Referências

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Controlo de um Conversor CC/CC para Módulos
Fotovoltaicos
Francisco Manuel Macedo de Figueiredo Falcão e Cunha
VERSÃO PROVISÓRIA
Dissertação realizada no âmbito do
Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Major Automação
Orientador: Prof. Dr. Armando Luís Sousa Araújo
Co-orientador: Eng. Nuno Francisco Costa
Porto, 27 de Junho de 2011
©Francisco Manuel Macedo de Figueiredo falcão e Cunha, 2011
Resumo
i
ii
Abstract
iii
Índice
RESUMO ....................................................................................................................... I
ABSTRACT ................................................................................................................... III
ÍNDICE ........................................................................................................................ IV
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................... VI
LISTA DE TABELAS ......................................................................................................... VII
ABRAVIATURAS E SÍMBOLOS .......................................................................................... VIII
CAPÍTULO 1 .....................................................................................................................1
INTRODUÇÃO ................................................................................................................1
1.1 OBJECTIVOS DO TRABALHO ......................................................................................2
CAPÍTULO 2 .....................................................................................................................3
ESTADO DA ARTE ...........................................................................................................3
4.1 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS .........................................................................................3
2.1.1
HISTÓRIA......................................................................................................... 3
2.1.2
MODELOS E CIRCUITOS EQUIVALENTES................................................................. 4
4.1.4.1 MODELOS COM UM E DOIS DÍODOS .................................................................. 4
4.1.4.2 MODELO DE UM DÍODO SEM RESISTÊNCIAS ....................................................... 5
2.1.3
INFLUÊNCIA CLIMÁTICA NO DESEMPENHO DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS ................... 5
3.1.4.1 RADIAÇÃO SOLAR .......................................................................................... 5
3.1.4.2 TEMPERATURA .............................................................................................. 6
4.2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ......................................................................................8
2.3.1
SISTEMAS DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS LIGADOS À REDE ELÉCTRICA .......................... 8
2.3.2
SISTEMAS ISOLADOS/INDEPENDENTES DA REDE..................................................... 9
4.3 TOPOLOGIAS DE CONVERSÃO PARA LIGAÇÃO À REDE .......................................................9
2.3.1
SISTEMA DE INVERSOR CENTRAL: ...................................................................... 10
2.3.2
SISTEMA DE STRING COM INVERSOR: ................................................................. 11
2.3.3
SISTEMA MULTISTRING COM INVERSOR: ............................................................. 12
4.4 CONVERSORES DC-DC .......................................................................................... 12
iv
2.4.1
CONVERSOR BUCK (STEP-DOWN) ..................................................................... 13
2.4.2
CONVERSOR BOOST (STEP-UP) ........................................................................ 13
2.4.3
CONVERSOR BUCK-BOOST (STEP-DOWN/STEP-UP) ............................................. 14
2.4.4
CONVERSOR DC-DC DE PONTE COMPLETA ......................................................... 14
4.5 CONTROLADORES TIPO MPPT ................................................................................ 15
4.1.1
CONDUTÂNCIA INCREMENTAL .......................................................................... 16
4.1.2
PERTURBAÇÃO E OBSERVAÇÃO ......................................................................... 16
4.1.3
CARACTERÍSTICAS I-V LINEARIZADAS ................................................................. 17
4.1.4
CONTROLO MPPT BASEADO EM LÓGICA DIFUSA (FUZZY) ..................................... 18
4.1.5
CONTROLADOR MPPT BASEADO EM REDES NEURONAIS ...................................... 19
4.1.6
CONTROLO MPPT BASEADO NA TENSÃO DO CONDENSADOR DC........................... 19
CAPÍTULO 3 ................................................................................................................... 21
SUBSISTEMAS A USAR .................................................................................................... 21
3.1 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS ....................................................................................... 21
3.2.1
INTRODUÇÃO ................................................................................................. 21
3.2.2
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM PAINEL FOTOVOLTAICO ............................ 21
3.2.3
CÁLCULO DOS PARÂMETROS DO MODELO EQUIVALENTE ....................................... 22
3.2.4
IMPLEMENTAÇÃO DO MODELO EM PSIM® ......................................................... 24
3.2.5
SIMULAÇÃO ................................................................................................... 24
3.2 CONVERSOR DC-DC ............................................................................................. 25
3.2.1
ESCOLHA DA TOPOLOGIA A ADOPTAR ................................................................ 25
3.2.2
FUNCIONAMENTO EM REGIME PERMANENTE ...................................................... 29
3.2.1
DIMENSIONAMENTO ....................................................................................... 32
CAPÍTULO 4 ................................................................................................................... 35
IMPLEMENTAÇÃO DOS SUBSISTEMAS EM SOFTWARE DE SIMULAÇÃO ......................................... 35
CAPÍTULO 5 ................................................................................................................... 36
SIMULAÇÃO E ANÁLISE .................................................................................................. 36
CAPÍTULO 6 ................................................................................................................... 37
CONCLUSÕES............................................................................................................... 37
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 38
v
Lista de Figuras
Figura 1 Modelo PV com um díodo. ......................................................................... 4
Figura 2 Modelo PV com dois díodos........................................................................ 4
Figura 3 Modelo PV de um díodo simplificado. ........................................................... 5
Figura 19 Curva I/V com diferentes radiações solares. ................................................. 6
Figura 20 Curva P/V com diferentes radiações solares. ................................................ 6
Figura 21 Curva I/V com diferentes temperaturas. ...................................................... 7
Figura 22 Curva P/V com diferentes temperaturas. ..................................................... 7
Figura 4 Sistema de inversor central. .................................................................... 10
Figura 5 Sistema de string com inversor. ................................................................ 11
Figura 6 Sistema multistring com inversor. ............................................................. 12
Figura 7 Conversor DC-DC Buck ........................................................................... 13
Figura 8 Conversor DC-DC Boost........................................................................... 13
Figura 9 Conversor DC-DC Buck-Boost. ................................................................... 14
Figura 10 Conversor DC-DC de ponte completa. ....................................................... 15
Figura 11 Ponto de operação do método de MPPT de condutância incremental. ................ 16
Figura 12 Curva de potência de um PV. ................................................................. 17
Figura 13 Caracteristica I-V típica de um PV. .......................................................... 18
Figura 14 Implementação de controlo MPPT baseado em lógica difusa. ........................... 18
Figura 15 Implementação de control MPPT baseado em redes neuronais. ........................ 19
Figura 16 Implementação do controlo MPPT baseado na tensão do condensador DC. .......... 20
Figura 17 Modelo eléctrico do um painel fotovoltaico: (a) ideal, (b) real......................... 21
Figura 18 Curvas Corrente/Tensão (a) e Potência/Tensão (b). ..................................... 22
Figura 23 Modelo usado em PSIM® para simular um painel solar. .................................. 24
Figura 24 Bloco do painel solar em PSIM®. .............................................................. 25
Figura 25 Conversor Interleaved boost de duas fases. ................................................ 28
Figura 26 Modo 0 com S1 e D1 em condução e S2 e D2 abertos. .................................... 29
Figura 27 Modo 1 com S1 e S2 em condução e D1 e D2 abertos. .................................... 29
Figura 28 Modo 2 com S1 e D1 abertos e S2 e D2 em condução. .................................... 30
Figura 29 Modo 3 com S1 e S2 abertos e D1 e D2 em condução. .................................... 30
Figura 30 Formas de onda genéricas do conversor interleaved de duas fases. ................... 31
vi
Lista de Tabelas
Tabela 1 Características do Painel Fotovoltaico. ...................................................... 25
Tabela 2 Características do sistema a desenvolver. ................................................... 26
Tabela 3 Resumo das características das topologias de conversores. .............................. 27
Tabela 4 Especificações do conversor interleaved boost. ............................................ 32
vii
Abraviaturas e Símbolos
AC – Alternated Current
CAD - computer-aided design
CC – Corrente contínua
DC – Direct Current
DSP - Digital Signal Processor
HFT – High Frequency Transformer
ip – Corrente do painel solar
iref – Corrente de referência
MPP – Max power point
MPPT – Max power point tracker
PSIM – Powersim
PV – Photovoltaic Cell
PPV – Potência do módulo fotovoltaico
PWM - Pulse-width modulation
Rp – Resistência em paralelo
Rs – Resistência em serie
vlink – Tensão da ligação DC
viii
ix
Capítulo 1
Introdução
Desde a descoberta do petróleo começaram a ser desenvolvidas técnicas de obtenção
de energia cada vez mais sofisticadas, mas sempre com base neste e noutros combustíveis
fósseis. Uma vez que um combustível deste tipo demora milhões de anos a regenerar-se
podemos considerá-lo como não renovável e, portanto, deveremos considerar uma possível
escassez. Além disto, a utilização destas energias tem um elevado impacto no ambiente
prejudicando todos. É importante melhorar o rendimento no uso destes combustíveis e
substitui-los, gradualmente, por energias renováveis como o sol, água, vento, etc. A
utilização de energias renováveis é uma opção cada vez mais viável.
Esta tese intitula-se “Controlo de um Conversor CC/CC para Módulos Fotovoltaicos”. O
principal objectivo deste estudo é o desenvolvimento e controlo de um conversor DC-DC que
obtenha a máxima potência de módulos fotovoltaicos para posterior injecção na rede através
de um inversor.
Este trabalho encontra-se dividido em capítulos, sendo que a cada capítulo
corresponde uma etapa da evolução da tese.
O presente capítulo é composto pela Introdução, onde se pretende expor os factores
que motivaram a escolha do tema para esta tese, bem como os seus objectivos e uma
descrição sumária do que é abordado ao longo dos restantes capítulos da tese.
O segundo capítulo contém o estado actual do conhecimento relativo aos temas
afectos a este estudo: painéis fotovoltaicos, sistemas fotovoltaicos, topologias de conversão
para ligação á rede, conversores DC-DC e controladores do tipo MPPT.
Do terceiro ao quinto capítulo (inclusive) apresentam-se os modelos associados aos
subsistemas, o algoritmo de controlo, e a simulação e análise. Todo o conteúdo destes três
capítulos é referente à parte experimental da tese.
O último capítulo engloba a conclusão, que relata os principais tópicos referidos no
desenvolvimento do estudo.
1
1.1 Objectivos do Trabalho
Este trabalho tem como principal objectivo o desenvolvimento de um sistema CC
constituído por painéis fotovoltaicos, conversor CC-CC e controlo de extracção de máxima
potência para posteriormente ligação à rede eléctrica por meio de um inversor.
Serão utilizados softwares de simulação tais como:
I.
2

PSIM® - Desenho, simulação e implementação

MATLAB® - Ambiente de programação em linguagem de alto nível.
Estudo do estado da arte dos sistemas fotovoltaicos;
II.
Modelização matemática dos vários subsistemas da topologia seleccionada;
III.
Desenvolvimento de um algoritmo de controlo do conversor CC-CC;
IV.
Simulação e análise comparativa das topologias “Multistring” e Inversor central;
V.
Projecto baseado em CAD do sistema.
Capítulo 2
Estado da Arte
4.1 Painéis fotovoltaicos
A tecnologia fotovoltaica permite gerar corrente contínua a partir de semicondutores
quando estes são iluminados por fotões. As células solares não necessitam de recarga como
uma bateria. Estas, enquanto recebem energia solar, produzem energia eléctrica e assim que
a luz deixa de incidir na célula, a produção pára [1].
2.1.1 História
A história das células fotovoltaicas remota ao século XIX quando a primeira, de 30cm2
de área, foi intencionalmente produzida por Fritts [1, 2] ao derreter Selénio (Se) numa folha
fina num substrato de metal pressionando, posteriormente, uma película de ouro como
contacto superior. Embora a época moderna, nesta matéria, tenha começado em 1954 com a
descoberta da tensão que os díodos de junção pn [3, 4] libertavam quando se lhes incidia luz,
foi nos anos 80 que a indústria começou a amadurecer devido ao foco na produção e custos.
Novas tecnologias começaram a surgir a partir do Governo, Universidades e laboratórios
industriais. A companhia britânica BP Solar adquiriu patentes de electrodeposição de finas
camadas de células solares CdTe [5] em 1989 e também da Universidade de New South Wales
(Australia) de modo a fabricar as células Laser-Grooved Buried-Grid (LGBG), que se tornaram
as células de silicone mais eficientes em fabrico. Em 1999, a BP Solar possuía as três opções
de tecnologia: tecnologia de silício, camadas finas e concentrados (em Novembro de 2002
esta empresa encerrou as duas fábricas de camadas finas que possuía para se concentrar na
produção de painéis fotovoltaicos com a tecnologia de silício [1]). Entretanto, o Japão [6]
incentivou a investigação em tecnologias inovadoras, aumentando, assim, o seu domínio no
mercado.
Devido a problemas de custos, a “salvação” das empresas foi vender células PV a
pequenos consumidores, para aplicações de pequena escala, o que lhes potenciava pequenos
lucros enquanto continuavam as suas pesquisas em módulos [1].
O maior interesse continuou na Europa e no Japão [6] devido, principalmente, ao
apoio governamental. Ainda nos anos 90, um importante desenvolvimento foi a construção de
PV’s integrados, onde as células PV são incorporadas num produto standard de um edifício,
3
como por exemplo uma janela, diminuindo, assim, o custo do PV [7, 8]. Condições de
pagamento de PV’s (empréstimos) e ganho monetário em troca de energia privada para a
pública, é um dos métodos mais populares para aumentar a venda de PV’s.
2.1.2 Modelos e circuitos equivalentes
4.1.4.1 Modelos com um e dois díodos
Um PV pode ser expresso por um circuito equivalente, como demonstrado na Figura 1.
Neste modelo de um díodo, os parâmetros principais são a tensão de circuito aberto e a
corrente de curto-circuito. A corrente de curto-circuito depende da insolação enquanto a
tensão de circuito aberto depende do material e da temperatura [9, 10].
Figura 1 Modelo PV com um díodo.
Este modelo de um díodo é o mais utilizado, pois representa suficientemente bem as
características de um PV e o seu dinamismo [9]. Contudo, existe um modelo mais completo,
modelo de dois díodos, que é menos usado devido à sua complexidade. Este modelo,
representado na Figura 2, representa de uma forma mais realista o PV [11].
Figura 2 Modelo PV com dois díodos.
4
4.1.4.2 Modelo de um díodo sem resistências
Para simplificar, as resistências podem ser retiradas do modelo. A resistência R p é
grande o suficiente para se poder considerar um circuito aberto e R s é suficientemente
pequena para se considerar um curto-circuito. Desta forma, obtemos o modelo da Figura 3,
uma modelo mais simples que os anteriores. Neste modelo é negligenciado o facto de a
insolação causar diferenças de temperatura, uma vez que este efeito é muito lento [9, 12].
Figura 3 Modelo PV de um díodo simplificado.
2.1.3 Influência climática no desempenho dos painéis fotovoltaicos
O desempenho de qualquer painel está dependente de dois factores climáticos, a
temperatura do painel e a radiação solar que nele incide.
Para construir um modelo que simule a curva de Corrente/Tensão de um verdadeiro
painel fotovoltaico é necessário que este tenha em conta os dois factores apresentados em
cima. O modelo tem que ser capaz de simular a curva correspondente à temperatura e
radiação dadas, mesmo que sejam diferentes das de referência (1000W/m2 para a radiação e
25ºC para a temperatura.
3.1.4.1 Radiação Solar
A influência da radiação solar incidente num painel solar é notada na corrente gerada
por este. A tensão de circuito aberto (VOC) sofre muito pouca alteração com este fenómeno,
decrescendo bastante apenas quando a radiação está muito perto do zero, isto é, quando está
praticamente escuro. A relação da corrente com a radiação solar é proporcional e pode ser
descrita pela equação
ISC  I 'SC 
G
Gref
(3.9)
onde I’SC é a corrente de curto-circuito nas condições de referência, Gref é a radiação solar
de referência e G a radiação solar para a qual se pretende calcular a corrente.
5
Figura 4 Curva I/V com diferentes radiações solares.
De seguida apresentam-se, na figura 20, as curvas características de Potência/Tensão
com a variação da radiação solar. Como se pode observar, com a diminuição da radiação a
potência sofre uma grande variação negativa, proporcional como a corrente.
Figura 5 Curva P/V com diferentes radiações solares.
3.1.4.2 Temperatura
Ao contrário da radiação solar, a temperatura tem um maior influência na tensão
fornecida pelo painel solar, esta varia inversamente com a temperatura, isto é, quanto maior
6
a temperatura, menor será a tensão. Quanto à corrente, esta apresenta uma ligeira subida
com a temperatura como se pode verificar na figura 21.
Figura 6 Curva I/V com diferentes temperaturas.
Na figura 22 podem-se observar as curvas de potência com diferentes temperaturas.
Como seria de esperar, a potência é tanto menor quanto maior é a temperatura.
Figura 7 Curva P/V com diferentes temperaturas.
7
4.2
Sistemas Fotovoltaicos
Toda a economia mundial depende drasticamente da energia. Deste modo, o uso de
petróleo, gás natural e carvão, principais fontes de energia, tem aumentado todos os anos
[13].
Com o problema do aumento do consumo de energia eléctrica e com a dependência
cada vez maior da utilização de combustíveis fosseis, a comunidade internacional tem
procurado alternativas menos ofensivas para o ambiente e, por outro lado, inesgotáveis [14].
A melhor forma de obter energia eléctrica, sem prejudicar o ambiente e sem a
preocupação de reservas naturais, é a utilização de energias renováveis. Estas existem em
qualquer parte do planeta em abundância, são sustentáveis e o seu uso não destrói o
ambiente de qualquer forma. [15]
O aumento na procura de energias renováveis fez com que várias comunidades
científicas investissem para que a energia fotovoltaica se tornasse economicamente viável e
para que o rendimento dos painéis fotovoltaicos seja cada vez maior bem como todos os
sistemas a eles ligados [16].
O custos associados ao uso da energia solar são baixos uma vez que, adquirido o
sistema de conversão de energia, serão apenas necessárias pequenas manutenções.
O motivo pelo qual não é ainda muito usual este tipo de sistemas reside no facto de
os módulos fotovoltaicos serem caros [17] e a sua eficiência não ultrapassar, normalmente, os
15% [18].
Os sistemas fotovoltaicos mais usuais são [9, 19]:

Sistemas ligados à rede

Sistemas isolados/independentes da rede
2.3.1 Sistemas de painéis fotovoltaicos ligados à rede eléctrica
Nestes sistemas, os painéis fotovoltaicos são ligados à rede por meio de um inversor e
não é necessário armazenamento de energia uma vez que toda a electricidade produzida
durante o dia é consumida. Quando falamos de sistemas ligados à rede, podemos falar de
sistemas descentralizados ou centralizados. A diferença reside principalmente na potência
gerada. O primeiro sistema é normalmente utilizado em habitações domésticas e, por isso, de
potência inferior uma vez que são mais pequenos, servindo para alimentar a casa e, quando a
energia não for toda consumida, injectar potência na rede. O segundo é mais utilizado, por
exemplo para centrais fotoeléctricas, em que a potência pode ir dos kilowatts até aos
megawatts e pode ser injectada directamente na rede de média e alta tensão, sempre por
meio de um inversor.
8
2.3.2 Sistemas isolados/independentes da rede
Muitas vezes é mais vantajoso usar sistemas fotovoltaicos para alimentar cargas do
que fazer uma ligação à rede eléctrica. São sistemas autónomos e auto-suficientes.
O armazenamento de energia é necessário uma vez que, em caso de não haver luz
solar, a carga necessita de ser alimentada constantemente.
4.3 Topologias de conversão para ligação à rede
A electrónica de potência é a base da conversão de energia eléctrica e tem sido alvo
de constante evolução ao longo dos últimos anos. O objectivo é aumentar a eficiência e
reduzir os custos de utilizar energias renováveis para fornecimento de electricidade. Existem
três classificações para topologias de ligação à rede baseadas na utilização do inversor [9,
20]:

Sistema de inversor central (centralized inverter system [21])

Sistema de string com inversor (string inverter system [22])

Sistema de multistring com inversor (multistring inverter system [23])
9
2.3.1 Sistema de inversor central:
Figura 8 Sistema de inversor central.
Neste sistema, os módulos fotovoltaicos estão ligados em série e em paralelo de
forma a obter-se a potência desejada. É usado apenas um inversor no barramento DC pelo
que todo o equipamento de controlo está situado neste mesmo módulo. As perdas de energia
são maiores que num sistema de string uma vez que não é possível controlar o ponto de
potência máxima de cada módulo em separado. Vários factores podem influenciar o
rendimento do sistema como, por exemplo, sombras, pó, folhas, etc. O baixo rendimento de
um módulo prejudica todos os outros. Pode não ser necessário o uso de um boost uma vez que
os módulos em série podem fornecer a tensão necessária [9, 21].
10
2.3.2 Sistema de string com inversor:
Figura 9 Sistema de string com inversor.
No sistema de strings, um inversor é ligado a cada string de módulos fotovoltaicos que
podem estar ligados em série e paralelo. Se a tensão fornecida pelos painéis em série for
suficiente, não é necessário o uso de um boost, caso contrário é possível aplicar um conversor
DC-DC do lado do de corrente contínua, para aumentar a tensão ou então um transformador
de alta frequência. É ainda possível implementar um controlador MPPT em cada string para
aumentar o seu rendimento. Controlar separadamente cada string permite que o baixo
rendimento de uma destas não prejudique o sistema todo [9, 22].
11
2.3.3 Sistema multistring com inversor:
Figura 10 Sistema multistring com inversor.
No sistema de multistring, há um inversor DC-AC comum a que estão ligados os vários
conversores DC-DC integrados em cada string do sistema. A vantagem em relação ao sistema
referido anteriormente é poder ligar e desligar módulos separadamente de modo a ser obtida
a potência desejada no momento, ou seja, a potência requerida pelo inversor. As perdas no
inversor são semelhantes às do sistema anterior. É possível optimizar separadamente cada
módulo, controlo do ponto de potência máxima, com o conversor DC-DC individual levando a
uma maior eficiência de todo o sistema [9, 23].
4.4 Conversores DC-DC
Os conversores DC-DC são largamente usados para regular uma tensão contínua de
uma fonte irregular como, por exemplo, um painel fotovoltaico em que a tensão depende da
temperatura e insolação captada. Estes conversores pegam na tensão de entrada e
convertem-na para um nível desejado. Dependendo da aplicação, podem ser usados
conversores com isolamento por transformador ou não isolados. Uma vez que para isolar um
conversor é necessário apenas adicionar o transformador, apenas se falará dos não isolados.
12
Serão apresentados os seguintes conversores DC-DC [24-26]:

Conversor Buck (Step-Down) [27]

Conversor Boost (Step-up) [28]

Conversor Buck-Boost (Step-down/Step-up) [29]

Conversor de ponte complete (Full-bridge) [30]
2.4.1 Conversor Buck (Step-Down)
O conversor buck é normalmente usado para fontes de tensão reguladas e para
regular a velocidade de motores. O valor da tensão na saída é sempre igual ou inferior ao da
entrada, sendo este regulado pelo duty cycle do sinal PWM aplicado ao interruptor.
Figura 11 Conversor DC-DC Buck
Quando o interruptor está a conduzir, o díodo fica inversamente polarizado e a
entrada fornece energia à carga assim como à bobine. Quando o interruptor está aberto, a
energia acumulada na bobine flui pelo díodo e ao mesmo tempo alimenta a carga.
2.4.2 Conversor Boost (Step-Up)
O conversor boost é maioritariamente usado em fontes de tensão reguladas DC e em
sistemas regeneração de energia na travagem de motores. Como o próprio nome indica, StepUp (subidor), este conversor tem uma tensão de saída sempre superior à tensão de entrada.
Figura 12 Conversor DC-DC Boost
13
Quando o interruptor está a conduzir, o díodo está inversamente polarizado isolando,
assim, a saída. A entrada fornece energia à bobine. Quando o interruptor está aberto, a saída
recebe a energia da bobine assim como da entrada.
2.4.3 Conversor Buck-Boost (Step-down/Step-up)
A tensão de saída destes conversores pode ser igual, maior ou menor que na entrada.
É usado em fontes de tensão DC reguladas em que pode ser desejada uma polaridade negativa
em relação ao terminal comum da tensão de entrada. Este tipo de conversor pode ser obtido
juntando em cascata os dois conversores básicos: buck e boost. Estes dois conversores podem
ser combinados em apenas um: um conversor buck-boost como apresentado na Figura 9. Com
o interruptor em condução, a entrada fornece energia à bobine e o díodo encontra-se
inversamente polarizado. Com o interruptor aberto e energia armazenada na bobine é
passada para a carga. Durante este intervalo a entrada não fornece energia à carga.
Figura 13 Conversor DC-DC Buck-Boost.
2.4.4 Conversor DC-DC de ponte completa
Os conversores de ponte completa têm a particularidade de permitir que a energia
flua para ambos os lados, tanto da entrada para a saída como da saída para a entrada. Há três
aplicações distintas para o uso deste tipo de conversores:
14

Controlo de motores DC

Conversão DC-AC para fontes de tensão sinusoidal

Conversão DC-AC com isolamento por transformador de alta frequência
Para estas três aplicações, o modelo é o mesmo mudando apenas o tipo de controlo.
Este conversor pode operar nos quatro quadrantes do plano i-v e a potência pode fluir em
qualquer direcção.
Figura 14 Conversor DC-DC de ponte completa.
Uma vez que o objectivo do trabalho é obter o máximo rendimento de painéis
fotovoltaicos, este conversor não será necessário, pois apenas é relevante que a potência flua
num único sentido: do painel para o barramento DC.
4.5 Controladores tipo MPPT
O objectivo dos MPPT é atingir o máximo poder disponível das células solares. Um
sistema que seja composto por vários módulos fotovoltaicos posicionados de forma diferente
deve possuir sistemas individuais de modo a assegurar o MPP para cada módulo [31].
Serão faladas as seguintes técnicas [9]:

Condutância incremental [32]

Perturbação e observação [33]

Linearização das características I-V

Lógica difusa [34]

Redes neuronais [35]

Tensão no condensador DC [36]
15
4.1.1 Condutância Incremental
Uma das técnicas de MPPT mais utilizadas denomina-se de condutância incremental.
O princípio desta técnica baseia-se no facto de que o valor da soma das condutâncias
instantâneas I/V e da condutância incremental ΔI/ΔV é zero no MPP, negativo à direita do
MPP e positivo à esquerda do MPP.
Figura 15 Ponto de operação do método de MPPT de condutância incremental.
O incremento ou decremento é alterado nas seguintes condições: se não ocorrer
alteração nem na corrente nem na tensão simultaneamente, não é necessário nenhum
incremento ou decremento na corrente de referência; se ocorrer alteração positiva na tensão
e não houver nenhuma alteração na corrente, a corrente de referência deve aumentar; se
ocorrer alteração negativa na tensão e não houver nenhuma alteração na corrente, a corrente
de referência deve diminuir. Caso a mudança de corrente seja zero enquanto ΔV/ΔI = -V/I, o
PV encontra-se a operar no MPP. Caso ΔV/ΔI ≠ -V/I e ΔV/ΔI > -V/I, a referência de corrente
deve ser decrementada. Caso ΔV/ΔI ≠ -V/I e ΔV/ΔI <-V/I, a referência de corrente deve ser
incrementada de modo a operar no MPP.
|dP/dV| diminui à medida que o MPP é atingido e aumenta quando o ponto operador
se move na direcção oposta do MPP. Sendo assim, para obter-se o MPP operativo é necessário
calcular o valor de |dP/dV|, resultado da medida da condutância incremental e instantânea
do vector PV, isto é, ΔV/ΔI e V/I.
4.1.2 Perturbação e observação
A técnica de perturbação e observação é muito comum, também, devido à fácil
aplicação e à sua estrutura relativamente simples. Na Figura 12 pode-se ver uma curva de
potência típica de um PV.
16
Figura 16 Curva de potência de um PV.
Através da figura, observa-se que uma alteração na corrente em qualquer sentido leva
a uma alteração na potência retirada do PV. Se a alteração na potência for positiva, então há
uma aproximação ao MPP, neste caso, a próxima alteração na corrente deve ser no mesmo
sentido. Caso contrário, caso a alteração na potência seja negativa, há um afastamento do
MPP e a próxima alteração na corrente deve ser no sentido oposto.
Para implementação do método são dados valores iniciais, de forma empírica, à
corrente (Iref) e à diferença da corrente (ΔIref). Posteriormente, a potência associada a essa
mesma corrente é medida na saída do PV: PPV(k). À corrente de referência é aplicado um
incremento ou decremento como perturbação e o novo ponto potência torna-se PPV(k+1). É
agora determinado se PPV(k+1) > PPV(k) ou PPV(k+1) < PPV(k) para determinar a direcção do
próximo incremento.
4.1.3 Características I-V linearizadas
As características I-V dependem da tensão, do nível de insolação e da temperatura.
Algumas propriedades importantes para a arquitectura de um controlador MPPT podem ser
explicadas a partir destas mesmas características referidas desta forma:
VI.
Um PV consiste em dois segmentos de operação, na curva I-V há a parte de corrente
constante (um dos segmentos) e a parte de tensão constante (o outro segmento).
Desta forma é possível linearizar a curva I-V nos dois segmentos com a equação da
recta I p   mV p  b em que m é a condutância do PV.
17
Figura 17 Caracteristica I-V típica de um PV.
VII.
O MPP ocorre no joelho da característica I-V do PV
VIII.
A derivada da recta I p   mV p  b deve ser zero para que ocorra o MPP e desta
forma se a derivada for negativa Ip deve aumentar e se a derivada for positiva Ip deve
diminuir.
4.1.4 Controlo MPPT baseado em lógica difusa (Fuzzy)
Com o avanço dos micro-controladores e DSP’s, os controladores fuzzy começaram a
ter mais interesse para algoritmos MPPT. Com este tipo de controladores é possível trabalharse com entradas imprecisas e não é preciso um modelo dinâmico muito preciso. Os
controladores fuzzy têm três estados:

Fuzzificação – O controlador converte as variáveis de entrada fornecidas pelos
sensores de corrente e tensão.

Aplicação dos operadores fuzzy para determinar a acção a tomar.

Desfuzzificação – O controlador produz uma saída que vai afectar o MPPT.
Figura 18 Implementação de controlo MPPT baseado em lógica difusa.
18
4.1.5 Controlador MPPT baseado em redes neuronais
Tal como os controladores fuzzy, também os controladores inteligentes baseados em
redes neuronais são implementados com a ajuda de micro-controladores e DSP’s. As redes
neuronais são, normalmente, constituídas por três camadas:

Camada de entrada(s)

Camada escondida

Camada de saída(s)
Como controlador MPPT, as redes neuronais recebem, como entrada, parâmetros
atmosféricos e parâmetros dos módulos fotovoltaicos, tais como a radiância, temperatura,
tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito. Na camada escondida são aplicados os
pesos em cada nó e é processado o duty-cycle que a camada de saída irá transmitir ao
conversor.
A eficácia de uma rede neuronal depende de quão bem foi treinada e do algoritmo
usado nas camadas escondidas.
Figura 19 Implementação de control MPPT baseado em redes neuronais.
4.1.6 Controlo MPPT baseado na tensão do condensador DC
Em alguns casos, em que o sistema fotovoltaico tem que ser ligado à rede eléctrica,
usa-se uma técnica de MPPT especialmente desenvolvida denominada de controlo MPPT
baseado na tensão do condensador da ligação DC. Na Figura 16 observa-se um diagrama de
blocos deste controlo.
19
Figura 20 Implementação do controlo MPPT baseado na tensão do condensador DC.
O duty-cycle ideal para um conversor boost em estado estacionário é dado por:
d  1
V
Vlink
Em que d é o duty-cycle, V é a tensão à entrada do conversor e Vlink é a tensão da
ligação DC. Vlink pode ser mantido constante enquanto a potência requerida pelo inversor
não for superior à potência gerada pelos módulos fotovoltaicos, caso contrário esta tensão
cai. O ponto de potência máximo (MPP) ocorre imediatamente antes da tensão Vlink cair.
Embora não seja necessário computação das entradas, este método é menos eficiente que os
anteriormente descritos uma vez que não lê directamente a potência e o atraso na resposta
da malha de controlo da tensão DC afecta directamente a sua resposta.
20
Capítulo 3
Subsistemas a usar
3.1 Painéis Fotovoltaicos
3.2.1 Introdução
A função de um painel fotovoltaico é transformar a energia radiada pelo sol em
corrente eléctrica. É formado por células fotovoltaicas, com capacidade muito limitada de
produção de energia eléctrica, ligadas em série e em paralelo para que os níveis de potência
e tensão sejam satisfatórios. É possível ainda construir um sistema de painéis fotovoltaicos de
grandes potências bastando para isso liga-los em serie e paralelo.
3.2.2 Princípio de funcionamento de um Painel fotovoltaico
Antes de implementar um modelo de um painel fotovoltaico é necessário estudar o
seu funcionamento. Na figura 17 são apresentadas as suas curvas genéricas de
Corrente/Tensão e Tensão/Potência.
O modelo eléctrico usado nesta dissertação é o modelo de um díodo. Na Figura 17
apresenta-se o modelo ideal (a) e real (b) que apenas diferem no uso de resistências serie e
paralelo para simular as perdas.
Figura 21 Modelo eléctrico do um painel fotovoltaico: (a) ideal, (b) real.
21
Figura 22 Curvas Corrente/Tensão (a) e Potência/Tensão (b).
O painel é, então, modelado por uma fonte de corrente dependente, cujo valor
depende da radiação solar e temperatura do painel, um díodo em paralelo com a fonte de
corrente cuja característica varia com a temperatura do painel e com a carga a ele aplicada,
uma resistência em paralelo (Rs) que simula as correntes de fuga e uma resistência em serie
(Rp) com a carga que caracteriza as perdas de condução.
3.2.3 Cálculo dos parâmetros do modelo equivalente
O modelo real da figura 17 é usado em conjunto com as seguintes equações, para que
se possa expressar as curvas Corrente/Tensão de acordo com [10]
I  I ph  I D  I P
,
 S 
I ph  I SC 
  J o (T  Tref )
 1000 
,
22
(3.1)
(3.2)
  q(V  RS I )  
I d  I o exp 
  1
 ,
  nkT
(3.3)
 qE 


 exp  g  1  1 

 nk  Tref T 

,
(3.4)
(V  RS I )
RP
,
(3.5)
 T
I o  I do 
T
 ref
IP 
3
Em que S é a radiância solar em W/m2, Tref é a temperatura de referência (298,15K),
T a temperatura do módulo fotovoltaico, Eg a energia de banda de cada célula
semicondutora, k é a constante de Boltzmann, q é a carga do electrão, RS o valor da
resistência em serie, RP o valor da resistência em paralelo, n é o factor de idealidade do
diodo, Ido a corrente inversa do diodo, ISC é a corrente de curto-circuito com valores de
referência (S=1000W/m2 e T=25ºC (298,15K)) e Jo é o coeficiente de temperatura de ISC.
A partir de (3.4) verifica-se que Ido e Eg não são independentes um do outro, usa-se
(3.6) para calcular Eg e (3.7) para calcular Ido que apenas depende das características fixas
do painel

T2 
4

E g  N s  E gref  7.02 *10 .
T  1108 

,
I do 
(3.6)
I SC
 qVOC
exp 
 nkTN s
 
  1
 ,
(3.7)
As resistências, serie e paralelo, são parâmetros muito importantes no modelo uma
vez que existe um par que maximiza a potência. De acordo com [37] os seus valores podem
ser estimados através de um método iterativo no qual se inicia RS em zero e se calcula RP
com a equação (8). É depois aplicado um algoritmo iterativo em que se parte do princípio que
para qualquer valor de RS existe um valor de RP que satisfaz a curva de potência máxima.
Assim que o erro da potência for inferior à tolerância pretendida obtemos os valores de RS e
Rp optimizados.
R p ,min 
Vmp
I SC  I mp

VOC  Vmp
I mp
,
(3.8)
23
Há três pontos de funcionamento de um painel que devem ser destacados,
Tensão de Circuito Aberto (VOC): Este ponto acontece quando a carga nos terminais
do painel é zero, isto é, não há corrente a circular (Ipv=o). A tensão fornecida é máxima
neste ponto (Vpv=VOC).
Corrente de Curto-Circuito (ISC): Quando a carga nos terminais do painel é demasiado
elevada atingimos o ponto de curto-circuito em que a tensão é zero (Vpv=0) e a corrente é
máxima (Ipv=ISC)
Ponto de Potência máxima (MPP): Para qualquer curva I/V de um painel o produto
tensão vs. Corrente representa a potência gerada por ele nesse ponto. Existe apenas um
ponto em cada curva cuja potência é máxima, que corresponde ao MPP em que Ipv=Impp e
Vpv=Vmpp.
3.2.4 Implementação do modelo em PSIM®
Tendo todas as equações associadas ao painel solar foi possível implementar um
modelo em PSIM® [37] para obter os resultados de acordo com o datasheet do painel
fotovoltaico escolhido para as simulações.
Figura 23 Modelo usado em PSIM® para simular um painel solar.
3.2.5 Simulação
O modelo de [37] foi ajustado de forma a simular o painel fotovoltaico Sharp modelo
NUE235E1. Foram feitos testes ao modelo variando a radiação e a temperatura para confirmar
24
a validade do mesmo. Como comparação usou-se o datasheet do fabricante. As características
do modelo simulado são as seguintes:
Tabela 1 Características do Painel Fotovoltaico.
Sharp NUE235E1 (1000 W/m2 e 25ºC)
Potência
250
W
ISC
8,6
A
VOC
37
V
Impp
7,84
A
Vmpp
30
V
O objectivo da dissertação é simular strings de 3,3Kw de potência e por isso foi
necessário alterar o modelo para que a tensão, potência e corrente correspondessem a
catorze painéis, dos acima referidos, em serie. Foi então criada uma máscara (bloco da figura
25) para simplificar o uso do painel.
Figura 24 Bloco do painel solar em PSIM®.
3.2 Conversor DC-DC
3.2.1 Escolha da topologia a adoptar
Pretende-se desenvolver um sistema de energia renovável baseado em painéis
fotovoltaicos capaz de extrair a máxima potência dos mesmos. É objectivo de estudo a
topologia dos conversores necessários e também a do próprio sistema, ou seja, se será
Inversor central ou multi-string com inversor.
25
Os requisitos dos conversores podem ser deduzidos através das características do
sistema pretendido, apresentadas na Tabela 1.
Tabela 2 Características do sistema a desenvolver.
Sistema:
Potência por string
Corrente máxima por string
3,3
kW
11
A
98,5
%
280-518
V
770
V
235
W
VOC
37
V
ISC
8,6
A
30
V
7,84
A
Rendimento (europeu)
Gama de tensão de entrada
Tensão na saída
Painel fotovoltaico:
Potência
Vmppt
Imppt
Para que a potência por string seja de 3,3kW é necessário ligar 14 painéis
fotovoltaicos em série para que Vmppt seja de 420V e Imppt se mantenha nos 7,84A.
A escolha de um conversor DC-DC depende maioritariamente do uso, ou não, de
transformador de alta frequência (HFT) e das áreas em que vão ser aplicados. Quando o uso
de HFT é dispensado, podem ser usadas as topologias boost, buck, buck-boost ou qualquer
outra variante. Quando o HFT é um requisito, é necessário optar por uma topologia forward,
push-pull, flyback, meia ponte, ponte completa ou outras variantes[38].
Os conversores forward e flyback são mais utilizados para potências baixas (até 250W
no caso do flyback) devido à baixa utilização dos componentes magnéticos e à excitação do
núcleo ser unilateral.
Para aplicações de média potência são preferidos conversores com excitação do
núcleo bilateral porque utilizam, assim, melhor os componentes magnéticos. O push-pull, a
meia ponte e a ponte completa são bons exemplos. Estas topologias são geralmente usadas
em aplicações de 750W ou mais. A topologia push-pull providencia a função de boost tanto na
bobina como no transformador, reduzindo assim as voltas do transformador. O lado negativo
desta topologia é o facto de serem necessários interruptores com bloqueio de tensão muito
elevados e o transformador apresenta alguns problemas de construção. Comparando a
topologia de meia ponte e ponte completa com a push-pull, estas fazem uma boa utilização
do transformador, devido excitação bilateral, e têm uma boa performance com controlo por
corrente. As principais desvantagens são a utilização de mais componentes, um número
26
elevado de voltas no transformador para atingir níveis de tensão elevados e a complexidade
do controlo elevada [39].
O uso de HFT, ou seja, o uso de isolamento, não é um requisito neste sistema. Para
além deste facto, estes transformadores são normalmente muito dispendiosos, implicam
perdas consideráveis nos conversores e necessitam de uma frequência de 20kHz a 100kHz
para terem uma dimensão sensivelmente pequena.
Na tabela 2 encontra-se um resumo das topologias referidas.
Tabela 3 Resumo das características das topologias de conversores.
Topologia
Complexidade
do controlo
switches
Característica
HFT
Boost
Baixa
1
Step-up
Não
Buck-boost
Baixa
1
Step-up/down
Não
Buck
Baixa
1
Step-down
Não
Flyback
Baixa
1
Step-up/down
Sim
Forward
Baixa
1
Step-down
Sim
Meia ponte
Média
2
Step-up/down
Sim
Ponte completa
Média
4
Step-up/down
Sim
Push pull
Média
2
Step-up
Sim
Das topologias sem HFT, boost, buck, buck-boost apenas a primeira faz sentido para o
sistema uma vez que a tensão máxima por string não ultrapassa os 518V e a tensão de saída
desejada é 770V. Pode-se assim descartar os conversores buck e buck-boost.
O conversor boost retira da fonte uma corrente praticamente contínua sem necessitar
de nenhum estado adicional. O problema desta topologia na sua configuração mais básica é o
ripple de corrente. Este pode ser reduzido com o aumento da frequência do switch,
aumentando, consequentemente, as suas perdas.
Para manter a eficiência em níveis aceitáveis é proposta a configuração Interleaved
boost (Figura 17)[40]. A principal vantagem em relação ao boost tradicional é a redução
considerável do ripple de corrente sem necessidade de aumentar a frequência dos switches
desde que o controlo seja o adequado [41]. Para isto é necessário que os sinais de controlo de
S1 e S2 tenham um desvio de fase de 360º/N entre si, em que N é o número de fases. A
corrente retirada da fonte é dividida pelos estados em paralelo, deste modo, para uma saída
com a mesma potência, um interleaved boost necessita de componentes com características
de corrente menores do que um boost tradicional. Em contrapartida esta topologia utiliza um
número superior de componentes o que pode aumentar as perdas. Comparam-se, então, as
perdas de um conversor boost com as de um interleaved de N fases. As perdas num
interruptor consistem em perdas de comutação e de condução. As perdas por comutação são
27
expressas em função da tensão, corrente, tempo e frequência como mostrado em (3.10). Em
(3.11) estão expressas as perdas por condução. Num interleaved boost a corrente em cada
interruptor pode ser reduzida em 1/N vezes, com N igual ao número de fases, tal como as
perdas se reduzem da mesma forma [41].
I
1
PSSL  Vout in (t on  t r  t off  t f ) f S
2
N
PSCL
I 
 RDSON D in 
N
(3.10)
2
(3.11)
Nos diodos são calculadas perdas de condução e de recuperação (3.12) e (3.13)
PDCL  VF
I out
D
N
(3.12)
1
I 
PDRRL  Vout  RM t rr f S
2
 n 
(3.13)
As perdas da bobina são no núcleo e no cobre. A corrente DC apenas afecta as perdas
no cobre que podem ser expressas por (3.14).
PLCPL
I 
 RW  in 
N
2
Será, portanto, a melhor escolha para o sistema definido.
Figura 25 Conversor Interleaved boost de duas fases.
28
(3.14)
3.2.2 Funcionamento em regime permanente
O conversor proposto funciona em 4 modos diferentes dependendo do estado dos seus
interruptores. São ilustrados estes modos nas seguintes figuras.
Figura 26 Modo 0 com S1 e D1 em condução e S2 e D2 abertos.
Neste modo o interruptor S1 está em condução, a tensão nos terminais da bobina L2 é
Vpv permitindo armazenar energia e aumentando linearmente a corrente na mesma. A tensão
no diodo D2 é -Vo e por isso este comporta-se como um interruptor aberto.
Figura 27 Modo 1 com S1 e S2 em condução e D1 e D2 abertos.
O interruptor S2 entra em condução fazendo com que a tensão na bobina L1 seja V pv.
Neste modo ambas as bobinas estão a armazenar energia, a corrente de entrada sobe e o
condensador na saída está a ser descarregado. Os diodos D1 e D2 não estão a conduzir.
29
Figura 28 Modo 2 com S1 e D1 abertos e S2 e D2 em condução.
O interruptor S1 abre, fazendo com que L2 entregue a energia armazenada à carga. A
corrente de entrada começa a decrescer a partir deste momento, ao contrário da tensão no
condensador de saída, que começa a aumentar. D2 começa a conduzir.
Figura 29 Modo 3 com S1 e S2 abertos e D1 e D2 em condução.
Ambos os interruptores S1 e S2 estão abertos fazendo com que as bobinas L1 e L2
entreguem a energia armazenada à carga. Os diodos D1 e D2 estão em condução. A corrente
na entrada está a descer linearmente enquanto a tensão no condensador de saída está a
subir.
Para melhor se perceber o funcionamento deste conversor DC-DC estão na figura 30 as
formas de onda genéricas do comando dos interruptores, das correntes nas bobinas, corrente
de entrada e tensão no condensador de saída.
30
Figura 30 Formas de onda genéricas do conversor interleaved de duas fases.
O
conversor
interleaved
deriva
directamente
da
topologia
boost.
O
seu
dimensionamento é muito semelhante ao deste último. Assume-se que o conversor trabalha
no modo contínuo, que todos os semi-condutores (interruptores e diodos) do conversor são
ideais e que as equações são obtidas através de um balaço de energia nas bobinas. Pode-se,
então, apontar as seguintes equações de dimensionamento [40]:
O duty cycle D pode ser calculado como:
D
Vo  V pv
Vo
,
(3.15)
Componentes passivos:
Através de um balanço de energia é possível calcular o valor de L1 e L2. A corrente na bobina
é dada por
I L 
V pv (Vo  V pv )
f S .L.Vo
,
(3.16)
onde L1=L2=L. Substituindo a equação (3.15) em (3.16) pode-se retirar o valor de L como
31
L
V pv .D
I L . f S
,
(3.17)
O condensador é calculado com
C
I o .D
,
f S .VC
(3.18)
Valores de correntes e tensões:
A tensão máxima que os interruptores S1 e S2 e os diodos D1 e D2 têm que suportar é dada por
VS 1, S 2  VD1, D 2  V pv
1
,
1 D
(3.19)
A corrente fornecida pelos painéis fotovoltaicos à potência máxima é
I pv 
Po
,
V pv .
(3.20)
Num interleaved de duas fases, a corrente rms em cada interruptor é
I S1,S 2 
I pv
P
5 D
,
4
em que P é o número de fases.
3.2.1 Dimensionamento
Na tabela 4 encontram-se as especificações para o conversor.
Tabela 4 Especificações do conversor interleaved boost.
Características do conversor interleaved boost
Tensão de entrada
Tensão de saída
Potência
V
770
V
3300
W
Frequência de comutação
25
kHz
Ripple de corrente nas bobinas
10
%Io
5
%Vo
Ripple de tensão na saída
32
350-518
(3.21)
Número de fases do interleaved
2
Substituindo os valores especificados nas equações em cima enumeradas obtemos:




Cálculo do dytu cycle:
D
770  350
 0.545 ,
770
(3.15)
L
350 * 0.545
 19.8mH ,
0.1 * 4.29 * 25000
(3.17)
C
4.29 * 0.545
 2.4F ,
25000 * 0.05 * 770
(3.18)
Cálculo da bobina:
Cálculo do condensador:
Cálculo da tensão máxima nos semi-condutores:
VS 1, S 2  VD1, D 2  280 *

1
 769V
1  0.64
(3.19)
Cálculo da corrente no ponto de potência máxima com radiância de referência
(1000W/m2) em que a tensão mpp é de 420V e a potência retirada dos painéis é de
3300W. Assumindo um rendimento de 96% temos:
I pv 
3300
 8.18 A
420 * 0.96
(3.20)
em que a corrente rms em cara interruptor é:
I S1,S 2 
8.18 5  0.545
 4.32
2
4
(3.21)
3.3 Controlador MPPT
33
3.4 Carga aplicada ao barramento
34
Capítulo 4
Implementação dos Subsistemas em
software de simulação
35
Capítulo 5
Simulação e Análise
36
Capítulo 6
Conclusões
37
Referências
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
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