga CA
Como grande parte dos motores elétricos que compõem os equipamentos como
geladeiras, compressores, bombas, entre outros são alimentados em corrente alternada,
os sistemas de geração fotovoltaica devem incorporar conversores CC-CA para
possibilitar o funcionamento desses equipamentos. Porém esses equipamentos só
poderão ser utilizados durante o período de geração de energia do painel fotovoltaico,
pois essa topologia não possui banco de baterias para o armazenamento de energia,
conforma mostra a Figura 2.13(d).
A principal aplicação dessa topologia é em regiões isoladas, para bombeamento
de água quando se dispõem apenas de motores de indução que devem ser alimentados
por corrente alternada e ainda pode alimentar geladeiras, em pequenas comunidades
de pescadores, para produção de gelo que pode ser armazenado por alguns dias sem a
necessidade de geração constante de energia.
2.3.1.4 Arranjo Fotovoltaico com Banco de Baterias e Carga CA
A Figura 2.13(e) mostra essa topologia que possui autonomia no fornecimento de
energia e a possibilidade de alimentar cargas em corrente alternada. Essa configuração
é indicada principalmente para residências e postos de saúde em locais isolados.
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
34
Figura 2.13 – Topologias de sistemas fotovoltaicos isolados: (a) ligado direto na carga
CC, (b) conversor CC-CC para ligar a carga CC, (c) banco de baterias e carga CC, (d)
conversor CC-CA e carga CA e (e) banco de baterias e carga CA.
2.3.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Rede CA
Os Sistemas Fotovoltaicos conectados a rede CA funcionam basicamente como
uma fonte complementar ao sistema elétrico de grande porte ao qual estão
conectados. Normalmente esses sistemas não utilizam mecanismos de armazenamento
de energia, pois toda a energia gerada é instantaneamente utilizada ou transferida ao
sistema elétrico. Pode-se dividi-los basicamente em dois grupos: sistemas residenciais e
sistemas de grande potência.
2.3.2.1 Sistemas Fotovoltaicos Residenciais Conectados a Rede CA
Sistemas fotovoltaicos residenciais conectados a rede CA possibilita ao
proprietário economia nos gastos com a compra de energia elétrica da concessionária.
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
35
E para a concessionária representa menores investimentos em ampliação do sistema
de geração [8].
A conexão com a rede deve atender as normas da legislação local. Na qual
determina parâmetros relacionados à qualidade de energia, como limite na Taxa de
Distorção Harmônica (THD – do inglês Total Harmonic Distortion), Fator de Potência e
desvio de freqüência. Além dos fatores relacionados com a qualidade de energia é
importante a questão da segurança. A concessionária deve ser capaz de isolar o
sistema de geração fotovoltaica sempre que necessário, para poder executar
manutenções na rede sem riscos [1], [8]. A Figura 2.14 mostra a topologia básica de
um sistema fotovoltaico acoplado a rede CA com medição do balanço de energia.
Figura 2.14 – Sistema fotovoltaico residencial conectado a rede CA.
2.3.2.2 Sistemas Fotovoltaicos de Grande Porte conectados a Rede CA
Esses sistemas são operados por empresas de geração de energia. Essas unidades
de geração injetam toda a energia gerada ao sistema elétrico. A Figura 2.15 mostra a
topologia de um Sistema Fotovoltaico de grande porte conectado à média tensão
rede CA de distribuição.
Figura 2.15 – Sistema Fotovoltaico de grande porte.
CAPÍTULO 2- ELEMENTOS DE UM S ISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA F OTOVOLTAICO
36
2.4 Conclusões Parciais
Os sistemas fotovoltaicos por sua versatilidade e inúmeras vantagens
representam uma ótima alternativa para a expansão do setor de geração de energia
elétrica. Sendo essenciais as pesquisas neste campo, para torná-los mais eficientes, mais
confiáveis e mais acessíveis no ponto de vista econômico.
Assim, conhecer as
principais características dos sistemas fotovoltaicos é essencial para desenvolvimento e
aprimoramento dos elementos que compõem os sistemas.
Sistemas fotovoltaicos que apresentam banco de baterias eletroquímicas
aproveitam melhor a energia gerada pelos painéis, pois podem armazenar o excedente
durante os períodos de alta insolação e baixo consumo para utilizar nos períodos de
baixa insolação e alto consumo. As baterias chumbo-ácido são as mais utilizadas pelos
sistemas fotovoltaicos, principalmente pelo seu menor custo em relação aos outros
tipos de baterias eletroquímicas.
Um equipamento indispensável em sistemas fotovoltaicos que utilizam banco de
baterias é o controlador de carga de bateria. Este equipamento tem a função de
gerenciar o processo de carga da bateria, garantindo seu carregamento completo de
forma adequada. Para as baterias chumbo-ácido os controladores de carga também
devem monitorar o processo de descarga para evitar que ultrapassem a profundidade
de descarga recomendada pelos fabricantes da bateria.
A versatilidade dos sistemas fotovoltaicos permite o projeto de diferentes
topologias, que podem suprir a necessidade de energia para as mais diversas aplicações.
Capítulo 3
Controlador de Carga de Bateria
Baseado no Conversor CC-CC
Bidirecional Buck- Boost
3.1 Introdução
O armazenamento de energia em banco de baterias possibilita o estoque do
excedente de energia gerado para posterior reutilização, o que é muito comum nos
sistemas fotovoltaicos, cuja produção de energia é dependente de fatores climáticos
variáveis.
O Controlador de Carga de Bateria é o equipamento designado para o controle
do processo de carga e descarga da bateria dentro do sistema, garantido um melhor
aproveitamento da energia gerada e maior vida útil para as baterias eletroquímicas.
As baterias chumbo-ácido, as mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos,
necessitam de uma estratégia de controle dos seus processos de carga e descarga para
evitar a degradação de sua matéria ativa precocemente e conseqüente diminuição da
37
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
38
sua vida útil estimada. Assim, durante o processo de carga o controlador deve adequar
o fluxo de energia entregue a bateria de forma a garantir um carregamento completo
observando os limites de tensão, de corrente e de temperatura da bateria. Já durante o
processo de descarga o controlador deve evitar que a bateria seja descarregada além da
sua capacidade de fornecimento de energia.
Neste capítulo é apresentada uma proposta de Controlador de Carga de Bateria.
Desenvolvido para um sistema fotovoltaico no qual o banco de baterias está
conectado em paralelo com o barramento CC, que é o responsável pela distribuição da
energia gerada pelos painéis. O Controlador de Carga de Bateria conecta o banco de
baterias ao barramento CC, a topologia do circuito desse controlador, responsável pela
transferência mútua de energia entre o barramento CC e o banco de baterias, é
baseada na topologia de um Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost. Este conversor
possui dois modos distintos de operação, definidos pelo sentido da corrente, ou seja,
opera como um conversor CC-CC Buck durante o processo de carga da bateria e
durante o processo de descarga como um conversor CC-CC Boost.
A estratégia de controle do Conversor CC-CC Bidirecional é ajustada para
providenciar o armazenamento de energia em baterias do tipo chumbo-ácido. Dessa
forma o processo de carga adotado é composto por quatro estágios que ocorrem de
acordo com o estado de carga do banco de baterias, o qual é estimado pelo
monitoramento dos valores da tensão e da corrente sobre os terminais do banco de
baterias.
3.2 Topologia do Sistema Fotovoltaico
A topologia do sistema fotovoltaico no qual o Controlador de Carga de Bateria
desenvolvido neste trabalho tem o propósito de atuar é idêntico ao mostrado na
Figura 2.1. Neste sistema os painéis fotovoltaicos estão conectados, através de
conversores CC-CC Boost, ao barramento CC. A função dos conversores CC-CC Boost
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
39
é manter um valor de tensão contínua VCC constante no barramento CC. Dessa
forma pode-se padronizar a tensão de entrada dos equipamentos que serão
conectados a esse barramento. O barramento CC é o responsável pela distribuição da
energia no sistema. O banco de baterias está conectado ao barramento CC através do
Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost que atua como Controlador de Carga de
Baterias.
A energia armazenada deve retornar ao sistema sempre que ele requisitar. Assim
o Controlador de Carga de Bateria deve possibilitar o fluxo de energia tanto no
sentido barramento CC banco de baterias quanto no sentido banco de baterias
barramento CC.
A topologia proposta é muito versátil podendo ser empregada tanto para
sistemas isolados como sistemas conectados a rede CA. Em sistemas fotovoltaicos
isolados ela possui autonomia e permite a utilização de equipamentos alimentados por
corrente alternada e por corrente contínua. Já nos sistemas fotovoltaicos conectados a
rede CA esta topologia permite utilizar a energia armazenada para suprir os picos de
demanda de carga quando ultrapassarem a demanda contratada. Possibilitando com
isso diminuir a demanda contratada de energia com a concessionária sem riscos de
multa. E ainda, em eventuais faltas de energia da concessionária, o banco de baterias
pode manter equipamentos essenciais do sistema em funcionamento.
3.3 Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost
O Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost é o dispositivo responsável pelo
processo de carga e de descarga das baterias, ou seja, ele é o Controlador de Carga de
Bateria do sistema.
No sistema proposto, o nível de tensão VCC no barramento CC é maior que o
nível de tensão V BB da entrada do banco de baterias, então durante o processo de
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
40
carga das baterias quando a corrente flui do barramento CC para o banco de baterias
o Conversor CC-CC Bidirecional atua como um conversor abaixador de tensão,
denominado de conversor Buck.
Mas quando o sistema necessita da energia
armazenada no banco de baterias a corrente flui no sentido oposto, então o
Conversor CC-CC Bidirecional atua como um conversor elevador de tensão,
denominado na literatura de conversor Boost. Dessa forma o conversor possui duas
etapas distintas de operação, denominadas por Etapa Buck e Etapa Boost. A Figura 3.1
mostra a topologia do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost.
Figura 3.1 – Topologia do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost.
Essa topologia do Conversor CC-CC Bidirecional também é proposta para
outras aplicações que necessitam de dispositivos para o armazenamento de energia
como veículos elétricos [26] e sistemas ininterruptos de energia (UPS do inglês
Uninterruptible Power Supply) [27].
3.3.1 Etapa Buck
Durante a Etapa Buck de funcionamento do conversor, Figura 3.2(a), o sinal de
controle atua sobre a chave S1 enquanto a chave S 2 é mantida bloqueada. Nesta etapa
a corrente flui do barramento CC para o banco de baterias. O sinal de controle é um
sinal modulado por largura de pulso (PWM) que faz a chave S1 conduzir durante o
intervalo ton, Figura 3.2(b) e ficar bloqueada durante o intervalo toff, Figura 3.2(c). O
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
41
período de chaveamento é constante, igual à T S.
A Figura 3.2(d) mostra as formas de onda da tensão e da corrente sobre o
indutor L, no limite entre os modos de operação MCC (Modo de Condução
Contínua) e MCD (Modo de Condução Descontínua). A tensão média no indutor,
V L, em regime permanente pulsado é igual a zero [10], portanto pode-se escrever:
∫
TS
0
v L (t )dt =
∫
v L (t )dt + ∫ v L (t )dt = 0
t on
TS
0
t on
(3.1
)
Da solução de (3.1) obtém-se:
(VCC − VBB )ton − VBB (TS − t on ) = 0
(3.2
)
E o período de condução da chave S 1 é dado por:
t on =
V BB .T S
V CC
(3.3
)
A corrente média no indutor no limite entre os modos de condução contínua e
descontínua pode então ser calculada por:
I LBuck , Lim =
onde, iL
Buck , pico
1
(V − V BB )
i LBuck , pico = CC
.ton
2
2L
(3.4
)
é o valor de pico da corrente iL (t) no conversor Buck em (A) no limite
entre os modos MCC e MDC.
Como a corrente média no indutor é a mesma corrente na saída do conversor
Buck, temos:
I LBuck ,Lim = I BB =
Po
VBB
(3.5
)
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
42
onde, Po é a potência de saída do conversor em (W).
Substituindo (3.3) e (3.5) em (3.4), tem-se que o valor do indutor L no limite
dos modos de condução MCC e MDC, durante a Etapa Buck, dado por:
L =
TS .(V BB ) 2 .(VCC − V BB )
2 Po .VCC
(3.6
)
Figura 3.2 – Etapas de funcionamento do Conversor CC-CC Bidirecional: (a) Etapa Buck,
(b) Etapa Buck, chave S 1 conduzindo, (c) Etapa Buck chave S1 aberta, (d) formas de onda da
tensão e da corrente no indutor no limite entre os modos MCC e MCD durante a Etapa
Buck, (e) Etapa Boost, (f) Etapa Boost chave S2 conduzindo, (g) Etapa Boost chave S2 aberta,
(h) formas de onda da tensão e da corrente no indutor no limite entre os modos MCC e
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
43
MCD durante a Etapa Boost.
Para que o conversor opere no modo de condução contínua durante a Etapa
Buck deve-se adotar no projeto do conversor um valor de indutância maior que o
calculado pela equação (3.6) [10].
3.3.2 Etapa Boost
Durante a Etapa Boost, Figura 3.2(e), a chave S1 é mantida bloqueada, enquanto
o sinal PWM de controle atua na chave S2. Durante esta etapa a corrente flui do
banco de baterias para o barramento CC. A chave S2 conduz durante o intervalo ton
conforme mostrado na Figura 3.2(f) e fica bloqueada durante o intervalo toff, Figura
3.2(g), o período de chaveamento é constante, igual à TS. A Figura 3.2(h) mostra as
formas de onda da tensão e da corrente sobre o indutor L no limite entre os modos
de operação MCC e MCD. Assim, como no caso anterior, a solução de (3.1) resulta
em:
V BB .TS − VCC .TS + VCC .t on = 0
(3.7
)
Sendo o período de condução da chave S 2 dado por:
t on =
(VCC − V BB ).TS
VCC
(3.8
)
E a corrente média no indutor no limite entre os modos de condução contínua
e descontínua é dada por:
I L Boost,Lim =
onde, iL
Boost , pico
1
(V )
iLBoost, pico = BB .ton
2
2L
(3.9
)
é o valor de pico da corrente iL (t) no conversor Boost em (A) no limite
entre os modos de operação MCC e MCD.
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
44
Como a corrente média no indutor L é a mesma na entrada do conversor Boost
e considerando o conversor sem perdas, pode-se assumir que potência de entrada Pi
igual à potência de saída Po do conversor. Logo:
I LBoost, Lim = I BB =
Po
V BB
(3.10
)
Substituindo (3.8) e (3.10) em (3.9), temos que o valor do indutor L no limite
dos modos de condução MCC e MCD para Etapa Boost é dado por:
L =
TS .(V BB ) 2 .(VCC − V BB )
2 Po .VCC
(3.11
)
Da mesma forma, para que o conversor opere no modo de condução contínua
durante a Etapa Boost deve-se adotar no projeto um valor de indutância maior que o
dado por (3.11).
Considerando uma mesma potência de saída P0 e o mesmo período de
chaveamento T S para as duas etapas de operação do conversor, Buck e Boost, de (3.6) e
(3.11) tem-se que, no limite entre os modos de operação MCC e MCD, o indutor L
possui o mesmo valor tanto para a operação como conversor Buck quanto para a
operação como conversor Boost. Pode-se então adotar o mesmo indutor para as duas
etapas de operação justificando a topologia apresentada na Figura 3.1 com apenas um
indutor, implicando em um dispositivo mais compacto e mais leve.
A Figura 3.3 mostra as formas de onda do sinal PWM de controle aplicado nas
chaves S1 e S2 e a corrente no indutor L do Conversor CC-CC bidirecional, resultantes
da simulação do circuito da Figura 3.1 através programa PSpice, a listagem dos
arquivos de simulação está no Apêndice B.1. Os seguintes parâmetros foram
adotados: VBB = 96 V, VCC = 240 V, Po = 3 kW, T S = 0,2 ms e L = 0,3 mH. Nesta
simulação o valor do indutor usado é maior que o calculado por (3.6) ou (3.11) para
garantir que o conversor opere no modo MCC.
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
45
Figura 3.3 – Formas de onda do sinal de controle das chaves S1 e S2 e da corrente sobre o
indutor L do Conversor Bidirecional obtidas na simulação no PSpice.
3.4 Estratégia de Controle
Bidirecional Buck-Boost
do
Conversor
CC-CC
Como visto anteriormente o Controlador de Carga de Baterias baseado na
topologia do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost possui duas etapas distintas de
funcionamento. Durante a Etapa Buck o conversor carrega o banco de baterias com a
energia disponível no barramento CC, e durante a Etapa Boost a energia armazenada
no banco de baterias retorna ao barramento CC.
O sentido do fluxo de energia entre o barramento CC e o banco de baterias
depende das condições de alguns parâmetros do sistema tais como: a potência
produzida pelos painéis fotovoltaicos, potência consumida pelas cargas e o “estado de
carga” do banco de baterias. A potência produzida pelos painéis p Painel(t) apresenta
uma grande variabilidade, sendo dependente do nível de insolação incidente sobre os
painéis e sua temperatura. A potência consumida pelas cargas p Carga(t), na maioria das
aplicações, apresenta também uma grande variação. E o “estado de carga” do banco
de baterias SOC(t) (State of Charge), que indica a capacidade disponível do banco de
baterias expressa em porcentagem da capacidade nominal, é diretamente dependente
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
46
da diferença entre p Painel (t) e pCarga (t). Uma maneira de estimar o SOC(t) é através da
tensão v BB(t) do banco de baterias [25].
A potência produzida pelos painéis é transferida ao barramento CC através dos
conversores CC-CC Boost mostrados na Figura 2.1.
Se esta potência p Boost(t) for
superior a pCarga (t), a tensão vCC(t) no barramento CC pode ser mantida constante pelos
conversores CC-CC Boost dentro de faixa de tolerância. E o excedente de energia
poderá ser armazenado no banco de baterias. Porém se p Boost(t) for menor que pCarga(t)
os conversores CC-CC Boost não poderão manter a tensão v CC(t) dentro de sua faixa de
tolerância, pois vCC(t) decresce à medida que a diferença entre pBoost(t) e pCarga (t) aumenta.
Dessa forma, as variáveis que serão adotadas para a determinação do sentido do
fluxo de energia no sistema e conseqüentemente a etapa de operação do Conversor
CC-CC Bidirecional são a tensão v BB(t) do banco de baterias e a tensão v CC(t) no
barramento CC.
As baterias só poderão fornecer energia ao barramento CC se estiverem em um
SOC(t) acima do mínimo, definido por SOCmin. Ou seja, se a tensão vBB(t) for maior que
V BBmin, valor de tensão correspondente ao SOCmin. E só poderão receber energia se
SOC(t) estiver abaixo do máximo, definido por SOCmax . Ou seja, se a tensão v BB(t) for
menor que VBBmax , valor de tensão correspondente ao SOC max.
Em ambientes que apresenta uma grande variação de temperatura, para se ter
uma melhor estimativa do SOC(t), os valores de V BBmin e VBBmax devem ser
compensados pelo valor da temperatura, como citado no Capítulo 2, Seção 2.2.4.2.
Dessa forma, o valor de v BB(t) é o primeiro parâmetro analisado pelo algoritmo de
controle que determina a etapa de operação do Conversor CC-CC Bidirecional.
Estando a tensão do banco de baterias entre VBBmin e V BBmax, o fator que
determinará o sentido do fluxo de energia é a tensão vCC(t). A tensão vCC(t) deve ser
mantida constante dentro de uma faixa de tolerância especificada, como por exemplo
±1% em torno do seu valor nominal VCC. Assim quando o nível de insolação sobre os
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
47
painéis for insuficiente para alimentar as cargas do sistema os conversores CC-CC
Boost, entre os painéis e o barramento CC, não poderão manter a tensão v CC(t) dentro
de sua faixa de tolerância. Então quando o valor de v CC(t) for inferior ao valor
VCC MIN estabelecido,
como por exemplo VCC
MIN
= 0 , 9VCC , o Conversor CC-CC
Bidirecional vai operar na Etapa Boost, disponibilizando energia do banco de baterias
ao barramento CC, restabelecendo a tensão vCC(t) dentro da faixa especificada.
Mas quando os painéis estiverem produzindo mais energia do que o requerido
pelas cargas do sistema a tensão vCC(t) cresce rapidamente em conseqüência do
armazenamento da soma da energia produzida pelos painéis com a energia fornecida
pelo banco de baterias nos capacitores de saída dos conversores CC-CC Boost.
Quando v CC(t) alcançar o valor VCC
MAX
, a tensão v CC(t) será restabelecida novamente
pelos conversores CC-CC Boost e o Conversor CC-CC Bidirecional voltará a operar na
Etapa Buck, armazenado o excedente de energia no banco de baterias até que ele
alcance, se possível, seu SOCmax.
Conforme mencionado no Capítulo 2, o armazenamento de energia no banco de
baterias (processo de carga) é feito em 4 estágios. O primeiro estágio denominado de
carga leve (tricle charge) deverá ocorrer somente quando a tensão v BB(t) for menor que
V CHENB, durante esse estágio a corrente fornecida pelo conversor ao banco de baterias,
iBB(t) deve ser igual a ITC . Quando v BB(t)≥VCHENB, o conversor vai operar no segundo
estágio, denominado de carga profunda (bulk charge ), fornecendo ao banco uma
corrente iBB(t)=IBULK. O terceiro estágio, ou de sobrecarga (over charge), acontece
quando v BB(t)≥0,95VOC , nesse estágio o conversor continua injetando a corrente IBULK,
ate que a tensão v BB(t) seja igual a VOC, a partir desse instante a tensão vBB(t) é
controlada, sendo mantida igual a VOC e a corrente iBB(t) é monitorada, até que ela
decresça ao valor IOCT. Então, o conversor deve operar no quarto estágio, ou de carga
de flutuação (float charge), mantendo a tensão v BB(t) nos terminais do banco de baterias
igual a V FLOAT. Os parâmetros de tensão do banco de baterias VBBmin, VCHENB , VOC e
V FLOAT podem ser corrigidos para diferentes temperaturas, usando a mesma
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
48
metodologia aplicada em (2.12), e mostrados a seguir:
[
]
,
[
]
,
V BB min = VE BB min , 25° C + α BT (T ( t ) − 25 °) N E
VCHENB = V ECHENB, 25°C + α BT (T (t) − 25°) N E
[
]
VOC = V EOC , 25°C + α BT (T (t ) − 25 °) N E
(3.12
)
(3.13
)
(3.14
,
)
e
[
]
V FLOAT = VE FLOAT , 25°C + α BT (T (t) − 25°) N E
onde os parâmetros V E
BB min
, 25°C
,V E
CHENB , 25° C
, VE
OC
, 25° C
e VE
FLOAT
,
, 25°C
(3.15
)
são os valores de tensão
de apenas um elemento do banco de baterias na temperatura ambiente T(t) de 25°C e
que devem ser fornecidos pelos fabricantes de baterias. Através desses parâmetros
determinam-se os valores de VBBmin, VCHENB , VOC
e VFLOAT respectivamente.
Lembrando que, NE é o numero de elementos em série que compõem o banco de
baterias e αBT é a taxa de variação da tensão com a temperatura em um elemento da
bateria.
Assim, o algoritmo de controle monitorando os valores de v CC(t), v BB(t), iBB(t) e
também da temperatura ambiente T(t), pode definir além da etapa de operação, o
estágio do processo de carga em que conversor deve operar durante a Etapa Buck. A
Figura 3.4 ilustra o comportamento das tensões v CC(t) e vBB(t) e da corrente iBB(t)
fornecida pelo banco de baterias. A corrente iBB(t) é considerada positiva quando está
entrando no banco de baterias.
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
49
Figura 3.4 – Comportamento da tensão vCC(t) e da corrente iBB(t) fornecida pelo banco de
baterias.
A Figura 3.5 mostra o fluxograma do algoritmo de controle do conversor.
Através da medição dos valores de vCC(t), v BB(t), iBB(t) e T(t), o algoritmo determina a
etapa de operação do conversor: Buck ou Boost. Além disso, se o conversor opera na
Etapa Buck, o algoritmo determina também o estágio do processo de carga.
As etapas de operação do Conversor CC-CC Bidirecional não ocorrem
simultaneamente. Dessa forma o projeto das suas malhas de realimentação de controle
pode ser feito separadamente. Para que o conversor possa operar em todos os
estágios descritos é necessária a implementação três malhas de controle distintas. Uma
para o controle da tensão vCC(t), outra para o controle da tensão v BB(t) e uma para o
controle da corrente iBB(t). Para as duas últimas, o algoritmo de controle deve também
determinar qual deve ser o valor de referência da malha de controle.
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
50
Figura 3.5 – Algoritmo de Controle do Conversor CC-CC bidirecional.
A Figura 3.6 mostra a representação do Conversor CC-CC Bidirecional com suas
malhas de realimentação de controle. O bloco algoritmo de controle, que monitora a
tensão do barramento CC (vCC(t)), a tensão e a corrente do banco de baterias (vBB(t) e
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
51
iBB(t)), define qual malha de controle que deve atuar e fornece os valores da tensão de
referência de cada malha.
Figura 3.6 – Representação do Conversor CC-CC Bidirecional e sua malhas de
realimentação de controle.
A malha de controle de tensão da Etapa Buck é formada pelos blocos HV1(s) que
representa o ganho do sensor, GV1(s) que representa a função de transferência do
controlador de tensão e KM(s) que representa o ganho do modulador. Já a malha de
controle de corrente da Etapa Buck é formada pelos blocos HC1(s) que representa o
ganho do sensor, GC1(s) que representa a função transferência do controlador de
corrente e também por KM(s). Para a Etapa Boost a malha de controle tensão é
composta pelos blocos H V2(s) que representa o ganho do sensor, GV2(s) que representa
a função de transferência do controlador de tensão e também por KM(s).
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
52
3.5 Projeto das Malhas de Realimentação de Controle
do Conversor CC-CC Bidirecional
Os conversores estáticos, em um sistema real, estão sujeitos a perturbações. As
perturbações podem ocorrer tanto na sua fonte de alimentação quanto na sua carga.
Dessa forma, para que a saída de tensão ou corrente do conversor seja mantida em
um valor desejado, mesmo ocorrendo perturbações dentro do sistema, é necessária a
implementação de uma malha de realimentação de controle.
O sinal de controle que comanda a abertura e o fechamento das chaves S1 e S 2 é
modulado por largura de pulso, PWM (Pulse Wide Modulation). Assim, a tensão ou a
corrente de saída do conversor pode ser controlada pela variação do tempo de
condução da chave estática, ou seja, pela variação da razão cíclica d(t) do sinal PWM
[10].
O Conversor CC-CC Bidirecional proposto necessita de três malhas de
realimentação de controle que são habilitadas pelo seu algoritmo de controle. Para a
Etapa Buck, carregamento do banco de baterias, são necessárias duas malhas de
realimentação, uma para o controle da corrente iBB(t) e outra para o controle da tensão
v BB(t). E para a Etapa Boost, uma malha de realimentação de controle para a tensão
v CC(t).
Para projetar uma malha de controle em um conversor estático os seguintes
passos serão seguidos: (i) determinar a função de transferência do estágio de potência
do conversor através do modelo dinâmico de pequenos sinais relacionando as
~
~
variáveis de saída ( iBB (s) , v~BB (s) e v~CC (s) ) com a razão cíclica d (s) , (ii) projetar o
controlador para obter a resposta transitória desejada e a estabilidade do sistema, e (iii)
por último verificar o comportamento do sistema através de simulações para grandes
variações. O último passo será desenvolvido no Capítulo 4, que enfoca as etapas de
implementação do Conversor CC-CC Bidirecional.
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
53
3.5.1 Linearização do Estágio de Potência do Conversor CCCC Bidirecional
Os conversores estáticos são dispositivos que apresentam um comportamento
não linear. A análise do seu comportamento dinâmico pode-se ser feita através de
técnicas de linearização para seu funcionamento para pequenas variações em torno do
seu ponto de operação no estado permanente CC, determinando assim, o modelo
dinâmico de pequenos sinais.
Uma técnica utilizada para linearização do estágio de potência de conversores
chaveados operando com controle PWM é a Média no Espaço de Estado [10]. Essa
técnica consiste em tirar a média ponderada dos estados do circuito em relação à
razão cíclica de operação sobre um período de chaveamento e será apresentada de
forma resumida a seguir.
O primeiro passo para a determinação do modelo dinâmico de pequenos sinais,
é a descrição das variáveis de estado para cada estado do circuito. Para um conversor
que possui apenas uma chave e opera no modo de condução contínua tem-se dois
estados: um correspondente à chave conduzindo e o outro quando a chave está
bloqueada.
Desse modo, para o intervalo de tempo d.TS em que a chave está
conduzindo tem-se:
 x& = A1 x + B1ui

 y = C1 x + E1ui
(3.16
)
onde, x é um vetor de estado constituído pela corrente no indutor e tensão no
capacitor, A1 é a matriz de estado, B 1 é a matriz de entrada, ui é o vetor de entrada, y
é o vetor de saída, C1 é a matriz de saída e E 1 é a matriz de transmissão.
Já para o intervalo em que a chave está bloqueada, ou seja (1 - d).T S, tem-se
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
 x& = A2 x + B2ui

 y = C 2 x + E 2u i
54
(3.17
)
onde, A2 é a matriz de estado, B2 é a matriz de entrada, C 2 é a matriz de saída e E 2 é a
matriz de transmissão, obtidos durante o intervalo (1-d).TS.
De (3.16) e (3.17) pode-se obter um modelo baseado na média dos estados do
circuito em um período de chaveamento TS dado por:
 x& = [ A1d + A2 (1 − d )] x + [ B1d + B2 (1 − d )]ui

 y = [C1d + C2 (1 − d )] x + [ E1d + E2 (1 − d )]ui
(3.18
)
Pela introdução das pequenas perturbações as variáveis passam a ser
representada da seguinte forma:
x= X +~
x
u i = U i + u~i
(3.19
y = Y + ~y
)
d = D + d%
Onde, x é o vetor das variáveis de estado, ui é o vetor das variáveis de excitação e y é
vetor das variáveis de saída e d é a razão cíclica, sendo que as variáveis maiúsculas
representam as grandezas em regime permanente e as variáveis acompanhadas do
símbolo (~) representam suas variações em torno de um ponto de operação.
Considerando que o desvio do vetor das variáveis de excitação, u~i , é nulo e
substituindo (3.19) em (3.18) tem-se:
X& + x&% = [ A1 ( D + d% ) + A2 (1 − D − d% )]( X + x& ) + [ B1 ( D + d% ) + B2 (1 − D − d% )]U i
(3.20)
Desprezando os termos contendo o produto entre d% e x% pode-se reescrever
(3.20) separando as parcelas devido a resposta em regime permanente e devido a
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
55
resposta em pequenos sinais como se segue:
AX + BUi = 0
(3.21
)
e,
~
~
x& = A~x + [( A1 − A2 ) X + ( B1 − B2 )U i ]d
(3.22
)
onde, A = A1 D − A2 (1 − D) e B = B1 D − B2 (1 − D) .
Similarmente para o vetor das variáveis de saída tem-se que:
~
Y + ~y = CX + EU i + C~
x + [(C1 − C2 ) X + ( E1 − E 2 )U i ] d
(3.23
)
onde, C = C1 D − C2 (1 − D ) e E = E1 D − E 2 (1 − D ) .
Que reescrita separando as parcelas referentes à resposta em regime
permanente da resposta devido aos pequenos sinais resulta em:
Y = CX + EU i
(3.24
)
e,
~
~
y = C~
x + [( C1 − C 2 ) X + ( E1 − E 2 )U i ]d
(3.25
)
Finalmente de (3.21) e (3.24) tem-se que o valor da saída em regime permanente
é dado por:
Y = −CA−1BU i + EU i
(3.26
)
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
56
)
Aplicando agora a Transformada de Laplace em (3.22) e (3.25) tem-se:
~
s~
x (s) = A~x (s) + [( A1 − A2 ) X + ( B1 − B2 )U i ]d (s)
(3.27
)
e,
~
~
y (s) = C~
x (s) + [(C1 − C2 ) X + ( E1 − E 2 )U i ]d (s)
(3.28
)
Isolando x%( s) em (3.27) e substituindo o resultado em (3.28) pode-se obter uma
função de transferência T yd(s) entre a variável de saída y~( s ) e a razão cíclica d% (s ) para
o estágio de potência de um conversor chaveado operando no modo de condução
contínua como se segue:
~y (s )
T yd (s ) = ~ = C[sI − A]−1 + [( A1 − A2 ) X + (B1 − B2 )U i ] + [(C1 − C2 ) X + ( E1 − E2 )U i ] (3.29)
d (s)
A análise dos conversores chaveados CC-CC operando no modo de condução
de descontínua pode ser vista com detalhes em [28] e [29].
3.5.1.1 Modelo Dinâmico para Etapa Buck
Para análise do comportamento dinâmico do conversor durante a Etapa Buck,
será considerado seu funcionamento no modo de condução contínua, onde o
conversor apresenta dois estados, um durante o período de condução e outro durante
o bloqueio da chave S1.
Para uma análise mais real do comportamento dinâmico do conversor é
acrescentado ao circuito o modelo de Thevenin de uma bateria [30], como sendo a
carga alimentada pelo conversor. E também, um elemento resistivo r L associado ao
indutor e um elemento resistivo r C associado ao capacitor, conforme é mostrado na
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
57
Figura 3.7(a).
O modelo de Thevenin da bateria é composto por uma fonte de tensão VBint
em série com a resistência interna da bateria r B. Para o caso de uma bateria chumboácido os valores de r B e VB são muitas vezes modelados em função do seu estado de
carga [31], [32]. Como a variação dos valores de rB e VB é muito mais lenta que a
resposta transitória do conversor esses parâmetros serão considerados constantes na
obtenção da função de transferência do estágio de potencia do conversor [33].
Figura 3.7 – (a) Circuito Etapa Buck, (b) circuito equivalente durante o período de condução
da chave S1 e (c) circuito equivalente durante o período de bloqueio da S 1.
O primeiro estado é considerado para a chave S1 conduzindo, Figura 3.7(b).
Aplicando a Lei de Kirchhorff das tensões têm -se as seguintes equações:
VCC − rL x1 − Lx&1 − rC Cx&2 − x 2 = 0

 x2 + rC Cx&2 − rB (x1 − Cx&2 ) − V B int = 0
Reescrevendo (3.30) na forma x& = A1 x + B1ui , tem-se:
(3.30
)
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
 − (rB rL + rB rC + rC rL )
 x&1  
L(rB + rC )
 x&  = 
rB
 2 

C (rB + rC )
− rB 
1

L (rB + rC )  x1   L
  + 
−1
 x2   0

C (rB + rC ) 
− rC 
L (rB + rC )   VCC 


1
 VB int 
C (rB + rC ) 
58
(3.31)
A tensão vBB aplicada aos terminais da bateria quando a chave está conduzindo é
dada por:
vBB = rB ( x1 − Cx& 2 ) + VB int
(3.32
)
Que reescrita na forma y = C1 x + E1ui resulta em:
 r r
v BB =  B C
 rB + rC
rB   x1  
+ 0

rB + rC   x2  
rC   VCC 

rB + rC  VB int 
(3.33
)
Agora considerando a corrente sobre o indutor do conversor quando a chave
está conduzindo, que é igual ao estado x1, pode-se escrever o sistema na forma
y = C1 x + E1ui como se segue:
x 
iL = [1 0] 1 
x2 
(3.34
)
O segundo estado é considerado para a chave S1 bloqueada, Figura 3.7(c),
aplicando novamente a lei de Kirchhorff das tensões têm-se as seguintes equações:
L x&1 + rL x1 + rC Cx&2 + x2 = 0

 x2 + rC Cx&2 − rB (x1 − Cx&2 ) − VB int = 0
Que reescritas na forma x& = A2 x + B 2u i , resulta em:
(3.35
)
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
 − (rB rL + rB rC + rC rL )
 x&1  
L (rB + rC )
 x&  = 
rB
 2 

C (rB + rC )
− rB 
− rC 

0


L (rB + rC )   VCC 
L(rB + rC )  x1 
  + 


1
−1
  x 2  0
 VB int 
 C (rB + rC ) 
C (rB + rC ) 
59
(3.36
)
Para este caso a tensão v BB aplicada ao modelo da bateria para a chave bloqueada
é dada por:
v BB = rB ( x1 − Cx& 2 ) + VB int
(3.37
)
Que reescrita na forma y = C2 x + E2 ui é dada por:
 rr
v BB =  B C
 rB + rC
rB   x1  
rC   VCC 
  x  + 0


rB + rC   2   rB + rC  VB int 
(3.38
)
Novamente, considerando a corrente sobre o indutor para a chave bloqueada
que é igual ao estado x1 pode-se escrever o sistema na forma y = C 2 x + E2 u i como se
segue:
 x1 
iL = [1 0] 
x2 
(3.39
)
As expressões da tensão saída no estado permanente (VBB ) e da função de
~
transferência da tensão de saída ( v~BB ( s ) ) em relação a razão cíclica ( d (s ) ) são obtidas
a partir da substituição das matrizes obtidas em (3.31), (3.33), (3.36) e (3.38) em (3.26)
e em (3.29), respectivamente. Sendo as expressões finais iguais a:
VBB =
rB DVCC + rLVB int
rB + rL
(3.40)
e,
~
(rB rC CVCC )s + (rBVCC )
v ( s)
=
Tvd (s ) = ~BB
2
d (s ) (rB LC + rC LC )s + (rB rL C + rB rC C + rC rL C + L )s + (rB + rC )
(3.41)
60
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
Agora substituindo as matrizes obtidas em (3.31), (3.34), (3.36) e (3.39) em
~
(3.29) pode-se obter a função de transferência da corrente iL (s) em relação a razão
~
cíclica d (s) , a qual é dada por:
~
CV CC (rB + rC )s + VCC
i (s)
Tid (s ) = ~L
=
2
d (s ) (rB LC + rC LC ) s + (rB rL C + rB rC C + rC rL C + L )s + (rB + rC )
(3.42)
3.5.1.2 Modelo Dinâmico para Etapa Boost
Como no caso anterior, durante a Etapa Boost, o conversor também vai operar
no modo de condução contínua, apresentando apresenta dois estados distintos: um
durante o período de condução e outro durante o período de bloqueio da chave S2. A
Figura 3.8 mostra o circuito do conversor durante a Etapa Boost, onde o banco de
baterias, agora será considerado como uma fonte de tensão contínua fornecendo a
tensão V BB.
Figura 3.8 – (a) Circuito Etapa Boost, (b) circuito equivalente durante o período de condução
da chave S 2 e (c) circuito equivalente durante o período de bloqueio da chave S2 .
O primeiro estado é considerado para a chave S2 conduzindo, Figura 3.8(b).
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
61
Aplicando a Lei de Kirchhorff das tensões tem -se o seguinte sistema:
(3.43
V BB − L x&1 − rL x1 = 0

 x 2 + rCC x&2 + RCx&2 = 0
)
Que reescrito na forma x& = A1 x + B1ui resulta em:
 − rL
&
x
 1  L
 x&  = 
 2  0


  x1   1

− 1  x  +  L
 2   0
C ( R + rC ) 
0

0  V BB 
 
0   0 
(3.44
)
Considerando que R>>rC , pode-se simplificar o sistema dado por (3.44) fazendo
(R+rC ) ≅ R como se segue:
 − rL
 x&1   L
 x&  = 
 2  0


0  x 
1
+
− 1   x 2 

RC 
1
L
0


0 VBB 
 
0  0 
(3.45
)
A tensão de saída (v CC) é dada por vCC = −RCx&2 , que reescrita na forma
y = C1 x + E1ui resulta em:

v CC =  0

R   x1 
R + rC   x2 
(3.46
)
Que considerando que (R+r C ) ≅ R pode ser reescrito como:
x 
VCC = [0 1] 1 
 x2 
(3.47
)
Para a corrente sobre o indutor para a chave conduzindo dada por iL = x1 temse que a mesma na forma y = C1 x + E1ui fica como se segue:
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
62
(3.48
 x1 
iL = [1 0] 
x2 
)
Já a tensão v C sobre o capacitor para a chave conduzindo sendo dada por
v C = x 2 tem-se que reescrita na forma y = C1 x + E1u i resulta em:
(3.49
 x1 
v C = [0 1] 
 x2 
)
O segundo estado considera a chave S2 bloqueada, Figura 3.8(c). Neste caso,
aplicando a lei de Kirchhorff das tensões no circuito resultante têm-se:
(3.50
V BB − L x&1 − rL x1 − rC Cx&2 − x 2 = 0

 x2 + rCCx&2 − R ( x1 − Cx&2 ) = 0
)
Reescrevendo o sistema anterior na forma x& = A2 x + B2ui , tem-se:
 − (RrL + RrC + rC rL )
&
 x1  
L (R + rC )
 x&  = 
−R
 2 

C ( R + rC )
−R 
1
L( R + rC )   x1  

+
− 1   x 2   L
0
C ( R + rC ) 

0 VBB 
 
0  0 
(3.51
)
Considerando aqui também válida a hipótese anterior onde (R+r C) ≅ R e anida
que rC rL << rC e r C r L << r L obtém-se:
 − ( rL + rC )
 x&1  
L
 x&  = 
1
−
 2 
C

−1 
1
L   x1  + 

− 1  x 2   L

0
CR 

0 V BB 
 
0  0 
(3.52
)
No circuito a tensão de saída vCC aplicada ao barramento CC é dada por
vCC = R( x1 − Cx&2 ) que reescrita na forma y = C2 x + E2 ui resulta em:
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
 RrC
v CC = 
 R + rC
R   x1 

R + rC   x 2 
63
(3.53
)
Considerando aqui também que (R+rC ) ≅ R, obtém-se:
 x1 
VCC = [rC 1] 
 x2 
(3.54
)
Para a corrente iL sobre o indutor para a chave bloqueada tem-se que iL = x1 e
que reescrita na forma y = C 2 x + E2 u i resulta em:
 x1 
iL = [1 0] 
x2 
(3.55
)
Já para a tensão v C sobre o capacitor para a chave bloqueada tem-se que v C = x 2
e que reescrita na forma y = C2 x + E2 ui resulta em:
 x1 
v C = [0 1] 
 x2 
(3.56
)
O valor da corrente no indutor (IL ) e da tensão no capacitor (V C) em regime
permanente são obtidos através da substituição das matrizes obtidas em (3.44), (3.48),
(3.51) e (3.55) em (3.26) e das matrizes obtidas em (3.44), (3.49), (3.51) e (3.56) em
(3.26), respectivamente. Resultando em:
IL =
V BB
rC + rL − DrC R + R − 2 RD + RD 2
(3.57
VC =
(1 − D) RVBB
rC + rL − DrC R + R − 2 RD + RD 2
(3.58
)
e,
)
Substituindo as matrizes obtidas em (3.45), (3.47), (3.52), (3.54) e as expressões
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
64
dadas por (3.57) e (3.58) em (3.29) obtém-se a função de transferência da tensão
~
v~CC (s) em relação a razão cíclica d (s) para a Etapa Boost, conforme mostrada a seguir:
v~CC ( s ) a1 s 2 + a 2 s + a 3
Tvd = ~
=
b1s 2 + b2 s + b3
d ( s)
(3.59
)
onde,
a1 = −VBB rC RLC ,
a2 = V BB (rC CR 2 − rC L − RL − 2rCCR 2 D + D 2 rC CR 2 − rC rLCR ) ,
a3 = VBB ( D 2 rC R − 2 DrC R − rL R + rC R + R 2 − 2 R 2 D + R 2 D 2 − rC rL ) ,
b1 = ( rC + rL − DrC R + R − 2 RD + RD 2 ) RLC ,
b2 = (rC + rL − DrC R + R − 2RD + RD 2 )(L + rC CR + rLCR − DrCCR ) e
b3 = ( rC + rL − DrC R + R − 2 RD + RD 2 ) 2 .
(3.60
)
(3.61
)
(3.62
)
(3.63
)
(3.64
)
(3.65
)
3.5.2 Malha de Realimentação de Controle de Tensão
A Figura 3.9 mostra o diagrama de blocos de um sistema linearizado composto
por um conversor estático e uma malha de realimentação de controle de tensão. O
sistema é composto pela função de transferência da tensão de saída em relação à razão
cíclica (T vd(s) ), que representa o estágio de potência do conversor, pela função de
transferência do sensor (HV(s) ), pela função de transferência do controlador (GV(s) ) e
65
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
pela função de transferência do modulador (KM(s) ). A função de transferência HV(s) é
definida como uma constante com o objetivo de adequar a tensão v%0 (s) ao patamar
do circuito de controle composto por GV(s) e KM (s).
A razão cíclica d(t) é definida por (3.66) e segue a lógica mostrada na
Figura 3.10, onde vC (t) é o sinal de saída do compensador, que é comparado com um
sinal de uma onda dente de serra v M(t) pelo modulador, gerando o sinal d(t) que
comanda a chave do conversor. O sinal v M (t) possui amplitude igual VM
e sua
freqüência é que define a freqüência de chaveamento do conversor fS.
Figura 3.9 – Diagrama de blocos de um conversor com realimentação de controle de
tensão.
Figura 3.10 – Formas de onda de vC(t), vM(t) e d(t).
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
1 ⇒ v C (t) ≥ v M (t )
d (t ) = 
.
0 ⇒ v C (t) < v M (t )
66
(3.66
)
A função de transferência do modulador KM (s) é dada por (3.67). O
desenvolvimento matemático da função KM(s) pode ser visto com mais detalhe nas
referências [10] e [34].
K M (s ) =
1
VM
(3.67
)
A metodologia adotada no projeto da malha de realimentação de controle de
tensão para o Conversor CC-CC Bidirecional é baseada no fator K desenvolvido por
Venable [35]. O fator K é uma ferramenta matemática que possibilita a síntese de
malhas de realimentação de controle através de amplificadores operacionais para obter
o cruzamento de freqüência e a margem de fase desejada.
Os conceitos de margem de ganho e margem de fase são importantes no
projeto de uma malha de realimentação de controle. A margem de ganho (MG) é
definida como o inverso do módulo da Função de Transferência de Malha Aberta
(FTMA) onde a fase da FTMA é igual a -180° [10], sendo seu valor dado por:
MG =
1
T ( jω CF )
(3.68
)
onde, ωCF é a freqüência de cruzamento de fase (rad/s) da FTMA.
Que em decibéis (dB) é dado por:
MG dB = −20 log T ( j ω CF )
Já a margem de fase (MF) é definida por:
(3.69
)
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
MF = 180° + ∠T ( jω CG )
67
(3.70
)
onde ωCG (rad/s) é a freqüência de cruzamento de ganho que correspondente à
freqüência onde o ganho da FTMA é unitário ou 0 dB.
As margens de ganho e de fase são medidas de estabilidade relativa do sistema e
estão fortemente correlacionadas com a reposta transitória dos sistemas realimentados
[36].
Na prática interessa garantir a estabilidade do sistema com alguma margem de
segurança relativa a erros na avaliação dos parâmetros da função de transferência ou
devido a flutuações dos mesmos. Desse modo recomenda-se que a margem de ganho
não seja superior a –6 dB enquanto que a margem de fase não seja inferior a 30°. Uma
MF muito pequena proporciona uma resposta transitória com elevado sobre sinal e
muito oscilatória. Enquanto uma MF muito grande pode tornar sua resposta
transitória muito lenta [10], [34].
O tempo de resposta do sistema pode ser diminuído com o aumento da
freqüência de cruzamento de ganho ωCG, entretanto para rejeitar perturbações
provenientes do chaveamento, seu valor deve ser limitado em 1/10 da freqüência de
chaveamento [10], [34].
A Figura 3.11 mostra o diagrama de Bode de um sistema hipotético onde estão
representadas MG e MF.
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
68
Figura 3.11 – Representação da Margem de Fase e Margem de Ganho no diagrama de Bode
de um sistema hipotético.
A Figura 3.12 mostra um amplificador operacional usado na síntese de
controladores. Essa configuração é inversora, portanto a saída deve ser invertida antes
de ser aplicada ao circuito PWM sendo sua função de transferência é dada por:
v~C ( s)
Z 2 (s)
=
−
= −GV (s)
H v~0 (s)
Z 1 (s )
(3.71
)
Figura 3.12 – Topologia geral de um controlador baseado em amplificadores operacionais.
Baseado na Figura 3.12 são apresentadas três configurações básicas de
controladores que podem ser utilizados na compensação da grande maioria de
conversores CC-CC.
69
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
3.5.2.1 Controlador Tipo 1
O controlador Tipo 1 apresenta a função de transferência dada por:
GV =
A
s
(3.72
)
Este controlador apresenta apenas um pólo na origem, portanto sua fase é
constante igual a 90°. E seu módulo apresenta uma inclinação de -20dB/década. A
Figura 3.13(a) mostra o diagrama de bode do controlador Tipo 1. O controlador Tipo
1 pode ser sintetizado através do circuito da Figura 3.13(b), a relação entre a função de
transferência e os componentes do circuito é dado pela equação (3.73).
A=
1
R1C1
(3.73
Figura 3.13 – Controlador Tipo 1: (a) diagrama de Bode e (b) circuito para síntese do
controlador.
3.5.2.2 Controlador Tipo 2
A função de transferência do controlador Tipo 2 é dada por:
)
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
GV =
A (s + ω z )
s (s +ω p )
70
(3.74
)
Esse controlador possibilita uma compensação em avanço de um sistema
realimentado e possui características integrativas [10], [35], [37]. O controlador Tipo 2
apresenta um pólo na origem adicionado de um par pólo+zero. Nas baixas
freqüências, o controlador atua como um integrador, fazendo com que o erro de
regime permanente seja nulo. O par pólo+zero provoca uma região de ganho
constante no diagrama de Bode denominado boost e correspondente a um aumento
na fase, ou seja, uma região com deslocamento de fase reduzido. Para as altas
freqüências o controlador comporta como um filtro passa-baixas, proporcionando
uma boa rejeição dos ruídos existentes em conseqüência do chaveamento do
conversor.
O controlador Tipo 2 é usado para compensar sistemas que necessitem de um
avanço de fase de no máximo 90°. O máximo avanço de fase ocorre na freqüência
ω boost, que dada pela média geométrica das freqüências do zero e do pólo, ou seja,
ω boost = ω z ω p .
controlador Tipo 2.
A Figura 3.14(a) mostra o diagrama de Bode genérico do
71
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
Figura 3.14 – Controlador Tipo 2: (a) diagrama de Bode, (b) circuito para síntese do
controlador.
A função de transferência do controlador Tipo 2 pode ser sintetizada pelo
circuito da Figura 3.14(b) e a relação entre os parâmetros da função de transferência e
os valores dos componentes do circuito são dados por:
A=
1
,
R1C2
(3.75
ωz =
1
,
R 2C1
(3.76
C1 + C2
.
R2 C1C 2
(3.77
)
)
e,
ωp =
)
3.5.2.3 Controlador Tipo 3
A função de transferência do controlador Tipo 3 é dada por:
GV =
A (s + ω z ) (s + ω z )
s (s + ω p ) (s + ω p )
(3.78
)
Esse controlador possibilita também uma compensação em avanço de um
sistema realimentado além de possuir características integrativas [35], [37]. O
controlador Tipo 3 possui um pólo na origem acrescido de dois pares pólo+zero. Os
pares pólo+zero são coincidentes, resultando em uma região de inclinação de
+20dB/década entre eles que corresponde a uma região de deslocamento de fase
reduzido. Nas baixas freqüências, o controlador apresenta características integrativas e
entre os zeros e pólos observa-se uma característica derivativa. Nas altas freqüências o
controlador comporta-se como um filtro passa-baixa, rejeitando os ruídos
provenientes do chaveamento. A Figura 3.15 mostra o diagrama de Bode genérico
de um controlador Tipo 3. Esse controlador deve ser empregado para compensar
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
72
sistemas que necessitam de um avanço de fase maior que 90° [35].
Figura 3.15 – Controlador Tipo 3: (a) diagrama de Bode e (b) circuito para síntese do
controlador.
A função de transferência do controlador Tipo 3 pode ser sintetizada pelo
circuito da Figura 3.15(b). Neste caso a relação entre os parâmetros da função de
transferência e os componentes do circuito são dados por:
A=
C1 R2
,
R1 R3 C2C3
(3.79)
ωz =
1
1
=
,
R2C1 ( R1 + R3 )C 3
(3.80)
ωp =
C1 + C 2
1
=
.
R2C1C2 R1 R3C3
(3.81)
e,
3.5.3 Metodologia de Projeto de Controladores Baseado no
Fator K
A base de desenvolvimento do fator K é o Controlador Tipo 1, no qual o fator
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
73
K é igual a 1. A Figura 3.16 mostra a relação entre o fator K e a freqüência de
cruzamento de ganho ω CG , para os controladores Tipo 1, Tipo 2 e Tipo 3. Para o
Controlador Tipo 2, ωCG é definida como a raiz quadrada do pro duto entre os valores
da freqüência do pólo e do zero. Enquanto para o Controlador Tipo 3, ωCG é definida
como a raiz quadrada entre o produto da freqüência do duplo pólo e do duplo zero
da função de transferência. Portanto ωCG é a média geométrica entre as freqüências do
zero e do pólo da função de transferência e corresponde ao máximo aumento da fase
boost, ou seja ωCG=ω boost.
Figura 3.16 – Diagramas de Bode do ganho dos controladores: (a) Tipo 1, (b) Tipo 2 e (c)
Tipo 3.
Assim para o Controlador Tipo 2 o zero e o pólo da função de transferência são
definidos como:
ωz =
ωCG ,
K
(3.82)
e
ωp = K ωCG .
(3.83)
Com a introdução do fator K a relação entre os componentes do circuito do
Controlador Tipo 2 e a função de transferência passam a ser dadas por:
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
C2 =
GV ( jωCG )
,
KR1ωCG
C1 = C2 ( K 2 − 1)
74
(3.84)
(3.85
)
e
K
.
C1ωCG
R2 =
(3.86
)
E para o Controlador Tipo 3, o duplo zero e o duplo pólo são definidos como:
ωz =
(3.87
ωCG
,
K
)
e
ωp =
K ωCG
.
(3.88
)
Com a introdução do fator K a relação entre os componentes do circuito do
controlador e a função de transferência passam a ser dadas por:
C2 =
GV ( jωCG )
,
R1ωCG
C1 = C2 ( K − 1) ,
R2 =
)
(3.90
)
K
,
C1ω CG
(3.91
R1
,
K −1
(3.92
R3 =
e,
(3.89
)
)
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
C3 =
1
R3ωCG K
75
(3.93
.
)
Para o Controlador Tipo 2 a expressão que relaciona o deslocamento de fase
boost com o fator K é dada pelo inverso da tangente da relação da freqüência em que o
zero e o pólo estão localizados conforme mostrado a seguir:
boost = arctg( K ) − arctg (1/ K ) .
(3.94
)
Que depois de resolvida resulta em:
 boost

K = tg 
+ 45° 
2


(3.95
)
Da mesma forma, para o Controlador Tipo 3 a relação entre o deslocamento de
fase e o fator K é dado por:
boost = arctg ( K ) − arctg (1/ K )
(3.96)
Que resulta em:
2
  boost

+ 45 °   .
K =  tg 

  2
(3.97)
3.5.3.1 Algoritmo de Projeto do Controlador
Depois de apresentado os aspectos relacionados ao controle de conversores e
ao fator K, os seguintes passos devem ser seguidos para o projeto da malha de
realimentação de controle de tensão:
Passo 1: Traçar o diagrama de bode da função de transferência do conversor
T dv(s) sem o controlador.
Passo 2: Escolher a freqüência de cruzamento de ganho ωCG . Como visto, ωCG
deve ser a máxima possível, entretanto para rejeitar perturbações provenientes do
76
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
chaveamento, seu valor deve ser limitado. Valores de ωCG entre 1/4 e 1/10 da
freqüência de chaveamento são, geralmente, aceitáveis.
Passo 3: Escolher a margem de fase desejada. Como citado anteriormente, uma
MF entre 30° e 60° garante na maioria dos projetos uma boa resposta transitória.
Passo 4: Determinar o avanço de fase boost necessário. Para impor ao sistema a
MF desejada, é preciso que o controlador promova o avanço de fase boost, diminuindo
o atraso na fase da FTMA do sistema realimentado. Considerando que as funções de
transferência, KM(s) do modulador e H V(s) do sensor, sejam modeladas apenas como
ganhos, o avanço de fase necessário é dado por:
boost = MF − ∠GV ( jωCG ) − 90° .
(3.98
)
Passo 5: Escolher o tipo de controlador. Depois de determinado o avanço de
fase necessário, deve-se escolher o tipo de controlador capaz de proporcionar esse
avanço de fase.
Passo 6: Calcular o fator K de acordo com o tipo de controlador escolhido.
Passo 7: Calcular o módulo da FTMA, sem o controlador, na freqüência de
cruzamento de ganho. Para impor a freqüência de cruzamento de ganho desejada, fazse com que o ganho do controlador nessa freqüência seja igual ao inverso do ganho da
FTMA sem o controlador.
Passo 8: Calcular os valores dos componentes do circuito do controlador.
3.5.4 Malha de Realimentação de Controle de Corrente
A metodologia adotada para o controle da corrente de saída do Conversor CC-
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
77
CC Bidirecional durante a Etapa Buck é denominada por Controle por Corrente
Média [38]. Essa metodologia comparada com o Controle por Corrente de Pico
apresenta as seguintes vantagens: não necessita de uma rampa de compensação
externa, aumenta o ganho CC da malha de corrente nas baixas freqüências e possui
uma melhor imunidade a ruídos no sinal de corrente do sensor [39].
O controlador utilizado no controle por corrente média é um Controlador
Tipo 2, apresentado na Seção 3.5.2. O princípio de funcionamento do Controle por
Corrente Média é o seguinte: a corrente no indutor iL é adquirida por um sensor de
corrente HC(s). O sinal de tensão correspondente a corrente iL, na saída do sensor, é
comparado com uma tensão de referência VREF, que representa o valor da corrente
média desejada no indutor L do conversor. Esta diferença é amplificada pelo
compensador formado pelos elementos C1 , C 2, R1 e R2 mostrados na Figura 3.14. A
saída do compensador é comparada com uma onda triangular dente de serra v M(t) de
freqüência constante e igual à fS gerando então o sinal PWM de controle v S1(t), da
chave S1 do Conversor Bidirecional. A Figura 3.17 mostra o diagrama de blocos de um
conversor linearizado com uma malha de realimentação de controle de corrente.
IREF
Figura 3.17 – Diagrama de blocos de um conversor com realimentação de controle de
corrente.
Para o projeto do compensador, o pólo de alta freqüência, ω p, deve ser
colocado próximo da freqüência de chaveamento do conversor fS, para filtrar o ripple
na freqüência de chaveamento [39]. O zero da função, ωz, deve ser colocado antes da
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
78
freqüência de ressonância, ω0 , do conversor, usualmente entre 1/3 e 1/2 de ω 0, para
maximizar a freqüência de cruzamento da malha de corrente [40]. E para evitar
instabilidade no chaveamento, o valor de R1 , presente no ganho CC, é obtido de
(3.99), expressão desenvolvida por [38]:
 2VM Lf S
R2
V Lf 
≤ min 
; M S
R1
 (Vi m, á x − V0 ) RS V0 RS 
(3.99)
onde VM é o valor de pico de v M(t), RS é o ganho do sensor de corrente HC(s), Vi,max é
a tensão máxima de entrada no conversor e V0 é a tensão de saída do conversor em
(V). Neste trabalho as variáveis Vi,máx e V0 são iguais ao valor máximo da tensão VCC
do barramento CC e a tensão VBB do banco de baterias respectivamente.
3.6 Conclusões Parciais
Sistemas de geração de energia que dependem de fatores naturais aleatórios,
como os sistemas fotovoltaicos, necessitam em muitas de suas aplicações de
dispositivos para o armazenamento de energia para que possam aproveitar de forma
mais eficiente à energia gerada e no caso de sistemas isolados ter uma maior
autonomia. As baterias eletroquímicas são capazes de armazenar diretamente a energia
elétrica sobre a forma de energia química e, posteriormente transformá-la, também
diretamente, em energia elétrica.
As baterias chumbo-ácido são as mais utilizadas nos sistemas fotovoltaicos.
Essas baterias necessitam de uma estratégia de controle rigorosa dos seus processos de
carga e descarga para evitar a diminuição da sua vida útil. O processo de carga é
normalmente dividido em 4 estágios e proporciona maior segurança é rapidez no
restabelecimento da carga total do banco de baterias.
O Controlador de Carga de Bateria é um equipamento essencial no
CAPÍTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
79
gerenciamento dos processos de carga e descarga das baterias em sistemas
fotovoltaicos. Ele proporciona um gerenciamento adequado do fluxo de energia do
banco de baterias. Garantindo a vida útil estimada das baterias.
A topologia de Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost ajusta-se às
características de um sistema fotovoltaico composto por um barramento de tensão
contínua com um nível de tensão superior ao do banco de baterias, o que ocorre na
maior parte dos sistemas. Esta topologia apresenta robustez e simplicidade, o que
facilita seu projeto e torna viável sua implementação.
Capítulo 4
Projeto e Simulação do Conversor
CC-CC Bidirecional Buck-Boost
4.1 Introdução
Visto no Capítulo 3: a topologia, a descrição analítica do funcionamento e a
metodologia de projeto das malhas de controle do Conversor CC-CC Bidirecional
Buck-Boost atua ndo como Controlador de Carga de Baterias em um sistema
fotovoltaico. Agora, são apresentadas neste capítulo, as etapas do projeto de
implementação do protótipo do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost. Seu
projeto é dividido em duas etapas principais, sendo, o dimensionamento do circuito
de comutação e o projeto das malhas de controle.
Depois de definidos e calculados todos os parâmetros do sistema necessários
ao projeto do conversor. Serão feitas simulações computacionais para observação do
comportamento do conversor dentro do sistema fotovoltaico. Por último é montado
um protótipo do Conversor CC-CC Bidirecional para observação do seu
comportamento
real,
comprovação
dos
resultados
obtidos
na
computacional e determinação da viabilidade técnica da sua implementação.
79
simulação
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
80
4.2 Dimensionamento dos Elementos do Sistema
O primeiro passo para o projeto do Conversor CC-CC Bidirecional é conhecer,
definir e dimensionar os elementos que compõem o ramo CC do sistema fotovoltaico
proposto. A Figura 4.1 mostra o diagrama que representa o ramo CC do sistema
proposto, onde estão representadas as variáveis elétricas necessárias para o
dimensionamento do sistema e o projeto do Conversor CC-CC Bidirecional.
Figura 4.1 – Diagrama do ramo CC do sistema fotovoltaico proposto.
4.2.1 Arranjo Fotovoltaico
O Arranjo Fotovoltaico é composto por dois painéis BP SX120 ligados
paralelo. Os dados e as curvas características do painel BP SX120 foram apresentadas
no Capítulo 2, Item 2.2.1. Para a simulação no programa PSpice, será usado seu macro
modelo, também apresentado no Capítulo 2, Figura 2.3(b). Os valores dos elementos
do modelo utilizados na simulação são apresentados na Tabela 4.1, que inclui também,
parâmetros do diodo que devem ser ajustados [8]. A Figura 4.2 mostra a curva IP
versus VP obtida na simulação do modelo do arranjo fotovoltaico.
81
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
Tabela 4.1 – Parâmetros do modelo elétrico do arranjo fotovoltaico.
Parâmetro
Símbolo
Valor
Fonte de corrente contínua
IFV
7,12A
Resistência em série
RS
0,1Ω
Resistência em paralelo
RP
142,5Ω
Tensão de joelho do diodo
Vj
10V
Corrente de saturação do diodo
IS
5-8A
Constante do modelo do diodo do PSpice
N
44.5
Figura 4.2 – Curva característica IP versus VP da saída do modelo elétrico do arranjo
fotovoltaico obtida na simulação no PSpice.
4.2.2 Conversor CC-CC Boost
A potência elétrica gerada pelo arranjo fotovoltaico é transferida para o
barramento CC através de um conversor CC-CC Boost, este elemento será considerado
nas simulações para observação do fluxo de energia dentro do ramo CC. Portanto será
necessário implementá-lo com uma malha de controle para a tensão de saída, que
deverá ser mantida em seu valor nominal VCC . Os valores dos parâmetros necessários
ao seu projeto [10] e os valores dos elementos do circuito do conversor necessários
82
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
para simulação estão na Tabela 4.2.
Tabela 4.2: Parâmetros do conversor CC-CC Boost.
Parâmetro
Símbolo
Valor
Potência nominal do conversor
PBoost
240W
Tensão nominal de entrada
VP
33,7V
Tensão nominal de saída
VCC
60V
Freqüência de chaveamento do conversor
fS
20kHz
Razão cíclica no estado permanente
D
0,44
LBoost
250µH
rL
0,02Ω
CBoost
1mF
rC
0,2Ω
Ganho sensor tensão
|HV (s)|
0,1
Ganho modulador
|KM (s)|
0,1
Indutância de entrada
Resistência associada a LBoost
Capacitância de saíd a
Resistência série equivalente associada a CBoost
A Figura 4.3 mostra o circuito do conversor CC-CC Boost entre o arranjo
fotovoltaico e o barramento CC, onde iP é a corrente de entrada fornecida pelo
arranjo fotovoltaico e iBoost á a corrente de saída entregue ao barramento CC.
Figura 4.3 – Circuito Conversor CC-CC Boost.
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
83
O projeto da malha de controle de tensão do conversor seguirá a metodologia
apresentada no Capítulo 3, Item 3.5.3. Essa metodologia permite a síntese de
controladores de tensão para conversores CC-CC estáticos através de circuitos com
amplificadores operacionais, esses circuitos podem então ser incorporados nas
simulações feitas no PSpice. Assim, seguindo os passos da metodologia de projeto
apresentada, obtêm-se:
Passo 1: Diagrama de Bode da função de transferência do estágio de potência
do conversor, Tdv(s) sem o controlador. A função de transferência do conversor CCCC Boost é obtida a partir da substituição dos parâmetros da Tabela 4.2. em (3.59), que
resulta em:
v~ (s )
− 2 ,53 ⋅ 10− 5 s 2 + 0,34s + 2399
=
Tvd ( s ) = CC
~
d (s ) 1,81⋅10 −5 s 2 + 1,08 ⋅ 10− 2 s + 23,39
(4.1)
A Figura 4.4 mostra o Diagrama de Bode da função de transferência T dv(s) do
conversor CC-CC Boost .
Figura 4.4 – Diagrama de Bode da função de transferência Tvd(s) do estágio de potência do
conversor CC-CC Boost.
Passo 2: A freqüência de cruzamento de ganho ωCG será escolhida como 1/20
da freqüência angular de chaveamento ωs =2πfS. Assim ωCG é igual a 6280rad/s ou em
hertz, fCG =1000 Hz.
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
84
Passo 3: A margem de fase adotada será de 60°.
Passo 4: O avanço de fase “boost” necessário, calculado por (3.98), que
substituindo os valores adotados no projeto, fornece:
boost = MF − ∠Tvd ( jω CG ) − 90° = 111,83°
(4.2)
Passo 5: Para o avanço de fase calculado (“boost”), o controlador Tipo 3 deve
ser o escolhido.
Passo 6: O fator K para o controlado Tipo 3 é calculado por (3.97) que após de
substituídos os valores adotados no projeto, fornece:
2
  111,83°

K = tg 
+ 45°  = 10,64

  4
(4.3)
Passo 7: O módulo da FTMA, sem o controlador, na freqüência de
cruzamento de ganho, é dado por:
T ( jω CG ) = Tvd ( jω CG ) . H V ( jωCG ) . K M ( jω CG ) = 0,019
(4.4)
Passo 8: Os valores dos componentes do circuito do Controlador Tipo 3, calculados
por (3.89), (3.90), (3.91), (3.92) e (3.93), são mostrados na
Tabela 4.3
A função de transferência do controlador GV(s) é dada por:
GV (s) =
1,15 ⋅10 6 s 2 + 4,44 ⋅10 9 s + 4, 28 ⋅1012
s 3 + 4,10 ⋅ 104 s 2 + 4,20 ⋅108 s
(4.5)
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
85
Tabela 4.3 – Valores dos elementos do circuito do controlador Tipo 3:
Elemento do circuito
Valor
R1
100KΩ
C2
92pF
C1
890pF
R2
584KΩ
R3
10,37KΩ
C3
4,7nF
A Figura 4.5(a) mostra o diagrama de Bode da função de transferência do
controlador GV (s) e a Figura 4.5(b) mostra a função de transferência de malha aberta
FTMA do sistema compensado para malha de controle de tensão.
Figura 4.5 – Diagramas de Bode: (a) função de transferência do controlador GV(s) e (b)
FTMA do sistema compensado.
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
86
A Figura 4.6(a) mostra o diagrama de Bode da função de transferência de
malha fechada (FTMF) do sistema compensado e a Figura 4.6(b) mostra o gráfico da
resposta transitória ao degrau do sistema compensado, onde a tensão vCC(t) deve ser
mantida em 60V.
Figura 4.6 – Sistema realimentado: (a) diagrama de Bode da FTMF, (b) resposta transitória
ao degrau.
4.2.3 Banco de Baterias
O banco de baterias é composto por duas baterias chumbo-ácido ligadas em
série. Os valores dos parâmetros do banco de baterias estão na Tabela 4.4. Para
executar as simulações será usado o modelo o de Thévenin da bateria composto pela
fonte de tensão contínua V Bint em série com resistência r B, conforme mostra a Figura
4.7.
87
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
Figura 4.7 – Modelo da bateria.
Tabela 4.4: Parâmetros do banco de baterias.
Parâmetro
Símbolo
Valor
Tensão nominal do banco de baterias
VBB
24V
Capacidade nominal do banco de baterias no
regime de 10 horas
C10
36Ah
IBULK
4A
Corrente de carga leve
ITC
80mA
Corrente final de sobrecarga
IOCT
400mA
Tensão de sobre carga
VOC
28,8V
Tensão de flutuação
V FLOAT
26,6V
Tensão correspondente ao estado de carga
mínimo do banco de baterias
VBBmín
22V
Tensão correspondente ao estado de carga
máxima
VBBmáx
28V
Taxa de variação da tensão com a temperatura
αBT
-4mV/°C
Tensão interna do banco de baterias
VBint
24V
Resistência interna do banco baterias
rB
0,5Ω
Corrente máxima de carga
88
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
4.3 Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost
O Conversor CC-CC Bidirecional, ou Controlador de Carga de Bateria do
sistema é o responsável pela transferência de energia entre o barramento CC e o banco
de baterias e vice-versa. Como visto, ele possui duas etapas distintas de operação
definidas pelo sentido da corrente iL(t) sobre o indutor L.
O indutor L será dimensionado para que o conversor opere no modo de
condução contínua até uma potência mínima igual a 50% da potência nominal. A
potência nominal do conversor é definida para o conversor operando no estágio de
carga profunda (bulk charge ), durante a Etapa Buck. A Tabela 4.5 apresenta os valores
dos parâmetros do Conversor CC-CC Bidirecional necessários para o seu
dimensionamento.
Tabela 4.5 – Parâmetros do Conversor CC-CC Bidirecional.
Parâmetro
Símbolo
Valor
Potência nominal do conversor
PN
110W
Tensão nominal barramento CC
VCC
60V
Potência máxima entregue ao barramento CC
PMáx
200W
Freqüência de operação das chaves S1
fS1
20kHz
Freqüência de operação das chaves S2
fS2
20kHz
Indutância
L
320µH
Resistência associada a L
rL
0,02Ω
Capacitância do barramento CC
CBoost
1mF
Capacitância Buck
CBuck
3mF
rC
0,2Ω
|HV1(s)|
0,1
Resistência série equivalente associada a C Buck e C Boost.
Ganho sensor tensão VBB
89
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
Ganho sensor tensão VCC
|HV2(s)|
0,1
Ganho sensor corrente
|HC1(s)|
0,1
Ganho modulador
|KM (s)|
0,1
O Conversor CC-CC Bidirecional possui três malhas de controle independentes,
que são habilitadas pelo algoritmo de controle. Para a Etapa Boost uma malha de
controle de tensão. E para a Etapa Buck uma malha de controle de corrente e uma
malha de controle de tensão. O projeto das malhas de controle de tensão segue a
metodologia baseada no Fator K, apresentada no Capítulo 3. E para o projeto da
malha de controle de corrente, a metodologia adotada é a de controle por corrente
média, também apresentada no Capítulo 3.
4.3.1 Malha de Controle de Tensão Etapa Boost
O objetivo da malha de controle de tensão da Etapa Boost é manter a tensão
no barramento CC em seu valor nominal, ou seja, v CC(t)=60V. Assim a tensão de
referência do controlador é dada por:
VCC REF =
VCC
= 0,6V
H V 2 ( s)
(4.6)
Passo 1: A função de transferência do estágio de potência do conversor Tdv(s)
durante a Etapa Boost é obtida a partir da substituição dos parâmetros da Tabela 4.5
em (3.59), que resulta em:
v~CC (s )
− 4,61 ⋅ 10− 5 s 2 + 0, 45s + 3465
=
Tvd (s ) = ~
4,70 ⋅ 10 − 5 s 2 + 1,62 ⋅ 10 − 2 s + 24,01
d (s)
(4.7)
A Figura 4.8 mostra o Diagrama de Bode da função de transferência Tvd(s)
durante a Etapa Boost.
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
90
Figura 4.8 – Diagrama de Bode da função de transferência Tvd(s) durante a Etapa Boost.
Passo 2: A freqüência de cruzamento adotada é ω CG =6280rad/s ou
fCG=1.000Hz.
Passo 3: A margem de fase adotada neste caso será de 60°.
Passo 4: O avanço de fase “boost” necessário é dado por:
boost = MF − ∠Tvd ( jωCG ) − 90° = 118,32°
(4.8)
Passo 5: Para o avanço de fase “boost”, o controlador Tipo 3 deve ser
escolhido.
Passo 6: O fator K para o controlado Tipo 3 é dado por:
2
  118,32 °

+ 45 °   = 13,14
K =  tg 
4

 
(4.9
)
Passo 7: O módulo da FTMA, sem o controlador, na freqüência de
cruzamento de ganho, é dado por:
T ( j ω CG ) = Tvd ( j ω CG ) . H V 2 ( jω CG ) . K M ( j ω CG ) = 0,0327
(4.10)
Passo 8: Os valores dos componentes do circuito do Controlador Tipo 3, estão
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
91
na Tabela 4.6.
Tabela 4.6 – Valores dos elementos do circuito do controlador Tipo 3, Etapa Boost:
Elemento do circuito
Valor
R1
100KΩ
C2
52,11pF
C1
632,89pF
R2
911,7K Ω
R3
8,23KΩ
C3
5,33nF
A função de transferência do controlador GV(s) é dada por:
GV 2 (s ) =
2,52 ⋅ 10 6 s2 + 8,74 ⋅ 109 s + 7,57 ⋅ 1012
s3 + 4,55 ⋅ 10 4 s 2 + 5,18 ⋅ 108 s
(4.11)
A Figura 4.9(a) mostra o diagrama de Bode da função de transferência do
controlador GV2(s) e a Figura 4.9(b) a função de transferência de malha aberta do
sistema compensado para malha de controle de tensão da Etapa Boost.
Figura 4.9 – Diagramas de Bode: (a) função de transferência do controlador GV2(s) e (b)
FTMA do sistema compensado
92
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
A Figura 4.10(a) mostra o diagrama de Bode da FTMF do sistema
compensado e a Figura 4.10(b) mostra o gráfico da resposta transitória ao degrau do
sistema compensado, onde VCC
REF
= 0,6V , assim a tensão v CC(t) deve ser igual a 60V.
Figura 4.10 – Sistema realimentado: (a) diagrama de Bode da FTMF, (b) resposta transitória
ao degrau.
4.3.2 Malha de Controle de Tensão Etapa Buck
O objetivo da malha de controle de tensão da Etapa Buck é manter a tensão
v BB(t), nos terminais do banco de baterias, nos valores especificados pelo algoritmo de
controle. Ou seja, durante o estágio de sobrecarga (over charge) vBB(t)=VOC e durante o
estágio de carga de flutuação (float charge ) v BB(t)=VFLOAT . Assim a tensão de referência
do controlador será ora VV
REF
= 2,88V (over charge), ora VVREF = 2,66V (float charge).
Passo 1: A função de transferência do estágio de potência do conversor
durante a Etapa Buck é obtida através da substituição dos parâmetros da Tabela 4.5
em (3.41), que resulta em:
v~ (s )
1,80 ⋅ 10 −2 s + 30
=
Tvd (s ) = ~BB
6,72 ⋅ 10 −7 s 2 + 7 ,25 ⋅ 10 −4 s + 0,55
d (s)
(4.12)
A Figura 4.11 mostra o Diagrama de Bode da função de transferência Tvd(s)
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
93
durante a Etapa Buck.
Figura 4.11 – Diagrama de Bode da função de transferência Tvd(s) durante a Etapa Buck.
Passo 2: A freqüência de cruzamento adotada é 1/10 de ω S, ou seja,
ω CG =12.560rad/s ou fCG=2.000Hz.
Passo 3: A margem de fa se adotada será de 60°.
Passo 4: O avanço de fase “boost” necessário é dado por:
boost = MF − ∠Tvd ( jω CG ) − 90° = 62,62°
(4.13)
Passo 5: Para o avanço de fase “boost”, o controlador Tipo 2 pode ser
escolhido.
Passo 6: O fator K para o controlado Tipo 2 é dado por:
  62,62°

+ 45°   = 4,10
K =  tg 

  2
(4.14)
Passo 7: O módulo da FTMA, sem o controlador, na freqüência de
cruzamento de ganho, é dado por:
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
T ( jω CG ) = Tvd ( jωCG ) . H V 1 ( jω CG ) . K M ( jω CG ) = 0,0215
94
(4.15)
Passo 8: Os valores dos componentes do circuito do Controlador Tipo 2, estão
na Tabela 4.7.
Tabela 4.7 – Valores dos elementos do circuito do controlador Tipo 2, Etapa Buck:
Elemento do circuito
Valor
R1
10KΩ
C2
41,73pF
C1
661,82pF
R2
493,67KΩ
A função de transferência do controlador GV1 (s) é dada por:
GV 1 (s ) =
2,39 ⋅ 106 s + 7,33⋅ 109
s 2 + 5,16 ⋅ 104 s
(4.16)
A Figura 4.12(a) mostra o diagrama de Bode da função de transferência do
controlador de tensão GV1 (s) e Figura 4.12(b) a FTMA do sistema compensado para
malha de controle de tensão da Etapa Buck.
Figura 4.12 – Diagramas de Bode: (a) função de transferência do controlador GV1(s) e (b)
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
95
FTMA do sistema compensado.
A Figura 4.13(a) mostra o diagrama de Bode da FTMF do sistema
compensado e a Figura 4.13(b) mostra o gráfico da resposta transitória ao degrau do
sistema compensado, no qual VV
REF
= 2,5V , assim a tensão vBB(t) deve ser igual a 25V.
Figura 4.13 – Sistema realimentado: (a) diagrama de Bode da FTMF, (b) resposta transitória
ao degrau.
4.3.3 Malha de Controle de Corrente Etapa Buck
O objetivo da malha de controle de corrente da Etapa Buck é manter a corrente
iBB(t), injetada no banco de baterias, nos valores especificados pelo algoritmo de
controle. Ou seja, durante o estágio de carga leve (tricle charge ), iBB(t)=ITC, e durante o
estágio de carga profunda (bulk charge ), iBB(t)=IBULK. Assim a tensão de referência do
controlador, que corresponde a corrente especificada, será ora VI
ora VI
REF
REF
= 0,4V (bulk charge),
= 8mV (tricle charge ).
O projeto de controle de corrente segue a metodologia do controle por corrente
média, cujos principais aspectos rela cionados ao projeto do controlador foram
apresentados e discutidos no Capítulo 3. A função de transferência Tid(s) do estágio de
potência do conversor que relaciona a corrente no indutor com a razão cíclica é dada
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
96
por (3.42), que substituindo os valores adotados no projeto resulta em:
~
i ( s)
0,126 −5 s + 60
=
Tid ( s ) = ~L
d (s ) 6 ,72 ⋅ 10− 7 s 2 + 7, 25 ⋅ 10− 4 s + 0,55
(4.17)
O diagrama de Bode de Tid(s) é mostrado na Figura 4.14.
Figura 4.14 – Diagrama Bode de Tid(s) da Etapa Buck.
O controle por corrente média utiliza um controlador Tipo2 para compensar o
sistema realimentado. O pólo de alta freqüência ωp, da função de transferência do
controlador GC (s) dever ser colocado próximo da freqüência de chaveamento ωS,
assim ω p=125.600rad/s. E o zero da função ωz deve estar entre 1/2 e 1/3 da
freqüência de ressonância do estágio de potência do conversor, dessa forma o valor
adotado é ω z=400rad/s. O ganho de GC1(s) deve obedecer à relação (3.94), que
substituindo os valores adotados no projeto resulta em:

R2
2 Lf S 1
≤ min
R1
 K M H C1 (VCC − V BB )

Lf S 1
6
 ≤ 2,66 ⋅ 10
K M H C1VCC 
(4.18)
Os valores dos componentes do circuito do controlador Tipo 2 de corrente,
estão na Tabela 4.8
Tabela 4.8 – Valores dos elementos do circuito do controlador Tipo 2 de corrente:
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
Elemento do circuito
Valor
R1
100KΩ
R2
1,60MΩ
C1
1,53nF
C2
4,98nF
97
A função de transferência do controlador GC1 (s) é dada por:
GC1 (s) =
1,56 ⋅ 106 s + 7, 23 ⋅ 108
s 2 + 1,26 ⋅ 105 s
(4.19)
A Figura 4.15(a) mostra o diagrama de Bode da função GC1(s) e a Figura 4.15(b)
a FTMA do sistema compensado
Figura 4.15 – Diagramas de Bode: (a) função de transferência do controlador GC1(s) e (b)
FTMA do sistema compensado.
A Figura 4.16(a) mostra o diagrama de Bode da FTMF do sistema
compensado e a Figura 4.16(b) mostra o gráfico da resposta transitória ao degrau do
sistema compensado, onde V I
REF
= 0,3A , assim o valor de iBB(t) deve ser igual a 3A .
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
98
Figura 4.16 – Sistema realimentado: (a) diagrama de Bode da FTMF, (b) resposta transitória
ao degrau.
4.4 Resultados Obtidos na Simulação
O circuito da Figura 4.17 representa o ramo CC do sistema fotovoltaico
proposto, utilizado para efetuar as simulações no PSpice. Nele, o arranjo fotovoltaico e
o banco de baterias são representados pelos seus modelos elétricos, com os valores
especificados nos Itens 4.2.1 e 4.2.3, respectivamente e
a carga CC por uma
resistência equivalente RCARGA.
Figura 4.17 – Circuito elétrico representativo do ramo CC do sistema fotovoltaico proposto.
4.4.1 Comportamento da Etapa Buck
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
99
A Etapa Buck, responsável pelo carregamento do banco de baterias, opera no
modo corrente durante os dois primeiros estágios do processo de carga e no modo
tensão nos dois últimos estágios conforme mostrado na Figura 2.12.
A Figura 4.18 mostra as formas de onda das tensões v CC(t) e v BB(t), da corrente
iBB(t) e da tensão de referência do controlador de corrente V I
REF
obtidas na simulação
durante o modo corrente da Etapa Buck, a listagem dos arquivos de simulação está no
Apêndice B.2.
Para observar o comportamento transitório de iBB(t), a tensão de
entrada da Etapa Buck, vCC(t) sofre as seguintes perturbações, um degrau de 10V no
instante t=40ms e um degrau de -20V no instante t=80ms, respectivamente. O valor da
tensão de referência V I , que representa o valor da corrente iBB(t) desejada, muda de
REF
8mV para 0,4V no instante t=60ms representado a mudança do estágio de carga leve
(tricle charge), onde iBB(t)=80mA, para o estágio de carga profunda (bulk charge), onde
iBB(t)=4A.
Figura 4.18 – Gráfico das formas de onda das tensões vCC(t) e vBB(t), da corrente no iBB(t) e
V I REF , durante o modo corrente da Etapa Buck.
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
100
A Figura 4.19 mostra as formas de onda das tensões v CC(t) e v BB(t), da corrente
iBB(t) e da tensão de referência do controlador de tensão VV
REF
obtidas na simulação da
Etapa Buck durante o modo de controle da tensão, a listagem dos arquivos de
simulação está no Apêndice B.3 . Para observar o comportamento transitório de v BB(t),
tensão de entrada da Etapa Buck v CC(t) sofre as mesmas perturbações do caso anterior.
O valor da tensão de referência VV
REF
muda de 2,88V para 2,66V em t=60ms,
representado a mudança do estágio de sobrecarga (over charge ), onde v BB(t)=28,8V,
para o estágio de carga de flutuação (float charge), onde v BB(t)=26,6V.
Observe que
como no caso anterior o controle atende satisfatoriamente as características desejadas
para o controle.
Figura 4.19 - Gráfico das formas de onda das tensões vCC(t) e vBB(t), da corrente no iBB(t) e
VVREF , durante o modo tensão da Etapa Buck.
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
101
4.4.2 Comportamento da Etapa Boost
A Etapa Boost de operação do Conversor CC-CC Bidirecional tem o objetivo de
manter a tensão do barramento CC no valor pré-estabelecido de projeto (v CC (t)=60V)
quando a potência gerada pelo arranjo fotovoltaico é insuficiente para suprir a carga
representada por RCARGA. Assim operando em conjunto com o conversor CC-CC
Boost, o Conversor CC-CC Bidirecional fornece a energia armazenada no banco de
bateria ao barramento CC complementando a energia requerida pela carga do sistema.
Para observar o comportamento transitório da tensão v CC(t) diante de uma
variação na carga, a resistência equivalente de carga é forçada a mudar de valor no
instante t=30ms de 100Ω para 15Ω, fazendo com que a tensão v CC(t) se reduza. Desse
modo, o Conversor CC-CC Bidirecional passa a operar na Etapa Boost, fornecendo
energia ao barramento CC e restabelecendo a tensão vCC(t) em 60V. A Figura 4.20
mostra as formas de onda da tensão v CC(t), da corrente sobre o indutor do conversor
Boost de entrada, da corrente no indutor do Conversor CC-CC Bidirecional e da
corrente iBB(t) obtidas com a simulação do circuito proposto no PSpice, a listagem dos
arquivos de simulação está no Apêndice B.4. Observe que a corrente pelo indutor do
conversor fica negativa com a entrada em operação da Etapa Boost.
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
102
Figura 4.20 – Gráfico das formas de onda da tensão vCC(t), corrente no indutor do conversor
Boost de entrada, corrente no indutor do Conversor CC-CC Bidirecional e da corrente
iBB(t).
4.5 Protótipo do Conversor CC-CC Bidirecional
A Figura 4.21 ilustra o circuito do protótipo montado em laboratório, onde o
circuito de comutação do Conversor CC-CC Bidirecional é composto pelas chaves S1
e S2 , os diodos D1 e D2 , o indutor L e o capacitor CBuck. As chaves estáticas e os
diodos devem ser dimensionados para os valores máximos de tensão e correntes,
especificados no projeto. O projeto físico do indutor L é apresentado no Apêndice A.
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
103
Figura 4.21 – Circuito esquemático para implementação do Conversor CC-CC Bidirecional.
4.5.1 Chaves Estáticas
O circuito de comutação do Conversor CC-CC Bidirecional apresenta a mesma
disposição das chaves S1 e S2 e dos diodos D1 e D2 de um braço inversor, dessa forma
encontra-se no mercado módulos integrado composto por transistores e diodos de
potência, como o módulo de transistor MG25N2YS1, que é composto por dois
IGBTs e dois diodos conforme mostra a Figura 4.22.
Figura 4.22 – Circuito equivalente do módulo transistor MG25N2YS1.
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
104
O modulo de transistor MG25N2YS1 adotado no protótipo é especificado para
uma tensão de 1100V e uma corrente eficaz de coletor de 25A.
4.5.2 Circuito de Controle
O circuito de controle responsável pelo gerenciamento do fluxo de energia no
circuito de comutação do conversor, pode ser implementado através de
microcontroladores programáveis ou processadores digitais de sinal (DSP – Digital
Signal Processor). Ele deve ser programado para operar as chaves de potência do circuito
conforme o algoritmo de controle apresentado no Capítulo 3, Item 3.4, utilizando os
valores especificados no projeto.
4.5.3 Circuito de Disparo
Para disparar as chaves S1 e S2 é necessário à inclusão de um circuito de disparo
(drive). O objetivo do circuito de disparo é amplificar a potência do sinal de comando
das chaves, gerado pelo circuito de controle, e promover o isolamento entre o circuito
de potência e o circuito de controle. A Figura 4.23 mostra o circuito de disparo
adotado no protótipo, ele é composto pelo circuito integrado, fotoacoplador, TLP250.
Figura 4.23 – Circuito de disparo das chaves S 1 e S2 do conversor.
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
105
4.5.4 Sensores de Tensão e Corrente
O Conversor CC-CC Bidirecional necessita de dois sensores de tensão, um
monitorando a tensão v CC(t) e outro monitorando a tensão vBB(t). E um sensor de
corrente monitorando a corrente sobre o indutor L. Os sensores de tensão e corrente
adotados são de Efeito Hall.
4.5.5 Sensor Temperatura
O sensor de temperatura tem objetivo de compensar os parâmetros de tensão
do banco de baterias melhorando o desempenho do Controlador de Carga de Baterias
principalmente em ambientes onde há grande variação de temperaturas. O sensor
adotado é o circuito integrado LM35, seu fator de variação linear é 10mV/°C. Assim
substituindo o fator de variação linear do sensor e adotando-se αBT =-4mV/°C (taxa
de variação da tensão com a temperatura em uma bateria chumbo-ácido), a equação
(2.12) torna-se:
VB (T ) = [VE , 25°C + 0, 4(V Sensor − 25°) )]N E
(4.20)
Onde: V Sensor é tensão de saída do LM35.
4.6 Resultados da Implementação do Protótipo
A implementação do protótipo no laboratório permitiu observar o
funcionamento do Conversor CC-CC Bidirecional, durante a Etapa Buck, A Figura
4.24 mostra uma fotografia do protótipo. Uma fonte de corrente contínua de 60V foi
utilizada para representar o barramento CC. A mostra a fotografia do protótipo
implementado em laboratório.
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
106
Figura 4.24 – Fotografia do protótipo do Conversor CC-CC Bidirecional.
A Figura 4.25(a) mostra as forma de onda da corrente iL (t) e a Figura 4.25(b)
mostra a forma de onda iBB(t). Onde se observa que o corrente iBB(t) apresenta uma
baixa ondulação (ripple) e seu valor eficaz 4,08A é muito próximo do valor eficaz de
iL (t), 4,02A. A baixa ondulação da corrente iBB(t) evita o forte impacto causado pela
ondulação de corrente na vida útil das baterias chumbo-ácido [41].
Figura 4.25 – Formas de onda das correntes, onde o ganho da ponteira de corrente do
osciloscópio é igual a 100mV/A: (a) iL(t) e (b) iBB(t).
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
107
Para que se possa comparar as formas de onda obtidas no laboratório com as
formas de onda obtidas na simulação no PSpice, a Figura 4.25(a) traz a forma de onda
da corrente
iL(t) e a Figura 4.25(b) mostra a forma de onda iBB(t), obtidas na
simulação. Onde se observa que o corrente iBB(t) obtida do resultado experimental
apresenta uma pequena ondulação mais aguda do que na simulação, causada pelos
elementos parasitas associados aos elementos reais do circuito.
Figura 4.26 – Formas de onda das correntes obtidas na simulação no PSpice:(a) iL(t) e (b)
iBB(t).
A Figura 4.27(a) mostra as formas de onda da tensão vCC(t) e v BB(t) e a Figura
4.27(b) mostra as formas de onda tensão de entrada e saída do circuito de disparo da
chave S1 do Conversor CC-CC Bidirecional.
Figura 4.27 – Formas de onda: (a) tensões v CC (t) e v BB (t) e (b) tensões de entrada e
saída do circuito de disparo.
CAPÍTULO 4- P ROJETO E S IMULAÇÃO DO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST
108
4.7 Conclusões Parciais
As simulações mostram que o conversor apresenta uma rápida resposta
transitória a variações na tensão v CC(t), durante a Etapa Buck tanto no modo corrente
como no modo tensão.
As simulações mostraram que a tensão v CC(t) pode ser restabelecida com a
energia disponível no banco de baterias quando a energia gerada pelos painéis é
insuficiente para alimentar a carga do sistema.
O circuito de potência apresenta uma configuração das chaves estáticas
semelhante à de um braço inversor de um conversor estático CC-CA, assim existem
no mercado módulos composto pela mesma configuração necessária para o Conversor
CC-CC Bidirecional, facilitando a montagem do circuito de comutação ou potência.
A montagem do protótipo possibilitou a observação e a comprovação do
funcionamento do Conversor CC-CC Bidirecional atuando na Etapa Buck como um
Controlador de Cargas de Baterias, e a sua viabilidade técnica para a implementação.
Capítulo 5
Conclusões e Sugestões para
Trabalhos Futuros
5.1 Conclusões
Os sistemas fotovoltaicos pela sua grande versatilidade podem adaptar-se a
diversas aplicações, conciliando grande confiabilidade, pouca necessidade de
manutenção, fácil instalação e mínimo impacto ao meio ambiente. Sendo então
uma grande alternativa para geração de energia elétrica.
Pesquisas para o desenvolvimento e aprimoramento dos equipamentos que
compõem os sistemas fotovoltaicos contribuem para torná-los mais competitivos
no aspecto econômico.
A geração de energia através dos painéis fotovoltaicos apresenta uma grande
variabilidade pois depende da radiação solar que incide sobre ele. Sendo necessário
em muitas aplicações o emprego de algum dispositivo de armazenamento de
energia.
108
CAPÍTULO 5- CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS F UTUROS
109
As baterias eletroquímicas são uma importante forma de armazenamento de
energia. Elas são capazes de armazenar diretamente a energia elétrica em energia
química e, posteriormente transformá-la, também diretamente, em energia elétrica.
O Controlador de Carga de Baterias tem um papel importante nos sistemas
que necessitam armazenar energia em banco de baterias, providenciando o
gerenciamento da carga das baterias dentro de suas especificações. Garantindo
assim que as baterias alcancem sua vida útil estimada, diminuindo os gasto com a
reposição de novas baterias.
O processo de carga adotado pelo Controlador de Carga de Bateria deve
providenciar o carregamento completo do banco de baterias, no menor tempo
possível, respeitando suas especificações. Dessa forma, devem-se implementar
estratégias de controle com mais de um estágio, como sugerido neste trabalho, para
alcançar este objetivo.
A topologia do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost atuando como
Controlador de Carga de Baterias em um sistema fotovoltaico, que necessitam de
banco de baterias, permitir adequar o fluxo de energia tanto no sentido banco de
baterias barramento CC, quanto barramento CC banco de baterias.
O projeto das malhas de realimentação de controle de tensão e corrente,
utilizando as metodologias do fator K e controle por corrente média
respectivamente, mostraram uma boa resposta transitória para variações na tensão
de entrada do Conversor CC-CC Bidirecional e para a mudança do valor da tensão
de referência do controlador.
5.2 Trabalhos Futuros
CAPÍTULO 5- CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS F UTUROS
Para
110
trabalhos futuros sugere-se, primeiramente a observação do
funcionamento Controlador de Carga de Baterias em um sistema real para
verificação do estado de carga das baterias e a vida útil alcançada.
Experimentar novas estratégias de gerenciamento da carga do banco de
baterias como “Contador de Ah”, que leva em consideração a quantidade de carga
que entra e sai da bateria para estimar seu estado de carga [42].
Projetar estratégias de comutação suave para as chaves do Conversor CCCC Bidirecional, para diminuir as perdas por chaveamento (ZVS – Zero-voltageswitching, ZCS – Zero-current-switching), melhorando a eficiência do equipamento [10].
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[43] MARTIGNONI, A., Transformadores. 8ª edição, Editora Globo.
Apêndice A
Projeto Físico do Indutor
A.1 Projeto Físico do Indutor
O indutor é projetado de acordo com as especificações do conversor, levandose em consideração os seguintes parâmetros: valor da indutância, freqüência de
operação e corrente eficaz sobre ele. O projeto físico do indutor será feit o de acordo
com a referência [43].
A.1.1 Parâmetros do Indutor
Os parâmetros adotados no projeto do indutor L, do Conversor CC-CC
Bidirecional, estão na Tabela A.1.
Tabela A.1 – Parâmetros do indutor.
Parâmetro
Símbolo
Valor
Indutância
L
320µH
Freqüência de operação
fS
20KHz
ILefi
4A
Corrente eficaz sobre o indutor
116
117
ANEXO A- PROJETO FÍSICO DO I NDUTOR
A.1.2 Escolha do Núcleo
A escolha do núcleo de ferrite é feita através do produto de áreas, dado pela
equação (A.1), a baixo:
W .S =
(A.1
L.( I Lefi )2
)
B.J .K
Onde:
W – Área ou janela de enrolamento disponível.
S – Área efetiva do núcleo.
B – Máxima indução do projeto, igual a 0,2.
J – Densidade de corrente, varia entre 1 a 4,5 A/mm2, será adotado
para o projeto 3 A/mm2.
K – Fator de ocupação da janela, normalmente entre 0,3 e 0,6 será
adotado para o projeto 0,4.
Portanto:
W.S = 2,13 cm4
Deve-se escolher um núcleo, de acordo com tabelas de fabricantes, com W.S
maior que o fator calculado.
O núcleo de ferrite adotado será: EE 42/21/15, suas especificações estão na
Tabela A.2.
Tabela A.2 – Parâmetros do núcleo EE 42/21/15.
Parâmetro
Símbolo
Valor
W.S
4,66 cm4
Área efetiva
S
1,82 cm2
Comprimento da espira
lesp
9,3cm
Comprimento médio das espiras
lM
9,7 cm
Produto: janela disponível por área efetiva
118
ANEXO A- PROJETO FÍSICO DO I NDUTOR
A.1.3 Cálculo do Número de Espiras
O número de espiras é dado pela equação (A.2).
N=
(A.2
L.I Lefi
B.S
)
Portanto:
N = 36 espiras
A.1.4 Escolha da Bitola do Fio
A área efetiva da bitola do fio utilizado nas espiras é dado pela equação (A.3).
AEFETIVA =
I Lefi
J
(A.3
)
Portanto:
A = 0,0133cm2
Esta área levaria a bitola de 14 AWG, porém como a freqüência de operação é
de 20kHz, deve se levar em consideração o efeito pelicular, no qual a corrente tende a
circular pelas bordas do fio, pois a profundidade de penetração da corrente é
inversamente proporcional ao aumento da freqüência.
Portanto, deve-se escolher a bitola máxima do fio em função da freqüência
através do ábaco da Figura A.1.
119
ANEXO A- PROJETO FÍSICO DO I NDUTOR
Figura A.1 – Bitola de fio permitida em função da freqüência
Para a freqüência de 20 KHz a bitola máxima permitida é de 18 AWG que
corresponde a 0,008231 cm 2. Para implementação do indutor será utilizado o fio 23
AWG que corresponde a 0,002582 cm2 , assim será utilizado 7 fios em paralelo o que
corresponde à área efetiva calculada pela equação (A.3).
A.1.5 Cálculo do comprimento do Entreferro
O comprimento do entreferro ou gap é dado pela expressão (A.4).
µ 0 .N 2 .S
lg =
L
Portanto:
lg = 0,79 mm
(A.4
)
Apêndice B
Listagem dos Arquivos de Simulação
no PSpice
B.1 Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost
**** INCLUDING "Conv ersor bidirecional s.net" ****
* Schematics Netlist *
D_D1
0 $N_0001 Dbreak
V_V3
$N_0002 0 96V
X_S1 1 0 $N_0003 $N_0001 Conv_bidirecional_s_S1
D_D2
$N_0001 $N_0003 Dbreak
X_S2 2 0 $N_0001 0 Conv_bidirecional_s_S2
V_V4
$N_0003 0 240V
L_L1
$N_0001 $N_0002 0.3mH
X_U1
1 $N_0004 Sw_tOpen PARAMS: tOpen=19.9m ttran=1u
Rclosed=0.001
+ Ropen=1Meg
R_R1
10 1
V_V1
$N_0004 0 DC 0 AC 0
+PULSE 0 1V 0 10ns 10ns 0.09ms 0.2ms
X_U2
2 $N_0005 Sw_tClose PARAMS: tClose=20m ttran=1u Rclosed=0.001
+ Ropen=1Meg
R_R2
20 1
V_V2
$N_0005 0 DC 0 AC 0
+PULSE 0 1V 0 10ns 10ns 0.14ms 0.2ms
120
ANEXO B- LISTAGEM DOS ARQUIVOS DE SIMULAÇÃO NO PSPICE
121
.subckt Conv_bidirecional_s_S1 1 2 3 4
S_S1
3 4 1 2 Sbreak
RS_S1
1 2 1G
.ends Conv_bidirecional_s_S1
.subckt Conv_bidirecional_s_S2 1 2 3 4
S_S2
3 4 1 2 Sbreak
RS_S2
1 2 1G
.ends Conv_bidirecional_s_S2
B.2 Conversor CC-CC Bidirecional Etapa Buck Controle
de Corrente
**** INCLUDING "Etapa Buck_controle _corrente.net" ****
* Schematics Netlist *
E_GAIN5
$N_0002 0 VALUE {-1 * V($N_0001)}
E_E2
$N_0003 0 TABLE { V($N_0004, $N_0002) }
+ ( (0,0) (0.1,5) )
V_V4
0 $N_0005 12V
V_V3
$N_0006 0 12V
V_V6
$N_0004 0 DC 0 AC 0
+PULSE 0 10V 0 49.9us 10ns 10ns 50us
V_V7
$N_0007 $N_0008 DC 0 AC 0
+PULSE 10 0 0 20u 20u 40m 120m
V_VCC
$N_0009 $N_0007 DC 0 AC 0
+PULSE -20 0 0 20u 20u 80m 120m
X_U5A
Vref $N_0010 $N_0006 $N_0005 $N_0001 LM324/NS
L_L1
$N_0011 VBB 0.25mH
D_D3
0 $N_0011 Dbreak
X_S1 $N_0003 0 $N_0009 $N_0011 Etapa_Buck_controle__corrente _S1
V_VC
$N_0008 0 60V
R_Rc
$N_0012 VBB 0.2
C_Cbuck
$N_0012 0 3m
E_E6
$N_0013 0 VBB 0 0.1
R_R3
$N_0010 $N_0013 10k
C_C3
$N_0001 $N_0010 55p
C_C4
$N_0001 $N_0014 822p
R_R2
$N_0014 $N_0010 387k
V_VBint
$N_0015 0 25V
V_V2
Vref $N_0016 2.88V
ANEXO B- LISTAGEM DOS ARQUIVOS DE SIMULAÇÃO NO PSPICE
122
V_V8
$N_0016 0 DC 0 AC 0
+PULSE -0.22 0 0 10u 10u 60m 120m
R_Rb
VBB $N_0015 1.1
.subckt Etapa_Buck_controle__corrente_S1 1 2 3 4
S_S1
3 4 1 2 Sbreak
RS_S1
1 2 1G
.ends Etapa_Buck_controle__corrente_S1
B.3 Conversor CC-CC Bidirecional Etapa Buck Controle
de Tensão
**** INCLUDING "Etapa Buck_controle _tensão.net" ****
* Schematics Netlist *
E_GAIN5
$N_0002 0 VALUE {-1 * V($N_0001)}
E_E2
$N_0003 0 TABLE { V($N_0004, $N_0002) }
+ ( (0,0) (0.1,5) )
V_V4
0 $N_0005 12V
V_V3
$N_0006 0 12V
V_V6
$N_0004 0 DC 0 AC 0
+PULSE 0 10V 0 49.9us 10ns 10ns 50us
V_V7
$N_0007 $N_0008 DC 0 AC 0
+PULSE 10 0 0 20u 20u 40m 120m
V_VCC
$N_0009 $N_0007 DC 0 AC 0
+PULSE -20 0 0 20u 20u 80m 120m
X_U5A
Vref $N_0010 $N_0006 $N_0005 $N_0001 LM324/NS
L_L1
$N_0011 VBB 0.25mH
D_D3
0 $N_0011 Dbreak
X_S1 $N_0003 0 $N_0009 $N_0011 Etapa_Buck_controle_tensão_S1
V_VC
$N_0008 0 60V
R_Rc
$N_0012 VBB 0.2
C_Cbuck
$N_0012 0 3m
E_E6
$N_0013 0 VBB 0 0.1
R_R3
$N_0010 $N_0013 10k
C_C3
$N_0001 $N_0010 55p
C_C4
$N_0001 $N_0014 822p
R_R2
$N_0014 $N_0010 387k
V_VBint
$N_0015 0 25V
V_V2
Vref $N_0016 2.88V
ANEXO B- LISTAGEM DOS ARQUIVOS DE SIMULAÇÃO NO PSPICE
123
V_V8
$N_0016 0 DC 0 AC 0
+PULSE -0.22 0 0 10u 10u 60m 120m
R_Rb
VBB $N_0015 1.1
.subckt Etapa_Buck_controle_tensão_S1 1 2 3 4
S_S1
3 4 1 2 Sbreak
RS_S1
1 2 1G
.ends Etapa_Buck_controle__tensão_S1
B.4 Conversor CC-CC Bidirecional Etapa Boost Controle
de Tensão
*** INCLUDING "Painel_conversor _BateriaThevenin_Controle bid 5.net" ****
* Schematics Netlist *
D_Dboost
$N_0001 VCC MUR840
R_R5
$N_0003 $N_0002 166k
C_C3
$N_0004 $N_0003 1n
C_C4
$N_0004 $N_0002 1.91n
R_R6
$N_0002 $N_0005 100k
X_U9A
$N_0006 $N_0002 $N_0007 $N_0008 $N_0004 LM324/NS
V_V2
0 $N_0008 10V
V_V3
$N_0007 0 10V
V_Vref1
$N_0006 0 6V
D_D4
$N_0009 VCC MUR840
E_E4
$N_0010 0 VCC 0 0.1
X_Sboost $N_0011 0 $N_0001 0
+ Painel_conversor__BateriaThevenin_Controle_bid_5_Sboost
E_E2
$N_0005 0 VCC 0 0.1
D_D3
0 $N_0009 MUR840
R_R1
10 1
X_S1 1 0 VCC $N_0009 Painel_conversor__BateriaThevenin_Controle_bid_5_S1
V_Vs1
$N_0012 0 DC 0 AC 0
+PULSE 0 1V 0 10ns 10ns 25us 50us
E_E1
$N_0011 0 TABLE { V($N_0013, $N_0014) }
+ ( (0,0) (0.1,5) )
E_GAIN1
$N_0014 0 VALUE {-1 * V($N_0004)}
V_VM1
$N_0013 0 DC 0 AC 0
+PULSE 0 10V 0 49.9us 10ns 10ns 50us
R_R9
$N_0016 $N_0015 166k
C_C7
$N_0017 $N_0016 1n
C_C8
$N_0017 $N_0015 1.91n
X_U11A
$N_0018 $N_0015 $N_0019 $N_0020 $N_0017 LM324/NS
ANEXO B- LISTAGEM DOS ARQUIVOS DE SIMULAÇÃO NO PSPICE
124
V_V9
0 $N_0020 10V
V_V10
$N_0019 0 10V
E_GAIN3
$N_0021 0 VALUE {-1 * V($N_0017)}
V_VM2
$N_0022 0 DC 0 AC 0
+PULSE 0 10V 0 49.9us 10ns 10ns 50us
R_R10
$N_0015 $N_0010 100k
E_E5
$N_0023 0 TABLE { V($N_0022, $N_0021) }
+ ( (0,0) (0.1,5) )
X_S2 2 0 $N_0009 0 Painel_conversor__BateriaThevenin_Controle_bid_5_S2
R_R12
2 0 1k
R_R14
$N_0024 VBB 0.2
R_Rs
$N_0025 VP 0.1
D_D1
$N_0025 $N_0026 Dbreak-X
D_D2
$N_0026 0 Dbreak-X
R_Rp
0 VP 142.5
L_Lboost
$N_0027 $N_0001 250uH
C_C9
$N_0024 0 3000u IC=24
V_Vref2
$N_0018 0 6V
X_U4
VP $N_0027 Sw_tOpen PARAMS: tOpen=90m ttran=1u Rclosed=0.001
+ Ropen=1Meg
X_U3
$N_0028 VCC Sw_tClose PARAMS: tClose=40ms ttran=1u Rclosed=0.01
+ Ropen=1Meg
X_U1
1 $N_0012 Sw_tOpen PARAMS: tOpen=41m ttran=1u Rclosed=0.001
+ Ropen=1Meg
X_U2
$N_0023 2 Sw_tClose PARAMS: tClose=41.9m ttran=1u Rclosed=0.001
+ Ropen=1Meg
V_V11
$N_0029 0 24
R_Rb
VBB $N_0029 1
L_L1
$N_0009 VBB 320uH
C_CBoost
VCC 0 1000uF IC=60
R_R2cc
0 $N_0028 25
R_R1cc
VCC 0 300
I_I1
0 $N_0025 DC 12.24A
.subckt Painel_conversor__BateriaThevenin_Controle_bid_5_Sboost 1 2 3 4
S_Sboost
3 4 1 2 Sbreak
RS_Sboost
1 2 1G
.ends Painel_conversor__BateriaThevenin_Controle_bid_5_Sboost
.subckt Painel_conversor__BateriaThevenin_Controle_bid_5_S1 1 2 3 4
S_S1
3 4 1 2 Sbreak
RS_S1
1 2 1G
.ends Painel_conversor__BateriaThevenin_Controle_bid_5_S1
.subckt Painel_conversor__BateriaThevenin_Controle_bid_5_S2 1 2 3 4
S_S2
3 4 1 2 Sbreak
RS_S2
1 2 1G
ANEXO B- LISTAGEM DOS ARQUIVOS DE SIMULAÇÃO NO PSPICE
.ends Painel_conversor__BateriaThevenin_Controle_bid_5_S2
125