projeto de mppt para uma embarcação solar

PROJETO DE MPPT PARA UMA EMBARCAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA
Jefferson Ribeiro de Souza
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção
do título de Engenheiro.
Orientador: Luís Guilherme Barbosa Rolim
Rio de Janeiro
Abril de 2016
PROJETO DE MPPT PARA UMA EMBARCAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA
Jefferson Ribeiro de Souza
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS
NECESSÁRIOS
PARA
A
OBTENÇÃO
DO
GRAU
DE
ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Examinado por:
Prof. Luís Guilherme Barbosa Rolim, Dr.-Ing.
Prof. Walter Issamu Suemitsu, Dr.Ing.
Marcos Dantas Alves dos Santos, M.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
ABRIL DE 2016
Souza, Jefferson Ribeiro de
Projeto de MPPT para uma Embarcação Solar
Fotovoltaica/ Jefferson Ribeiro de Souza. – Rio de
Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2016.
XIII, 71 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Luís Guilherme Barbosa Rolim
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Elétrica, 2016.
Referências Bibliográficas: p. 46-47
1. MPPT 2. Conversor CC-CC 3. Barco Solar
4. Rastreamento da Máxima Potência. I. Rolim, Luís
Guilherme Barbosa. II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia
Elétrica. III. Projeto de MPPT para uma Embarcação
Solar Fotovoltaica.
iii
AGRADECIMENTOS
Toda minha trajetória na Universidade faz parte do sonho de muitos, a começar
por minha mãe, que disse não ao destino mais óbvio para seus filhos e lutou
para que eu estivesse aqui, minha avó que me sustentou com incentivos e
bons conselhos, minha irmã Francini que me inspira e me orgulha, meus tios
Cláudio e Flávio que reforçam este sonho e meu avô querido, um metalúrgico
que agora vê seu neto se tornar engenheiro.
Minha querida Juliana, companheira que escolho amar.
Meu pai que desde que chegou sempre esteve disposto a compartilhar e fazer
o bem. Minhas irmãs Aline, Alícia, Isabela, Ludmila e Mariana.
O LAFAE que me trouxe muito dos bons momentos na UFRJ e neles estão
pessoas como Rolim, Ocione, Dantas, entre outras. E de forma mais distante,
mas com admiração, Walter. Trouxe, também, o contato com muitos colegas,
da engenharia ou não, em ótimos momentos como os que envolveram o
IPUFRJ e o Desafio Solar Brasil. Há, ainda, o colega Felipe Maroja, que
desenvolveu comigo este projeto.
Esta etapa se finda com a certeza de que a UFRJ não só me proporcionou
possibilidades de ensino e pesquisa, como me possibilitou participar do
fascinante mundo da extensão universitária e acreditar que podemos mudar
muito desse mundo tão desigual.
A assistência estudantil, enquanto política nacional e sua presença na UFRJ,
permitiu que esse jovem de origem popular permanecesse na Universidade e
tivesse a chance de se formar. Por isso, não pode ser esquecida.
iv
O movimento estudantil trouxe perspectivas e reflexões que estarão sempre
comigo. Além de me ensinar parte do sentido da luta política.
Por todos e por tudo isso, não me falta gratidão e certeza de que sozinho seria
impossível.
v
“Não escrevo para que outros livros me aprisionem,
nem para encarniçados aprendizes de lírio,
mas para singelos habitantes que pedem
água e lua, elementos da ordem imutável,
escolas, pão e vinho, guitarras e ferramentas.”
A Grande Alegria
(Pablo Neruda)
vi
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à POLI/ UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
PROJETO DE MPPT PARA UMA EMBARCAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA
Jefferson Ribeiro de Souza
Abril/2016
Orientador: Luís Guilherme Barbosa Rolim
Curso: Engenharia Elétrica
O presente trabalho mostra o desenvolvimento de um conversor eletrônico
utilizado em uma embarcação cuja propulsão é elétrica e a fonte de energia é
solar fotovoltaica. Este conversor processa a energia proveniente do arranjo
fotovoltaico conectado em sua entrada e carrega um banco de baterias
utilizado na propulsão da embarcação. São apresentados o projeto e a
implementação do circuito de potência e do controlador do conversor. São
feitas, ainda, breves revisões teóricas acerca dos principais métodos de
rastreamento da máxima potência e do comportamento de baterias de chumboácido. Além disso, é realizada uma descrição do Controlador Digital de Sinais
utilizado para implementação do controlador e de seu ambiente de
desenvolvimento. O circuito de potência consiste em um conversor boost
projetado a partir de uma ponte trifásica de MOSFET’s, já o controlador é
desenvolvido através de simulações em computador e possui algoritmos para
proteção do banco de baterias e para o rastreamento da máxima potência do
arranjo fotovoltaico, caracterizando um MPPT. São apresentados os resultados
dos testes feitos a partir implementação do projeto e, por fim, mostra-se o
comportamento do MPPT durante sua utilização no Desafio Solar Brasil 2015.
Palavras Chave: MPPT, Conversor CC-CC, Barco Solar, Rastreamento da
Máxima Potência
vii
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial
fulfillment of the requirements for the degree of Electrical Engineer.
MPPT PROJECT FOR A PHOTOVOLTAIC SOLAR POWERED BOAT
Jefferson Ribeiro de Souza
April/2016
Advisor: Luís Guilherme Barbosa Rolim
Course: Electrical Engineering
The present work shows the development of an electronic converter used in a
boat with electric propulsion and a solar photovoltaic energy source. This
converter processes the energy coming from the PV array that is connected into
it and loads a battery bank, which will be used to propulsion the boat. The
project and the implementation of the power circuit and the converter controller
are presented. There are also brief theoretical revisions about the main
methods of maximum power tracking and lead acid batteries behavior. The
Digital Signal Controller used to implement the controller and its development
environment are described too. The power circuit consists of a boost converter
designed from a three-phase MOSFET bridge. The controller is developed
through computer simulations and it has algorithms to protect the battery bank
and to track the maximum power of the PV array, which makes it an MPPT. The
results of the tests made with the project implementation are presented and,
lastly, the work shows the MPPT behavior during its use in the Brazil Solar
Challenge 2015.
Keywords: MPPT, DC-DC Converter, Solar Boat, Maximum Power Tracking
viii
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ......................................................................................... xi
LISTA DE TABELAS ...................................................................................... xiii
CAPÍTULO 1- INTRODUÇÃO............................................................................ 1
1.1. Objetivo .................................................................................................... 3
1.2. Organização do trabalho .......................................................................... 5
CAPÍTULO 2 - CIRCUITO DE POTÊNCIA ........................................................ 7
2.1. Conversor CC-CC boost .......................................................................... 7
2.1.1. Topologia .......................................................................................... 7
2.1.2. Equações ........................................................................................ 11
2.1.3. Especificações ................................................................................ 12
CAPÍTULO 3 - CIRCUITO DE CONTROLE..................................................... 15
3.1. O DSC TMS320F28335 ......................................................................... 15
3.1.1. O hardware do DSC TMS320F28335 ............................................. 16
3.1.2. O Ambiente de Desenvolvimento do DSC TMS320F28335 ............ 18
3.2. A Placa de Expansão ............................................................................. 19
3.3. O Drive ................................................................................................... 21
CAPÍTULO 4 - SOFTWARE DE CONTROLE ................................................. 22
4.1 Diminuição do ruído captado pelo conversor A/D ................................... 24
4.2. Rastreamento da máxima potência........................................................ 25
4.2.1. Métodos de rastreamento da máxima potência .............................. 26
4.2.2. Implementação do rastreamento do MPP ....................................... 29
4.3. Proteções do banco de baterias............................................................. 31
4.3.1. Proteção para excesso de tensão ................................................... 33
4.3.2. Proteção para excesso de corrente................................................. 37
4.4. IHM (interface homem-máquina)............................................................ 38
ix
4.5. Diagrama esquemático completo ........................................................... 39
4.6. Desenvolvimento no PSIM ..................................................................... 41
CAPÍTULO 5 - IMPLEMENTAÇÃO ................................................................. 44
5.1. Monitoramento ....................................................................................... 45
5.2. Testes .................................................................................................... 46
5.3. Resultados dos testes ............................................................................ 46
5.4. Funcionamento em condições reais....................................................... 48
CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO .......................................................................... 52
6.1. Objetivo Alcançado ................................................................................ 52
6.2. Trabalhos futuros .................................................................................. 52
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 54
APÊNDICE A - CÓDIGO PARA ATENUAÇÃO DE RUÍDO ............................ 57
APÊNDICE B - CÓDIGO DO MPPT ................................................................ 60
APÊNDICE C - CALIBRAÇÃO DOS SENSORES .......................................... 67
C.1. Calibração dos sensores de tensão ...................................................... 69
C.2. Calibração dos sensores de corrente .................................................... 71
APÊNDICE D - TESTES COM O CONVERSOR CC-CC................................. 73
ANEXO A - FOLHA DE DADOS DA BATERIA OPTIMA D51 ........................ 76
ANEXO B - FOLHA DE DADOS DO PAINEL JINKO JKM260-P ................... 78
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Diagrama esquemático de funcionamento do MPPT ..................................... 4
Figura 2 - Circuito do conversor boost............................................................................ 7
Figura 3 - Circuito do conversor boost com dois MOSFET’s .......................................... 8
Figura 4 - Circuito do conversor boost com dois MOSFET’s em outra perspectiva ....... 8
Figura 5 - Circuito do conversor boost com três pernas ................................................. 9
Figura 6 - Circuito de um inversor trifásico ................................................................... 10
Figura 7 - Conversor boost entrelaçado ....................................................................... 11
Figura 8 - DSC TMS320F28335 ................................................................................... 16
Figura 9 - Estrutura interna do DSC TMS320F28335 .................................................. 17
Figura 10 - Ambiente de trabalho do Code Composer Studio ...................................... 18
Figura 11 - Diagrama esquemático da placa de expansão .......................................... 19
Figura 12 - Placa de expansão ..................................................................................... 20
Figura 13 - Ligação dos componentes ......................................................................... 22
Figura 14 - Diagrama esquemático do funcionamento do controlador ......................... 23
Figura 15 - Atenuação de ruído .................................................................................... 24
Figura 16 - Curvas características de operação de um arranjo fotovoltaico para
diferentes quantidades de irradiância ........................................................................... 25
Figura 17 - Curvas características de operação de um arranjo fotovoltaico para
diferentes temperaturas ................................................................................................ 26
Figura 18 - Algoritmo Condutância Incremental ........................................................... 27
Figura 19 - Algoritmo P&O............................................................................................ 28
Figura 20 - Gráfico da simulação do rastreamento do MPP ......................................... 31
Figura 21 - Curva de carga de uma bateria de chumbo-ácido ..................................... 32
Figura 22 - Comportamento da tensão durante o carregamento de uma bateria ........ 33
Figura 23 - Lógica de atuação das proteções .............................................................. 35
Figura 24 - Atuação da proteção de tensão ................................................................. 36
Figura 25 - Atuação da proteção de corrente ............................................................... 38
Figura 26 - Diagrama esquemático completo ............................................................... 40
Figura 27 - Circuito de potência simulado .................................................................... 41
Figura 28 - Complemento do circuito de potência ........................................................ 41
Figura 29 - Controlador desenvolvido no PSIM ............................................................ 42
Figura 30 - MPPT desenvolvido ................................................................................... 45
Figura 31 - Funcionamento do monitoramento ............................................................. 46
Figura 32 - Ligação dos componentes na embarcação ................................................ 48
xi
Figura 33 - Esquema elétrico do catamarã Mangue ..................................................... 49
Figura 34 - Caixa estanque do catamarã Mangue ....................................................... 49
Figura 35 - Esquema de ligação do sensor de tensão LV 25-P. .................................. 67
Figura 36 – Sensor de tensão LV 25-P ........................................................................ 67
Figura 37 - Esquema de ligação do sensor de corrente HAS-100-S............................ 68
Figura 38 - Sensor de corrente HAS-100-S.................................................................. 68
Figura 39 - Curva de calibração do sensor de tensão P3 ............................................ 70
Figura 40 - Curva de calibração do sensor de tensão P4 ............................................ 70
Figura 41 - Curva de calibração do sensor de corrente P1 .......................................... 72
Figura 42 - Curva de calibração do sensor de corrente P2 .......................................... 72
Figura 43 - Esquema para teste do conversor CC-CC ................................................. 73
Figura 44 - Fonte Magna-Power Electronics XR50-40/208SP. .................................... 73
Figura 45 - Carga eletrônica NHR 4700. ...................................................................... 74
xii
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – Especificações do conversor boost .........................................................14
TABELA 2 – Teste com função MPPT..........................................................................47
TABELA 3 – Calibração dos Sensores de Tensão........................................................69
TABELA 4 – Calibração dos Sensores de Corrente......................................................71
TABELA 5 - Teste com potência nominal sem função MPPT.......................................75
xiii
CAPÍTULO 1- INTRODUÇÃO
INTRODUÇÃO
Este projeto se destina a desenvolver um dos equipamentos constituintes de
uma embarcação com propulsão elétrica cuja alimentação é garantida por meio
da energia solar fotovoltaica. Esta embarcação participa do Desafio Solar Brasil
(DSB), uma competição que reúne barcos ainda em nível de protótipo, que tem
como objetivos, entre outros, o desenvolvimento tecnológico e a popularização
das fontes alternativas de energia. [1]
A propulsão elétrica de embarcações não é uma novidade, uma vez que, há
registros do século XIX que mostram a utilização de uma lancha na Rússia cuja
alimentação era feita por baterias. A partir do início do século XX, a propulsão
elétrica passou a ser utilizada em grande escala, porém a fonte de energia para
os motores elétricos eram geradores que utilizavam combustíveis fósseis. Esse
arranjo foi bastante utilizado até a década de 1940, quando o desenvolvimento
de tecnologias mecânicas fizeram a propulsão elétrica perder espaço, só
retomando parte do protagonismo a partir das décadas de 1980 e 1990 em
virtude do desenvolvimento da eletrônica de potência. Ainda sim, com o mesmo
arranjo que utiliza combustíveis fósseis. [2]
Como mostram os estudos de veículos elétricos terrestres, que compartilham
de muitos problemas e soluções com as embarcações, o uso de um sistema
totalmente elétrico para movimentar os veículos está interligado à questão das
baterias. Os veículos elétricos chegaram a disputar mercado de forma
igualitária com os veículos que utilizavam motores a combustão no início do
século XX. Porém, os motores a combustão mostraram-se mais baratos e a
autonomia conseguida era imensamente maior que a obtida com os veículos
que possuíam baterias como fonte de energia. Assim, os veículos elétricos
foram sendo deixados de lado pelos fabricantes. [3]
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
As limitações mencionadas para os veículos elétricos são análogas às
enfrentadas pelas embarcações, ou seja, o custo e a autonomia foram
empecilhos ao longo da história para o uso de uma propulsão totalmente
elétrica, fosse em grandes, médias ou pequenas embarcações.
Desde a última década, as baterias vêm sofrendo grandes mudanças de ordem
tecnológica e econômica, tornando-se cada vez mais leves e com menores
dimensões, além de mais baratas. Há, ainda, um novo aspecto, a preocupação
ambiental, que outrora não existia e hoje está cada vez mais presente. Os
sistemas de propulsão puramente elétricos não emitem localmente gás
carbônico (CO2), o gás que é apontado como um dos responsáveis pelo efeito
estufa, que leva ao aquecimento global. Essa é uma razão para que desde a
última década busquem-se soluções que diminuam a emissão de gás
carbônico. Ressalta-se que ainda há possibilidade de emissão de CO2
provocada pela fonte primária da energia elétrica utilizada nos sistemas de
propulsão puramente elétricos. Tal possibilidade se extingue apenas se a fonte
primária for renovável.
O desenvolvimento de soluções totalmente elétricas para propulsões navais
parece encontrar um contexto cada vez mais favorável. Uma possibilidade
adicional, que tornaria ainda mais atrativo o uso de um sistema elétrico de
propulsão seria a utilização de um sistema não poluente que recarregasse as
baterias durante a utilização da embarcação, o que aumentaria a autonomia
sem prejudicar o meio-ambiente.
Uma das maneiras de ter recarregamento sem emissão de poluentes durante o
uso da embarcação é através da utilização de um sistema fotovoltaico. Nesse
sistema, os equipamentos para propulsão são os mesmos que um sistema
elétrico comum, porém são alimentados por baterias que podem ser
carregadas por meio de um arranjo fotovoltaico e um controlador de carga.
O objeto deste trabalho é um tipo de controlador de carga, denominado
seguidor do ponto de potência máxima (SPPM ou MPPT do inglês maximum
2
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
power point tracker), que rastreia a máxima potência que pode ser fornecida
pelo arranjo fotovoltaico interligado à sua entrada, buscando transferir essa
máxima potência ao banco de baterias conectado em sua saída.
1.1. Objetivo
Este trabalho tem como objetivo o projeto e a implementação de um conversor
eletrônico CC-CC que processe a energia proveniente de um arranjo
fotovoltaico e carregue um banco de baterias, para alimentar o sistema de
propulsão elétrico de uma embarcação. O controle do conversor possui um
algoritmo que rastreia a máxima potência do arranjo fotovoltaico, tratando-se,
assim, de um rastreador do ponto de máxima potência (MPPT).
Em função dos valores nominais de tensão especificados para o arranjo
fotovoltaico e para o banco de baterias, bem como para reduzir o ripple da
corrente absorvida do arranjo fotovoltaico, foi escolhida a topologia de
conversor CC-CC boost entrelaçado, cujo chaveamento é feito por intermédio
de MOSFET’s.
O MPPT conta com proteções que garantem o funcionamento do banco de
baterias dentro de suas especificações. Tais proteções devem desligar o MPPT
caso o nível de tensão ou corrente de carga no banco de baterias superem os
valores especificados pelo fabricante.
O circuito de controle do MPPT tem como principal componente um
Controlador Digital de Sinais (DSC, do inglês, Digital Signal Controller). O
modelo utilizado é o TMS320F28335 (Delfino) da Texas Instruments. É através
dele que é feita a implementação digital do controlador. Há, ainda, os sensores,
a placa de expansão com circuitos de condicionamento de sinais, interfaces
analógicas e digitais, e o circuito de acionamentos dos MOSFET’s (gate drive).
3
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
O MPPT deve possuir, também, uma interface homem máquina (IHM) que
mostre
se
o
funcionamento
está
correto,
que
permita
o
desligamento/religamento manual e que possibilite o reinício do chaveamento,
também, manual.
O desligamento/religamento manual ocorre através de um relé que fornece
energia à fonte de alimentação do MPPT. Já o reinício manual do chaveamento
é feito por meio de uma interação via software.
A figura 1 mostra esquematicamente como funciona o MPPT.
Figura 1 - Diagrama esquemático de funcionamento do MPPT
4
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
1.2. Organização do trabalho
Este trabalho está estruturado da seguinte maneira:
Capítulo 1 – Introdução: Faz uma breve contextualização do uso de veículos
elétricos e suas implicações. Além disso, faz uma introdução do conversor CCCC desenvolvido.
Capítulo 2 – Circuito de Potência: Mostra a topologia empregada no conversor
CC-CC, além das equações que o regem e de suas especificações.
Capítulo 3 – Circuito de Controle: Traz as especificações dos circuitos e do
software utilizados como ferramenta para o desenvolvimento do trabalho.
Capítulo
4
–
Programa
de
Controle:
Nesse
capítulo
está
todo
o
desenvolvimento do controlador que realiza a operação do conversor CC-CC
conforme os objetivos estabelecidos.
Capítulo 5 – Implementação: Aqui é apresentado o processo para colocar em
prática o projeto desenvolvido e também são apresentados os resultados
práticos.
Capítulo 6 – Conclusão: São apresentadas as últimas considerações e
possíveis melhorias a serem desenvolvidas futuramente.
Referências Bibliográficas: Todas as fontes consultadas estão aqui.
Os apêndices A e B trazem os códigos implementados nesse trabalho. Já o
apêndice C apresenta o processo de calibração dos sensores utilizados no
projeto. O apêndice D descreve os testes realizados com o conversor CC-CC,
além de mostrar os resultados desses testes.
5
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
Por fim, nos anexos A e B estão presentes, respectivamente, as folhas de
dados da bateria e do módulo fotovoltaico utilizados no desenvolvimento do
conversor CC-CC.
6
CAPÍTULO 2 - CIRCUITO DE POTÊNCIA
CIRCUITO DE POTÊNCIA
Neste capítulo será mostrado projeto básico do conversor CC-CC com
topologia boost entrelaçada, quais as equações que regem esse conversor e
quais as especificações do conversor projetado.
2.1. Conversor CC-CC boost
2.1.1. Topologia
O circuito de um conversor boost é apresentado na figura 2.
Figura 2 - Circuito do conversor boost
No circuito acima uma tensão Vd é aplicada na entrada do conversor e na saída
é obtida uma tensão Vo com valor maior que a tensão de entrada. Neste
exemplo o chaveamento é feito através do MOSFET M1. Enquanto M1 estiver
conduzindo, a corrente no indutor L aumenta linearmente. Quando M1 é
bloqueado, a energia armazenada em L faz com que a corrente passe a ser
conduzida pelo diodo D2. O diodo D1, que aparece na figura em antiparalelo1
com M1, é um diodo que já vem integrado no mesmo encapsulamento de
muitos MOSFETs comercialmente disponíveis. Neste circuito, D1 não tem
1
Na verdade o nome correto da conexão é "em paralelo". O termo "em antiparalelo" denota
apenas que o sentido considerado positivo para condução de corrente é oposto nos dois
elementos da conexão em paralelo.
CAPÍTULO 2 – CIRCUITO DE POTÊNCIA
função, pois só há passagem de corrente através do M1. Esse circuito manteria
suas funcionalidades se o diodo D2 fosse implementado por um componente
idêntico ao MOSFET M1 (isto é, com diodo em antiparalelo), desde que o
MOSFET estivesse sempre bloqueado e, portanto, permitisse a passagem de
corrente apenas pelo seu diodo antiparalelo. Esta alteração pode ser
visualizada na figura 3, na qual o MOSFET associado ao diodo D2 é
denominado M2.
Figura 3 - Circuito do conversor boost com dois MOSFET’s
Para facilitar o entendimento, o circuito da figura 3 está redesenhado na figura
4.
Figura 4 - Circuito do conversor boost com dois MOSFET’s em outra perspectiva
Agora é mais fácil perceber que é possível inserir mais segmentos ou “pernas”
no conversor, sem que a tensão de saída seja modificada. Destaca-se que
para isso ocorrer, o duty cycle dos MOSFET’s do circuito com mais segmentos
8
CAPÍTULO 2 – CIRCUITO DE POTÊNCIA
deve ser o mesmo que o do circuito com um único segmento. Ou seja, o
MOSFET que esteja com posicionamento similar a M1 (parte de baixo) deve
chavear com a mesma razão cíclica que M1 e o MOSFET que esteja
posicionado similarmente a M2 (parte de cima) deve ser mantido bloqueado.
Caso isso não ocorra, pode haver circulação de correntes extremamente altas,
capazes de danificar os componentes do circuito. Na figura 5 há o circuito de
um conversor boost com três pernas. Nesta figura, cada conjunto formado por
um MOSFET em antiparalelo com um diodo recebeu um único rótulo,
diferentemente da representação feita nas figuras 2, 3 e 4. No restante do
trabalho, quando houver referência a MOSFET’s, deve ser entendido que tal
referência é para o conjunto formado pelo MOSFET em antiparalelo com o
diodo. Além disso, os MOSFET’s que devem ser mantidos em estado de
bloqueio serão nomeados como D1, D2 e D3. Já os MOSFET’s que devem
chavear segundo a razão cíclica (D) serão chamados de M1, M2 e M3.
Figura 5 - Circuito do conversor boost com três pernas
Os capacitores C1, C2 e C3 foram deixados separados apenas para facilitar o
entendimento. O circuito da figura 5 foi o circuito implementado neste trabalho.
Ele pode ser obtido a partir de uma ponte trifásica, cuja aplicação mais comum
é como um inversor trifásico. Um circuito típico de um inversor trifásico é
mostrado na figura 6.
9
CAPÍTULO 2 – CIRCUITO DE POTÊNCIA
Figura 6 - Circuito de um inversor trifásico
Para obter a topologia de um conversor boost com três pernas a partir de uma
ponte trifásica, primeiro a entrada e a saída são invertidas, depois cada
segmento dessa nova entrada (onde está Va, Vb e Vc) deve receber um indutor
(todos os indutores devem ter indutâncias iguais), esses indutores têm suas
entradas interligadas. A última etapa é conectar um capacitor, ou um conjunto
de capacitores em paralelo, na saída. A figura 7 apresenta o circuito resultante
dessas modificações. Este é o circuito com o qual o trabalho foi desenvolvido,
já com os capacitores reduzidos a um único equivalente. Também foi
modificada a nomenclatura das tensões, para ficar de acordo com a aplicação
pretendida, em que o suprimento de energia (entrada) vem de um arranjo
fotovoltaico e na saída a energia é armazenada em um banco de baterias. Vd
passa a ser Vpv (tensão nos terminais do arranjo fotovoltaico) e Vo passa a ser
Vbat (tensão nos terminais do banco de baterias). Como será descrito a seguir,
o comando (PWM) dos MOSFETs é feito de tal maneira que cada perna
chaveia em um instante diferente das outras, fazendo com que se tenha um
conversor que opera em modo entrelaçado.
10
CAPÍTULO 2 – CIRCUITO DE POTÊNCIA
Figura 7 - Conversor boost entrelaçado
2.1.2. Equações
O conversor deve operar no modo de condução contínua, as relações
desenvolvidas aqui vão considerar este modo de operação. Dada a frequência
de chaveamento (f), o período será
𝑇𝑠 =
1
(2.1)
𝑓
O duty cycle2 (D) é a razão, dentro de um período, entre o tempo que a chave
(MOSFET) conduz e o tempo total do período. A relação entre o D e as tensões
Vpv e Vbat, no modo de condução contínua, é dada por [4]
𝑉𝑏𝑎𝑡
𝑉𝑝𝑣
=
1
1−𝐷
(2.2)
Para garantir que o conversor se mantenha no modo de condução contínua,
cada indutor deve apresentar valor de indutância mínima dada por
2
Também conhecido como "ciclo de trabalho" ou "razão cíclica".
11
CAPÍTULO 2 – CIRCUITO DE POTÊNCIA
𝐿𝑚í𝑛 =
𝑇𝑠 𝑉𝑏𝑎𝑡
2𝐼𝑏𝑎𝑡
𝐷 (1 − 𝐷 ) 2
(2.3)
A capacitância mínima do capacitor que garante o ripple da tensão de saída
(ΔVbat) dentro dos limites estabelecidos pode ser encontrada da seguinte
maneira
𝐶𝑚í𝑛 =
𝐼𝑏𝑎𝑡 𝐷𝑇𝑠
∆𝑉𝑏𝑎𝑡
(2.4)
Ressalta-se que com o conversor boost operando em modo entrelaçado, o
ripple é menor que o encontrado em um conversor boost simples.
As equações (2.1), (2.3) e (2.4) mostram que quanto maior for a frequência de
chaveamento, menor será Ts e menores, também, serão a capacitância do
capacitor necessária para se obter o ripple desejado3 e a indutância do indutor
para garantir a operação no modo de condução contínua4, porém o aumento da
frequência de chaveamento leva ao aumento das perdas. Portanto, é
necessário haver um compromisso entre esses fatores para a escolha da
frequência de chaveamento.
2.1.3. Especificações
Em um conversor cuja entrada consiste em um arranjo fotovoltaico e a saída de
um banco de baterias, os valores de tensão podem variar bastante. Assim, o
projeto considerou os valores para tensão de entrada (Vpv) e saída (Vbat) para
os quais se espera que o conversor opere na maior parte do tempo.
Evidentemente, a operação fora dessa faixa de valores pode ocorrer, no
entanto, pode-se perder parte da eficiência na operação, além de haver
possibilidade de não atendimento da especificação de ripple na saída.
3
4
Ou menor será o ripple, se a capacitância já estiver definida.
Ou menor será a corrente se a indutância já estiver definida.
12
CAPÍTULO 2 – CIRCUITO DE POTÊNCIA
A potência nominal do conversor é de 1 kW (de acordo com a potência do
arranjo fotovoltaico, em torno de 1 kWp, que deve ser conectado em sua
entrada) e a tensão nominal de saída (Vbat) é de 36 V. A frequência de
chaveamento (f) escolhida foi de 10 kHz, Vpv foi especificado entre 28,5 V e
31,1 V, já o Vbat, apesar do seu valor nominal, pode variar entre 31,5 V e 42 V.
O valor da frequência de chaveamento foi escolhido em um compromisso para
se ter um ripple pequeno, uma baixa corrente mínima para o modo de
operação em condução contínua e ao mesmo tempo para que as perdas por
chaveamento não sejam grandes. Os valores de tensão na entrada e na saída
estão de acordo com os valores de operação do arranjo fotovoltaico e do banco
de baterias utilizados com o MPPT. Esses valores podem ser conferidos nas
folhas de dados da bateria e do módulo fotovoltaico utilizados, que são
apresentados nos anexos A e B, respectivamente.
A partir da equação (2.2), foi encontrado que os valores de D deveriam variar
entre 0,013 e 0,321. Foi, então, estabelecido que os valores implementados de
D deveriam oscilar entre 0 e 0,35.
Por fim, foi necessário especificar os valores da indutância (L) e da
capacitância (C) utilizados no circuito da figura 7.
Para determinar a indutância de cada indutor, foi utilizada a equação (2.3), o
valor de corrente Ibat mínima foi considerada igual a 1 % do valor nominal, ou
seja, 0,28 A. Além disso, foi necessário encontrar o máximo da expressão
𝐷(1 − 𝐷)2 , que ocorre quando D=0,33. Desse modo, encontrou-se L igual a 1
mH.
A especificação da capacitância equivalente (C) dos capacitores presentes no
circuito é feita com base na equação (2.4). Considerando o ripple de 0,5 %, que
o valor máximo de Ibat é igual a 34 A e que o valor máximo de D é 0,35, tem-se
𝐶𝑚í𝑛 =
34 × 0,35 × 10−4
= 6611 𝜇𝐹
0,18
13
CAPÍTULO 2 – CIRCUITO DE POTÊNCIA
Assim, foi escolhido um conjunto de capacitores com capacitância equivalente
de 6800 µF que garante, portanto, o atendimento da especificação de ripple de
0,5% em Vbat.
A tabela 1 resume as especificações do conversor.
TABELA 1 – Especificações do conversor boost
Faixa de Valores Valor Nominal
Potência
-
1 kW
f
-
10 kHz
D
0 a 0,35
-
Vpv
28,5 – 31,1 V
-
Vbat
31,5 – 42 V
36 V
L
-
1 mH
C
-
6800 µF
14
CAPÍTULO 3 - CIRCUITO DE CONTROLE
CIRCUITO DE CONTROLE
Este capítulo faz um breve resumo sobre o hardware utilizado para a
implementação do controlador a ser desenvolvido. Também é descrito o
ambiente de desenvolvimento empregado para criação, depuração e testes do
software de controle a ser embarcado no DSC.
3.1. O DSC TMS320F28335
Os microcontroladores são dispositivos que possuem, basicamente, unidade de
processamento, unidade de memória e unidade de acesso para periféricos.
São
utilizados
em
aplicações
embarcadas,
funcionando
de
maneira
independente e com baixo custo. Já os microprocessadores são circuitos
integrados capazes de executar instruções lógicas, aritméticas e de tomada de
decisão.
Um
Processador
Digital
de
Sinais
(DSP)
é
um
tipo
de
microprocessador que conta com arquitetura específica que reduz o número de
instruções e operações necessárias em algoritmos de processamento de
sinais. Como consequência os DSP’s possuem suporte a operações como
convolução de sinais, transformada discreta de Fourier, filtros digitais, entre
outras. Um Controlador Digital de Sinais (DSC) é um microcontrolador cuja
unidade de processamento é um DSP.
O DSC utilizado no projeto do MPPT é o TMS320F28335 da Texas Instruments
que pode ser visualizado na figura 8. Ele também será chamado neste trabalho
de F28335.
CAPÍTULO 3 – CIRCUITO DE CONTROLE
Figura 8 - DSC TMS320F28335. Fonte: [5]
3.1.1. O hardware do DSC TMS320F28335
As principais características de hardware do DSC TMS320F28335 estão
listadas a seguir:

Frequência do processador: 150 MHz;

Single-access RAM (SARAM): 34 kB;

Memória flash: 256 kB;

Canais de conversão A/D: 16 com resolução de 12 bits e 80 ns de tempo
de conversão;

Canais PWM: 18;

Pinos de entrada e saída (GPIO): 88;

Portas de comunicação serial: 3.
A estrutura interna do TMS320F28335 é apresentada na figura 9.
16
CAPÍTULO 3 – CIRCUITO DE CONTROLE
Figura 9 - Estrutura interna do DSC TMS320F28335. Fonte: [6]5
Uma característica que se destaca no F28335 é o fato de possuir dois
barramentos independentes que se comunicam entre si. Trata-se de um
barramento de programa (“Program Bus”) e de um barramento de dados (“Data
Bus”).
Na CPU, a maior parte das instruções de registrador é realizada pelo F28335
em um único clock. Como mostra a figura 9, estes registradores possuem 32
bits, além disso, eles realizam operações de ponto fixo. Na CPU ainda está
presente a FPU, que é uma unidade de hardware que lida com operações de
ponto flutuante.
Neste trabalho, faz-se o uso de 5 portas GPIO, 3 portas PWM e 4 canais de
A/D.
5
Disponível para baixar em http://cnx.org/contents/WhAChLus@2/Module-2-Architecture-of-the-T
17
CAPÍTULO 3 – CIRCUITO DE CONTROLE
3.1.2. O Ambiente de Desenvolvimento do DSC TMS320F28335
Para o desenvolvimento de aplicações no F28335 é necessário o emprego do
software Code Composer Studio (CCS). Trata-se de um ambiente de
desenvolvimento criado pela própria Texas Instruments. Encontra-se na figura
10 a tela de trabalho do Code Composer Studio V5.
Figura 10 - Ambiente de trabalho do Code Composer Studio
Para o desenvolvimento deste trabalho foi utilizado o PSIM, que é um software
projetado para simulações em eletrônica de potência. Possui interface
amigável, simulação rápida e apresenta os resultados como formas de onda
similares às apresentadas na tela de um osciloscópio. Além disso, dispõe de
modelos detalhados das chaves estáticas. Pode ser utilizado em circuitos
analógicos e digitais. Uma característica importante que o PSIM possui é que
ele foi projetado para trabalhar diretamente com o F28335. Todo o circuito de
potência e todo o controlador desenvolvido neste trabalho foram simulados no
PSIM.
18
CAPÍTULO 3 – CIRCUITO DE CONTROLE
A programação do DSC é feita através do Code Composer Studio, software
para desenvolvimento de sistemas embarcados que possui otimização do
compilador C/C++, editor de código fonte, ambiente de construção do projeto,
depurador, entre outras características. A integração entre o Code Composer
Studio e o PSIM é realizada através da ferramenta SimCoder do PSIM, nela
um código contendo todo o software de controle simulado é gerado. Esse
código deve ser importado para o Code Composer Studio, onde é embarcado
no DSC.
3.2. A Placa de Expansão
A placa de expansão é responsável por fazer a intermediação na comunicação
com o DSC. Ela traz funcionalidades que facilitam as possibilidades de uso do
F28335, além de possuir circuitos que condicionam os sinais recebidos por
sensores. Na figura 11 é possível observar o diagrama esquemático da placa
de expansão com os elementos utilizados neste trabalho e na figura 12 está a
imagem real da placa utilizada no projeto.
Figura 11 - Diagrama esquemático da placa de expansão
19
CAPÍTULO 3 – CIRCUITO DE CONTROLE
Saídas PWM e GPIO
para o Drive
Terminais
dos Relés
Terminais
dos Botões
Entrada dos
Sensores
Figura 12 - Placa de expansão
Entre as funcionalidades presentes na placa de expansão, estão relés cujas
entradas de comando (bobinas de acionamento) estão diretamente ligadas a
portas GPIO do DSC. Um desses relés é usado no projeto para acionar um
LED que indica o correto funcionamento do MPPT. A placa de expansão
também possui terminais destinados à conexão de botões que servem como
comando, tais terminais estão interligados a portas GPIO. Um desses terminais
é utilizado para a conexão de um botão de reinício manual do chaveamento do
MPPT.
20
CAPÍTULO 3 – CIRCUITO DE CONTROLE
Existem, ainda, circuitos de instrumentação eletrônica que têm como função
condicionar os sinais recebidos dos sensores de tal forma que possam ser lidos
pelo conversor A/D do F28335. Além disso, as portas PWM e as portas GPIO
não conectadas aos relés e aos terminais dos botões ficam disponíveis em um
conector separado.
3.3. O Drive
Para controlar as chaves eletrônicas, lembrando que no presente projeto
tratam-se de MOSFET’s, o DSC enviará os sinais por meio das portas PWM
e/ou GPIO. Entretanto, esses sinais não estão na forma adequada ou não
possuem potência suficiente para o controle dos MOSFET’s. Assim, o drive
deve receber a informação do DSC e condicioná-la de tal forma que o controle
das chaves eletrônicas possa acontecer de acordo com o sinal vindo do DSC.
21
CAPÍTULO 4 - SOFTWARE DE CONTROLE
SOFTWARE DE CONTROLE
Todo o funcionamento do MPPT é definido por um controlador que deve
determinar o valor de cada parâmetro de saída a cada instante de acordo com
os valores instantâneos dos parâmetros de entrada. Todo o desenvolvimento
do controlador foi feito no PSIM, fazendo uso de sua biblioteca específica de
integração com o DSC TMS320F28335 da Texas Instruments.
Esse controlador é implementado internamente no MPPT, e para que funcione
corretamente é necessário que as ligações dos componentes físicos do
sistema que utilizará o MPPT e também nas simulações ocorram conforme
mostra a figura 13.
Sensores
(Vpv e Ipv)
Sensores
(Vbat e Ibat)
+
+
+
+
-
-
MPPT
-
-
Figura 13 - Ligação dos componentes
Ressalta-se que a inserção de uma carga, como um motor, interligada ao
banco de baterias não altera o correto funcionamento do MPPT.
O controlador projetado tem como objetivo controlar o chaveamento dos
MOSFET’s. Esse controle é feito a partir do processamento das informações de
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
corrente e tensão do arranjo fotovoltaico e do banco de baterias. Como
resultado é obtida a definição da razão cíclica de modulação de cada MOSFET
do conversor CC-CC.
O controle dos MOSFET’s é realizado através da modulação por largura de
pulso (PWM, do inglês, Pulse-Width Modulation) quando o conversor está
ativado, ou mantendo um único estado quando o conversor está desativado, no
caso o de não condução, por meio de portas digitais. Além disso, o controlador
deve manter indicado, através de um LED, o estado de funcionamento de
MPPT e, por fim, deve ter um botão que permita o reinício manual. Na figura 14
há um diagrama esquemático mostrando as entradas e saídas do controlador.
Figura 14 - Diagrama esquemático do funcionamento do controlador
O controlador trabalha internamente com o sistema por unidade (pu). Desse
modo, após os valores Vpv, Ipv, Vbat e Ibat serem lidos, eles são divididos pelas
suas respectivas bases. Também há, internamente, um estágio de filtragem
digital para diminuição do ruído captado pelo conversor A/D.
A frequência de amostragem, isto é, a frequência que os parâmetros de
entradas são lidos e os parâmetros de saída são definidos é de 1000 Hz. Esse
valor permite que a convergência do algoritmo MPPT seja rápida o suficiente.
23
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
4.1 Diminuição do ruído captado pelo conversor A/D
É de prévio conhecimento que o conversor A/D do DSC a ser utilizado capta
ruído nas leituras dos parâmetros de interesse. Assim, é importante que no
projeto do controlador esteja prevista alguma forma de atenuação de tais
ruídos.
Neste trabalho foi inserido um bloco no projeto desenvolvido no PSIM que
atenua o ruído presente no sinal de entrada do controlador, mediante o cálculo
da média de grupos de amostras sucessivas, ou seja, trata-se de um filtro
média móvel. O código presente nesse bloco encontra-se no apêndice A. Na
figura 15 está demonstrada a atuação da atenuação projetada para um ruído
simulado no PSIM.
Figura 15 - Atenuação de ruído
Esse atenuador de ruído (filtro) é utilizado nas leituras das tensões e correntes
do arranjo fotovoltaico e do banco de baterias. Como fica nítido na figura 15,
ele diminui bastante as oscilações provenientes do ruído. Isso permite uma
leitura mais correta dos valores por parte do controlador.
24
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
4.2. Rastreamento da máxima potência
Em um arranjo fotovoltaico a geração de energia elétrica é intermitente e sofre
forte influência da nebulosidade e da temperatura. Esses fatores fazem com
que o ponto de operação que leva à extração da máxima potência do arranjo
fotovoltaico mude constantemente. Assim, rastrear esse ponto de máxima
potência (MPP, do inglês, Maximum Power Point) continuamente é uma forma
de garantir uma maior eficiência na conversão de energia.
As figuras 16 e 17 apresentam uma série de curvas características de um
arranjo fotovoltaico para diferentes situações de irradiância e temperatura,
respectivamente.
Figura 16 - Curvas características de operação de um arranjo fotovoltaico para
diferentes quantidades de irradiância
25
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
Figura 17 - Curvas características de operação de um arranjo fotovoltaico para
diferentes temperaturas
É possível observar como a variação da quantidade de radiação solar e da
temperatura influenciam na operação de um módulo ou arranjo fotovoltaico.
Para o caso da variação de temperatura, a máxima potência tem um
comportamento linear e oscila em -0,41%/°C. Isso faz com que o ponto de
operação necessite ser continuamente reajustado para garantir o rastreamento
da máxima potência de forma constante.
4.2.1. Métodos de rastreamento da máxima potência
Os dois métodos MPPT mais amplamente utilizados são o algoritmo da
condutância incremental e o algoritmo perturba e observa (P&O). No caso da
condutância incremental, utiliza-se o fato de a derivada da potência em relação
à tensão ser zero no ponto de máxima potência, obtendo-se a seguinte relação
𝑑𝑃
𝑑𝑉
=
𝑑(𝑉𝐼)
𝑑𝑉
= 𝐼.
𝑑𝑉
𝑑𝑉
+ 𝑉.
𝑑𝐼
𝑑𝑉
= 𝐼 + 𝑉.
𝑑𝐼
𝑑𝑉
=0
(5.1)
26
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
Assim, calculando ΔI e ΔV usando os valores atuais e os valores anteriores é
possível implementar um código com a seguinte lógica:


∆𝐼
∆𝑉
∆𝐼
∆𝑉
𝐼
= − : o ponto de operação está no ponto de máxima potência;
𝑉
>−
𝐼
𝑉
: o ponto de operação está à esquerda do ponto de máxima
potência;

∆𝐼
∆𝑉
<−
𝐼
𝑉
: o ponto de operação está à direita do ponto de máxima
potência.
O fluxograma do método da condutância incremental é mostrado na figura 18.
Figura 18 - Algoritmo Condutância Incremental
27
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
Portanto, a partir da lógica mostrada no diagrama de fluxo da figura 18 é
possível realizar o rastreamento da máxima potência através do algoritmo da
condutância incremental.
O algoritmo P&O possui uma lógica mais simples na qual se observa o efeito
de uma perturbação na tensão, ou seja, a tensão é aumentada ou diminuída.
Caso a potência fornecida pelo arranjo fotovoltaico aumente, a perturbação
deve ser mantida no mesmo sentido, caso a potência diminua, a perturbação
deve ser feita no sentido contrário. Na figura 19, encontra-se um diagrama de
fluxo que mostra o funcionamento do método P&O.
Figura 19 - Algoritmo P&O
O método empregado no projeto do MPPT foi o P&O com modificação no
algoritmo original para que se obtivesse uma rápida convergência no
rastreamento do ponto de máxima potência. A escolha desse método ocorreu
28
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
pela simplicidade da aplicação e pelos satisfatórios resultados obtidos em
simulação.
4.2.2. Implementação do rastreamento do MPP
A implementação do algoritmo P&O foi realizada de tal forma que se
perturbava o valor de referência (Vref) e, em seguida, verificava-se a potência,
tal qual o previsto no método escolhido. No entanto, foi incluída uma limitação
em Vref. Essa limitação foi necessária porque foi verificado que muitas vezes o
Vref assumia valores elevados, fazendo com que, quando fosse preciso inverter
o sinal do incremento, houvesse uma grande demora na convergência. A
limitação corrigiu esse problema.
O Vref é utilizado para calcular qual o valor de razão cíclica (D) do controle por
PWM deve ser implementado naquele instante. O cálculo do D a cada iteração
é feito conforme a seguinte equação:
𝐷=
𝑉𝑏𝑎𝑡 −𝑉𝑟𝑒𝑓
𝑉𝑏𝑎𝑡
(5.2)
Ou seja, a referência Vref substitui a variável Vpv.
Já a potência é calculada utilizando a tensão Vpv medida pelo sensor e a
corrente Ipv, também medido pelo sensor, da seguinte maneira
𝑃 = 𝑉𝑝𝑣 × 𝐼𝑝𝑣
(5.3)
Assim, ajusta-se o valor Vref de acordo com o rastreamento da potência. Com
isso o controle do chaveamento é realizado através da definição do duty cycle.
29
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
É importante salientar que esse controle ocorre para os MOSFET’s M1, M2 e
M3. Destaca-se, ainda, que cada um desses MOSFET’s é acionado com uma
diferença de um terço do período de chaveamento (Ts), um em relação ao
outro. Isso faz com que nenhum dos três MOSFET’s sejam acionados
simultaneamente.
Os MOSFET’s D1, D2 e D3 devem ficar na condição de bloqueio durante todo
o tempo. Para que isso aconteça, são utilizadas portas digitas de saída que
devem garantir que esses MOSFET’s terão nível lógico baixo em seus gates.
Os circuitos presentes no drive possuem configuração inversora. O que faz
com que seja necessário que o controlador estabeleça valores lógicos inversos
ao desejados. A consequência disso é que o valor do duty cycle enviado pelo
controlador deve ser igual a 1 − 𝐷 e que o nível lógico de controle dos
MOSFET’s D1, D2 e D3 deve ser alto para que permaneçam em estado de
bloqueio.
Como forma de garantir que o MPPT não vai operar fora de sua faixa nominal
de operação, um limitador de duty cycle que não permite que o D fique fora da
faixa estabelecida na tabela 1 é adicionado na saída do bloco que contém o
código de rastreamento da máxima potência.
Tem-se na figura 20 um gráfico obtido a partir de uma simulação do MPPT que
mostra a potência máxima possível do arranjo fotovoltaico simulado e a
potência que o MPPT consegue extrair.
30
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
Figura 20 - Gráfico da simulação do rastreamento do MPP
No gráfico é da figura 20 pode ser observado que o MPPT consegue rastrear a
máxima potência quando a potência máxima se mantém constante e quando a
potência máxima está diminuindo ou aumentando. Além disso, quando há uma
mudança brusca no sentido do crescimento da potência, ou seja, quando ela
está diminuindo e passa a aumentar e vice-versa, o MPPT faz o correto
acompanhamento dessas mudanças.
4.3. Proteções do banco de baterias
O MPPT trabalha injetando corrente no banco de baterias, que, por sua vez,
impõe a tensão na saída do conversor. Não há qualquer restrição ou imposição
de tensão ao banco de baterias, justamente por serem as baterias as
responsáveis por definir a tensão de saída do MPPT.
Conforme é carregada, ou seja, recebe corrente, uma bateria aumenta o seu
nível de tensão. Similarmente, conforme descarrega, ou seja, fornece corrente,
31
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
uma bateria tem seu nível de tensão reduzido. Assim o valor de tensão é um
bom indicativo da carga de uma bateria. Na figura 21 é mostrado um exemplo
de curva de carga de uma bateria de chumbo-ácido.
Figura 21 - Curva de carga de uma bateria de chumbo-ácido. Fonte: [7]
Como revela a figura 21, a tensão da bateria tem um determinado limite, que
no gráfico mostrado é de 13,5 V. Quando a bateria atinge essa tensão, a
corrente de carga começa a diminuir e o carregamento se torna mais lento.
Chegando a um ponto que uma pequena quantidade de corrente é suficiente
para manter a bateria carregada, estando, portanto, no estágio de flutuação.
Além disso, as baterias possuem limite de corrente carga.
O MPPT descrito nesse trabalho pode, caso não haja algo que o impeça,
injetar mais corrente que o necessário para manter o estágio de flutuação nas
baterias interligadas a ele. A consequência disso é que a tensão pode subir
para níveis muito maiores que os limites recomendados pelos fabricantes e
danificar as baterias. Outra causa de possíveis danos é o carregamento com
correntes acima do recomendado pelos fabricantes
32
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
Em virtude do exposto no parágrafo anterior, foram projetadas proteções que
limitam a corrente de carga e a tensão do banco de baterias. As proteções
atuam paralisando o chaveamento, isso interrompe o fluxo de potência do
arranjo fotovoltaico para o banco de baterias. Assim, as baterias param de
receber corrente. Outro ponto importante projetado é que, uma vez que, uma
das proteções tenha atuado, o MPPT só volta a chavear caso haja uma ação
manual de reinício.
A atuação da proteção ocorre acionando o comando de Stop PWM. Assim, o
chaveamento é imediatamente paralisado. Quando há o acionamento manual
para que o chaveamento retorne, o comando Stop PWM é desativado e o
comando Start PWM é acionado. Isso leva o MPPT a operar novamente.
4.3.1. Proteção para excesso de tensão
Conforme já foi dito anteriormente, a injeção de corrente em uma bateria faz a
sua tensão aumentar. Porém, há mais uma questão a ser considerada, quando
uma bateria está recebendo corrente, sua tensão fica em determinado patamar,
assim que essa injeção de corrente é cessada, a tensão imediatamente
diminui. Tal diminuição não leva a tensão para o patamar anterior à injeção de
corrente, mas a um patamar menor que o encontrado durante o carregamento,
configurando um comportamento similar a uma histerese. O gráfico da figura 22
demonstra o comportamento descrito para uma situação de carga.
Figura 22 - Comportamento da tensão durante o carregamento de uma bateria
33
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
A figura 22 indica que enquanto a corrente injetada está aumentando ou é
constante, a tensão aumenta. A partir do momento em que a corrente de carga
diminui, a tensão também sofre um decréscimo. Quando a corrente de carga é
zerada, a tensão não volta ao patamar original por estar mais carregada que no
início do processo.
Como as baterias possuem um limite de tensão no qual podem operar com
segurança, a proteção projetada paralisa o chaveamento em determinado nível
de tensão, o que vai fazer a tensão da bateria diminuir imediatamente. Em
seguida modifica o nível de tensão limite para um valor mais baixo para que o
chaveamento não recomece em virtude da diminuição da tensão.
A proteção só deve atuar se a bateria estiver sendo carregada. Em uma
situação na qual o MPPT esteja operando, mas houver uma carga ligada ao
banco de baterias que esteja consumindo a potência fornecida pelo MPPT e
ainda esteja descarregando as baterias, o controlador verifica, através do
sentido da corrente, que o banco de baterias está fornecendo corrente e não
aciona a atuação da proteção, pois a carga que consome corrente da bateria
atua diminuindo a sua tensão e não há, portanto, necessidade de paralisar o
fornecimento de energia através do MPPT. A lógica de atuação das proteções
está resumida na figura 23. Para que o conversor volte a operar após a
proteção atuar, é necessário que o operador reinicie o chaveamento
manualmente. Isso ocorre acionando uma chave denominada I/O. É importante
salientar que essa chave controla o MPPT e é controlada pelo operador, não
sofrendo qualquer influência da proteção.
34
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
Figura 23 - Lógica de atuação das proteções
Para a verificação do funcionamento das proteções, foram realizadas
simulações em que a ligação dos componentes ocorreu conforme mostrou a
figura 13. Os resultados dessas simulações são apresentados nas figuras 24 e
25.
O gráfico da figura 24 mostra a atuação da proteção quando se faz necessário
e, também, mostra quando a proteção não deve atuar, mesmo que o nível de
tensão exceda o valor recomendado.
35
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
Figura 24 - Atuação da proteção de tensão
No gráfico superior da figura 24 está a potência extraída pelo MPPT do arranjo
fotovoltaico e a potência máxima disponível, já no gráfico inferior é mostrado o
limite de tensão para o banco de baterias simulado, além da tensão desse
banco. Há ainda a representação de uma chave que define se o MPPT deve ou
não chavear. Quando a chave está em nível alto, o MPPT chaveia
normalmente, extraindo potência do arranjo fotovoltaico, quando está em nível
baixo, não chaveia.
No início da simulação a tensão do banco de baterias é superior ao limite, no
entanto, as baterias estão descarregando e, consequentemente, a tensão está
caindo. Nessa situação, o MPPT deve permanecer operando e a proteção não
deve atuar. É exatamente o que o gráfico mostra.
36
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
A partir do instante 0,284 s, a tensão do banco de baterias volta a ficar superior
ao limite, porém dessa vez em condição de carregamento. Nessa situação, a
proteção atua, fazendo com que o MPPT pare de extrair potência do arranjo
fotovoltaico. Ele só volta a operar normalmente após ter sido reiniciado, como
indica a curva da chave de controle, no instante 0,33 s.
4.3.2. Proteção para excesso de corrente
Para o caso da corrente, a proteção tem um funcionamento mais simples. Ela
deve identificar se há uma corrente de carga acima do limite estabelecido.
Caso haja, deve paralisar o chaveamento do MPPT sem a necessidade de
modificar o valor limite como acontece no caso da tensão. A única ressalva é
que deve ser identificado o sentido da corrente, pois baterias possuem um
limite relativamente baixo para corrente de carga, mas não para corrente de
descarga. Além disso, o MPPT nunca será responsável por uma grande
descarga.
Na figura 25 é apresentado o resultado da simulação para diferentes situações
de corrente no banco de baterias.
37
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
Figura 25 - Atuação da proteção de corrente
O gráfico da figura 25 mostra que a proteção de corrente atua somente quando
o valor excedido é positivo. A partir de 0,2 s a corrente possui módulo superior
ao limite estabelecido, porém com sinal negativo. Isso corresponde a uma
situação de descarga da bateria. Nessa situação a proteção não atua e o
chaveamento continua normalmente. O reinício do chaveamento do MPPT
ocorre por uma ação manual, como mostra a curva da chave.
4.4. IHM (interface homem-máquina)
A interface homem-máquina (IHM) do MPPT possui duas ligações com o
controlador. Essas ligações ocorrem por meio da placa de expansão, conforme
pode ser observado na figura 26. Uma das ligações é a partir de uma porta
digital de saída que aciona um LED que permanece acesso enquanto o MPPT
está chaveando e apaga caso pare de chavear. A outra ligação se dá por uma
38
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
porta digital de entrada ligada ao terminal de um botão na placa de expansão e
serve para reiniciar o chaveamento do MPPT, ou seja, é a chave I/O.
4.5. Diagrama esquemático completo
A figura 26 mostra o diagrama esquemático completo de funcionamento do
MPPT. Toda simulação no PSIM e implementação prática do projeto foram
feitas de acordo com o que mostra o diagrama.
39
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
Figura 26 - Diagrama esquemático completo
40
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
4.6. Desenvolvimento no PSIM
Na figura 27 o circuito de potência simulado é apresentado. Nela é possível
observar a presença de um painel que modela o arranjo fotovoltaico e também
de uma fonte de tensão que modela o banco de baterias. Estão presentes
ainda todos os sensores utilizados no controle e também para as simulações.
Figura 27 - Circuito de potência simulado
Para que a simulação funcione corretamente é necessário fornecer os valores
de irradiância e temperatura para o arranjo modelado. Além disso, é preciso
calcular a potência produzida a cada instante no arranjo fotovoltaico. A figura
28 apresenta o restante dos elementos da simulação do circuito de potência,
que incluem as fontes que informam os valores de temperatura e irradiância e o
circuito que calcula a potência extraída do arranjo fotovoltaico.
Figura 28 - Complemento do circuito de potência
A figura 29 apresenta todo o controlador desenvolvido no PSIM.
41
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
Figura 29 - Controlador desenvolvido no PSIM
42
CAPÍTULO 4 – SOFTWARE DE CONTROLE
É possível operar o conversor sem a função de rastreamento da máxima
potência, com definição manual do duty cycle. Para isso foram incluídas
variáveis que definem se o conversor dever atuar como MPPT e qual deve ser
o valor da razão cíclica D.
Todo o código presente no bloco MPPTCode está no apêndice B.
43
CAPÍTULO 5 - IMPLEMENTAÇÃO
IMPLEMENTAÇÃO
Para a implementação do controlador projetado, o código gerado no PSIM foi
importado para o F28335. Com o código do controlador carregado no DSC,
iniciou-se a etapa prática de testes. Os testes realizados verificaram o
comportamento do conversor CC-CC, ainda sem o rastreamento da máxima
potência e, também, após o rastreamento ser ativado. Foi feito, também, um
breve estudo sobre a eficiência do MPPT.
Durante as simulações e o projeto do controlador, sempre houve a suposição
de que os valores das tensões e correntes do arranjo fotovoltaico e do banco
de baterias estavam disponíveis. Porém, na prática, há um caminho mais
complicado para ter acesso a tais parâmetros. Por isso, a primeira etapa
prática
consistiu
em
implantar
um
sistema
de
monitoramento
que
disponibilizasse os parâmetros necessários para o controlador.
Após todos os testes práticos realizados, o MPPT foi utilizado em sua
destinação inicial, no caso no catamarã Mangue.
O MPPT desenvolvido pode ser visto na figura 30.
CAPÍTULO 5 – IMPLEMENTAÇÃO
Figura 30 - MPPT desenvolvido
5.1. Monitoramento
Para que o controlador tenha as informações sobre o estado da tensão e da
corrente do arranjo fotovoltaico e do banco de baterias a cada instante é
necessário que haja um eficiente sistema de monitoramento.
O sistema de monitoramento conta com sensores de tensão e corrente que
utilizam como princípio de funcionamento o efeito Hall. Esses sensores
informam em seus terminais de leitura um determinado valor de tensão para
cada valor lido (seja de corrente ou tensão). Os terminais de leitura dos
sensores estão interligados a circuitos de instrumentação presentes na placa
de expansão. O objetivo desses circuitos é rejeitar ruídos e condicionar os
valores para que sejam lidos pelo conversor A/D do DSC. Por fim, é feita a
leitura no DSC e os valores ficam disponíveis para o controlador. A figura 31 é
uma síntese do que foi descrito.
45
CAPÍTULO 5 – IMPLEMENTAÇÃO
Figura 31 - Funcionamento do monitoramento
Antes de serem implementados, os sensores precisam ser calibrados para se
encontrar, para cada sensor, uma equação que faça a correspondência entre o
valor lido pelo controlador e o valor real. Esse trabalho encontra-se no
apêndice C.
5.2. Testes
Após o sistema de monitoramento ter sido implementado, foram realizados
testes que verificaram a resposta do conversor CC-CC a diferentes situações
de tensão de entrada e de carga. O detalhamento dos testes feitos encontra-se
no apêndice D. Foi verificado que o conversor CC-CC necessita em média de
80 W para funcionar quando opera com a potência nominal de 1 kW. A
eficiência, portanto, é de 92 % nessa condição de operação.
Os testes mencionados no parágrafo anterior foram realizados sem que a
função para rastrear o ponto de máxima potência fosse ativada. Após essa
etapa foi realizada a última etapa de testes, já com a função de rastreamento
ativada, ou seja, foi testado o MPPT, propriamente dito. Para isso foi utilizado
um arranjo como o que foi mostrado na figura 13.
5.3. Resultados dos testes
Em virtude do exíguo tempo disponível para o desenvolvimento do MPPT, uma
vez que era necessário que o projeto fosse implementado a tempo de ser
utilizado no DSB 2015, não foram realizados testes na quantidade esperada
para um novo equipamento. Além disso, os testes realizados não foram
completamente documentados, faltando, por exemplo, registro de tela de
46
CAPÍTULO 5 – IMPLEMENTAÇÃO
osciloscópio em testes que este equipamento foi utilizado. Ainda assim, é
apresentada a documentação produzida nos testes realizados.
Os testes do MPPT foram feitos com duas configurações. Em ambas as
configurações eram utilizados dois módulos MSX-77 da Solarex ligados em
série, cujo arranjo tem as seguintes características, em STC:

Pmáx: 154 W

Vmpp: 33,8 V

Impp: 4,56 A
O que diferenciou as configurações foram os bancos de baterias utilizados,
ambos formados por baterias OPTIMA YELLOWTOP modelo D51R. Um dos
bancos possuía três baterias e tensão de 36 V, já o outro banco possuía 4
baterias e tensão de 48V.
Era importante verificar se não haveria mudança significativa no ponto de
operação do arranjo fotovoltaico, mesmo que a tensão no banco de baterias
fosse modificada. A tabela 2 exibe os resultados obtidos:
TABELA 2 – Teste com função MPPT
Configuração 1
Configuração 2
Potência (W)
130
Potência (W)
132
Tensão (V)
32,1
Tensão (V)
32,2
Corrente (A)
4,05
Corrente (A)
4,10
É notável que o rastreamento da máxima potência foi realizado em ambas as
configurações. Destaca-se que os testes foram feitos com o tempo nublado, o
que fez com que os valores da máxima potência fossem inferiores ao mostrado
pelo fabricante em condições STC.
47
CAPÍTULO 5 – IMPLEMENTAÇÃO
5.4. Funcionamento em condições reais
O MPPT foi implementado em condições reais de uso, ou seja, na embarcação
para a qual se destina, no caso o catamarã Mangue. A ligação dos
componentes se deu conforme apresentado na figura 32. Com essa
implementação foi possível verificar o comportamento do MPPT durante um
longo período de operação e em condições desfavoráveis de instalação,
sobretudo em relação à temperatura e à vibração. Além disso, a alocação do
MPPT se dá dentro da mesma caixa que conta com outros equipamentos
elétricos e eletrônicos, tornando a questão da interferência no sinal dos
sensores algo também relevante.
Sensores
(Vpv e Ipv)
Sensores
(Vbat e Ibat)
+
+
+
+
+
+
Carga
MPPT
-
-
-
-
-
-
Figura 32 - Ligação dos componentes na embarcação
Para se ter ideia de como as questões anteriores são importantes, são
mostradas nas figuras 33 e 34 o esquema elétrico do catamarã Mangue e sua
caixa estanque, respectivamente.
48
CAPÍTULO 5 – IMPLEMENTAÇÃO
Figura 33 - Esquema elétrico do catamarã Mangue
Figura 34 - Caixa estanque do catamarã Mangue
No esquema elétrico apresentado na figura 33 é possível observar que no
mesmo compartimento do MPPT estão presentes um banco de baterias, duas
fontes, três sensores (que não são os sensores do MPPT), uma placa de
49
CAPÍTULO 5 – IMPLEMENTAÇÃO
prototipagem e uma ventoinha. Já na foto da caixa estanque mostrada na
figura 34 é notável como a distância entre os equipamentos é pequena.
Como não foram realizados muitos testes com o MPPT antes dele ser utilizado
no catamarã Mangue, a verificação completa de que o MPPT estava
funcionando corretamente veio da análise do seu comportamento durante o
DSB 2015.
Nas condições reais de uso, o MPPT teve comportamento muito próximo com o
apresentado nos testes em bancada e nas simulações, fazendo o rastreamento
da máxima potência, fato verificado comparando a tensão de operação do
arranjo fotovoltaico e a tensão especificada pelo fabricante do painel
fotovoltaico utilizado. Essa tensão de operação não se alterava conforme a
tensão da bateria oscilava, a alteração da tensão ocorria somente quando
havia mudança de temperatura e insolação. Esse fato mostra que o conversor
estava seguindo o ponto de máxima potência. Ressalta-se que a tensão da
bateria muitas vezes sofria oscilações rápidas seja quando o nível de carga
estava elevado (oscilação para cima) ou quando o motor da embarcação
estava sendo utilizado com um alto nível de potência (oscilação para baixo).
O sistema de proteção funcionou como o previsto no projeto. Por muitas vezes
a tensão do banco de baterias subia para valores acima dos limites
estabelecidos, tal fato ocorria porque a bateria estava totalmente carregada e
continuava recebendo injeção corrente. Nessas situações, o conversor
paralisava o chaveamento e só retornava com o acionamento da chave
manual.
O IHM também teve funcionamento adequado. O MPPT só funcionava com a
chave manual acionada e o LED ficava acesso enquanto ocorria chaveamento
e apagava sempre que uma proteção atuava, paralisando o chaveamento, ou a
chave manual desligava o MPPT.
50
CAPÍTULO 5 – IMPLEMENTAÇÃO
Não houve qualquer problema com interferência causada por outros
equipamentos elétricos e eletrônicos presentes na caixa estanque do catamarã
Mangue e nem com a vibração a que o MPPT foi submetido durante o DSB
2015.
O único contratempo apresentado se deu pela alta temperatura durante a
operação. Isso levou à danificação de uma trilha que interligava um dos
indutores ao MOSFET’s do circuito de potência. A solução encontrada foi
refazer a ligação desse indutor através de uma solda direto no ponto de
conexão com o circuito de potência, sem passar pela trilha. Após este fato, foi
implementado um sistema de ventilação forçada para que o MPPT funcionasse
adequadamente e não houvesse danos aos componentes dos circuitos. Mesmo
após este incidente, o MPPT continuou a funcionar corretamente.
51
CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO
CONCLUSÃO
Este capítulo conclui o trabalho abordando como o objetivo proposto foi
atingido e quais melhorias podem ser feitas no futuro.
6.1. Objetivo Alcançado
O MPPT foi utilizado nas provas do Desafio Solar Brasil 2015. O que permitiu
uma avaliação bastante completa de seu comportamento em condições
extremas e por um longo tempo. Como foi dito no capítulo 5, a única questão
que efetivamente trouxe problemas foi a temperatura. Por conta disso, foi
necessário inserir ventilação forçada na caixa que abriga o MPPT. Após essa
modificação, o funcionamento foi normal.
O rastreamento da máxima potência foi confirmado através da verificação da
tensão de operação dos painéis fornecidos pela organização da competição.
As proteções também atuaram corretamente.
Assim, todas as etapas deste trabalho foram cumpridas. Desde o projeto,
passando pelas simulações e testes, até chegar ao uso em condições reais do
MPPT.
6.2. Trabalhos futuros
As melhorias possíveis de serem feitas no MPPT são diversas e serão
elencadas aqui. A eficiência é a que apresenta a maior prioridade. Há ainda
melhorias de IHM, introdução de um filtro para retirada de ruído e melhoria do
sistema de refrigeração.
CAPÍTULO 6 – CONCLUSÃO
Para a eficiência poder ser otimizada com a topologia utilizada atualmente é
necessário fazer um estudo detalhado das perdas em cada parte do hardware
(DSC, placa de expansão, drive, fonte, conversor CC-CC). Assim, é possível
determinar onde ocorre a maior parte das perdas que podem ser evitadas.
O IHM existente hoje é extremante rudimentar. A sua melhoria representaria
um grande avanço, sobretudo, em relação à possibilidade de haver o
monitoramento das variáveis de tensão e corrente em tempo real. Hoje as
únicas informações existentes são que o funcionamento está normal ou que o
chaveamento foi paralisado, mas não há informação vinda do MPPT que diga o
motivo.
A
diminuição
dos
ruídos
introduzidos
pelo
conversor
A/D
funciona
relativamente bem, porém, a introdução de um filtro melhoraria essa situação e
faria com que a precisão das informações lidas dos sensores fosse maior,
melhorando o rastreamento da máxima potência e a precisão das proteções.
Como foi mencionado, durante o Desafio Solar Brasil, foi necessário introduzir
uma ventilação forçada para que o MPPT continuasse a operar. Portanto, é
necessário que haja, futuramente, um projeto de melhoria na refrigeração.
53
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BIBLIOGRÁFICAS
[1]
Sítio
do
Desafio
Solar
Brasil.
Disponível
em
Acesso
em
<https://desafiosolar.wordpress.com/odesafio/objetivos/>
20/01/2016.
[2] ALVES, R. N., Propulsão Elétrica de Navios. Dissertação de Mestrado,
COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2007.
[3] BARAN, R., LEGEY, L. F. L. Veículos elétricos: história e perspectiva no
Brasil.
Disponível
em
<https://web.bndes.gov.br/bib/jspui/bitstream/1408/1489/1/A%20BS%2033%20
Ve%C3%ADculos%20el%C3%A9tricos%20%20hist%C3%B3ria%20e%20perspectivas%20no%20Brasil_P.pdf>
Acesso
em 03/02/2016.
[4] MOHAN, N.; UNDELAND, T. M.; Robbins, W. P.; Eletrónica de potencia:
Convertidores, aplicaciones y diseño. 3ed. Cidade do México: McGrawHill,
2009.
[5] Sítio do Controlador Digital de Sinais TMS320F28335. Disponível em
<http://www.ti.com/product/TMS320F28335> Acesso em 20/01/2016.
[6]
Curso
sobre
a
arquitetura
do
TMS320F28335.
Disponível
em
<http://cnx.org/contents/WhAChLus@2/Module-2-Architecture-of-the-T> Acesso
em 27/03/2016.
[7] Folha de Dados da bateria General Purpose 537-7305. Disponível em <
http://docseurope.electrocomponents.com/webdocs/0b5b/0900766b80b5b643.pdf>
Acesso em 31/01/2016.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[8] Folha de dados do sensor de tensão LEM LV 25-P. Disponível em
<http://www.lem.com/docs/products/lv%2025-p.pdf> Acesso em 28/12/2015.
[9] Folha de dados do sensor de corrente LEM HAS-100-S. Disponível em
<http://www.lem.com/docs/products/has%2050%20600-s%20e.pdf> Acesso em
28/12/2015.
[10] Sítio da fonte Magna-Power Electronics XR50-40/208SP. Disponível em
<http://www.magna-power.com/products/programmable-dc-power-supplies/xrseries> Acesso em 28/12/2015.
[11]
Sítio
da
carga
eletrônica
NHR
4700.
Disponível
em
<http://nhresearch.com/ac-dc-electronic-loads/dc-electronic-loads/high-currentdc-electronic-loads-4700-series/> Acesso em 28/12/2015.
[12] VILLALVA, M. G.; GAZOLI, J. R.; Energia solar fotovoltaica: conceitos e
aplicações. 1ed. São Paulo: Érica, 2012.
[13] PINHO, J. T.; GALDINO, M. A.; Manual de Engenharia para Sistemas
Fotovoltaicos. 2ed. Rio de Janeiro: CEPEL-CRESESB, 2014.
[14] RASHID, M. H., Eletrônica de potência: circuitos, dispositivos e
aplicações. 2ed. São Paulo: Makron Books,1999.
[14] SOBREIRA JR., P. A., Conversor CC-CC boost entrelaçado aplicado no
processamento da energia de arranjo solar fotovoltaico. Dissertação de
Mestrado, UFJF, Juiz de Fora, MG, Brasil, 2011.
[15] Folha de dados da bateia OPTIMA YELLOWTOP D51R. Disponível em
<http://d26maze4pb6to3.cloudfront.net/optimabatteries/4713/4583/5068/YELLO
WTOP_Full_Specs_Sheet.pdf> Acesso em 30/12/2015.
[16] COLLARES, F. S., Comparação quantitativa de métodos de paralelismo de
módulos fotovoltaicos com a rede elétrica para geração distribuída através do
controle de conversores de potência. Dissertação de Mestrado, UFMG, Belo
Horizonte, MG, Brasil, 2012.
55
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[17] VIEIRA, L. P., Guia de Utilização do Controlador Digital de Sinal
TMS320F28335. Monografia, UFJF, Juiz de Fora, MG, Brasil, 2013.
[18] Manual do Controlador Digital de Sinais TMS320F28335. Disponível em
<http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320f28335.pdf> Acesso em 20/01/2016.
[19]
PSIM:
Simulador
de
conversores
estáticos.
Disponível
em
<http://intranet.ctism.ufsm.br/gsec/Apostilas/psim.pdf> Acesso em 27/03/2016.
56
APÊNDICE A - CÓDIGO PARA ATENUAÇÃO DE RUÍDO
CÓDIGO PARA ATENUAÇÃO DE RUÍDO
static int Start=0;
static int i=0;
static int a;
static int delay;
static int teste=0;
static float v1=0;
static float v2=0;
static float v3=0;
static float v4=0;
static float cont=0;
static float media_1;
static float media_2;
static float media_3;
static float media_4;
float vetor_1[21];
float vetor_2[21];
float vetor_3[21];
float vetor_4[21];
if (cont<21)
{
media_1=x4;
media_2=x3;
media_3=x1;
media_4=x2;
APÊNDICE A – CÓDIGO PARA ATENUAÇÃO DE RUÍDO
cont++;
}
if (i<20){
vetor_1[i]=x1;
vetor_2[i]=x2;
vetor_3[i]=x3;
vetor_4[i]=x4;
v1=v1+vetor_1[i];
v2=v2+vetor_2[i];
v3=v3+vetor_3[i];
v4=v4+vetor_4[i];
y1=media_1;
y2=media_2;
y3=media_3;
y4=media_4;
i=i+1;
}
if(i==20)
{
media_1=v1/20;
media_2=v2/20;
media_3=v3/20;
media_4=v4/20;
58
APÊNDICE A – CÓDIGO PARA ATENUAÇÃO DE RUÍDO
y1=media_1;
y2=media_2;
y3=media_3;
y4=media_4;
i=0;
v1=0;
v2=0;
v3=0;
v4=0;
}
59
APÊNDICE B - CÓDIGO DO MPPT
CÓDIGO DO MPPT
/* ---------------------- Declaração de Variáveis ------------------- */
/* ------------- Variáveis de Funcionamento ------------*/
static float Ch=0;
/*Chave manual - Ch=1 liga / Ch=0 desligada*/
static float start=0; /*Inicialização do PWM*/
static float stop=1; /*Interrupção do PWM*/
static float Led=0; /*Led de sinalização de funcionamento normal*/
static float D=0.15; /*Duty Cycle*/
static float bloq=0; /*Bloqueio do MPPT*/
static float MPPT; /*Rastreamento de máxima potência - MPPT=1 ativado /
MPPT=0 desativado*/
/* --- Variáveis de Rastreamento de Potência---*/
static float P;
static float Pant = 0;
static float deltaP = 0;
static float V;
static float Vant = 0;
static float deltaV = 0;
static float VRef = 0.8;
static float I;
static float delta = 0.002;
static float Vbat;
static float Ibat;
APÊNDICE B – CÓDIGO DO MPPT
/* -------- Variáveis de Leitura -------*/
static float Vbat_proc;
static float Vpv_proc;
static float Ipv_proc;
static float Ibat_proc;
/* ------- Variáveis Auxiliares -------*/
static float Vlimit=1.3;
static float delay=0;
static float a=0;
/* ----------------------------------------------------------------------- */
y4=Led;
/* --------- Leitura e escrita de dados no Code Composer ------- */
Vbat_proc=x1;
Vpv_proc=x2;
Ipv_proc=x4;
Ibat_proc=x3;
/* ---- Conversão para os valores pu. Bases são 36V e 50A ---*/
Vbat=(((Vbat_proc-1.3952)/0.0123)/36);
V = (((Vpv_proc-1.3974)/0.0122)/36);
I = (((Ipv_proc-1.3957)/0.0026)/200); /*São dadas 4 voltas do fio no sensor*/
Ibat=(((Ibat_proc-1.395)/0.0026)/50);
y5=36*Vbat;
y6=36*V;
y7=50*Ibat;
61
APÊNDICE B – CÓDIGO DO MPPT
y8=50*I;
Ch=x5;
MPPT=x6;
/* -------------- Delay para resolver bug na inicialização ----------- */
if (delay==0)
{
if (a<3)
{
a=a+1;
}
else
{
delay=1;
}
}
/* ----------------------------- Programa ---------------------------- */
else
{
if (Ch==0)/*Chave desligada*/
{
bloq=0;
Led=0;
y4=Led;
62
APÊNDICE B – CÓDIGO DO MPPT
Vlimit=1.3; /*Retorna o limite original*/
y1=0.4;
start=0;
stop=1;
y2=start;
y3=stop;
}
if (((Ibat>0.8) || (Vbat>Vlimit)) && (Ibat>0)) /*Proteções da bateria*/
{
y1=0.2;
start=0;
stop=1;
y2=start;
y3=stop;
bloq=1;
Led=0;
y4=Led;
if (Vbat>Vlimit)
{
Vlimit=1.17;
}
}
if (bloq==1)
{
y1=0.2;
start=0;
63
APÊNDICE B – CÓDIGO DO MPPT
stop=1;
y2=start;
y3=stop;
Led=0;
y4=Led;
}
if (Ch==1 && bloq==0) /*Caso a chave esteja acionada o conversor é
iniciado*/
{
start=1;
stop=0;
y2=start;
y3=stop;
Led=1;
y4=Led;
/* ---------------- Rastreamento da Máxima Potência --------------- */
if (MPPT==1)
{
P = V*I;
deltaP = P - Pant;
deltaV = V - Vant;
if (deltaP > 0)
{
if(deltaV > 0)
{VRef = VRef + delta;
64
APÊNDICE B – CÓDIGO DO MPPT
}
if (deltaV < 0)
{VRef = VRef - delta;
}
}
if (deltaP < 0)
{
if(deltaV > 0)
{VRef = VRef - delta;
}
if (deltaV < 0)
{VRef = VRef + delta;
}
}
if (VRef>1.25)
{ VRef=1.25;}
if (VRef<0)
{VRef=0;}
y9=VRef;
Vant = V;
Pant = P;
D=(Vbat-VRef)/Vbat;
y1=1-D; /*Devido a configuração inversora do Drive*/
}
65
APÊNDICE B – CÓDIGO DO MPPT
/* ----------------- Conversor sem função MPPT --------------- */
else if (MPPT==0)
{
D=x7;
y1=1-D; /*Devido a configuração inversora do Drive*/
}
}
}
66
APÊNDICE C - CALIBRAÇÃO DOS SENSORES
CALIBRAÇÃO DOS SENSORES
O MPPT possui ao todo quatro sensores (2 de tensão e 2 de corrente) que são
essenciais para o seu funcionamento, tanto para sua função primordial de
rastreamento da máxima potência, quanto para proteção do banco de baterias.
Um dos sensores mede a tensão, enquanto outro sensor mede a corrente do
arranjo fotovoltaico. O mesmo ocorre com o banco de baterias.
O sensor de tensão utilizado é o modelo LV 25-P da LEM. Trata-se de um
transdutor cuja faixa de operação depende dos resistores ligados ao primário
(R1) e ao secundário (RM). A figura 35 mostra o esquema de ligação do sensor,
enquanto a figura 36 exibe o sensor fisicamente.
Figura 35 - Esquema de ligação do sensor de tensão LV 25-P. Fonte [8]
Figura 36 – Sensor de tensão LV 25-P
APÊNDICE C – CALIBRAÇÃO DOS SENSORES
O sensor de corrente empregado é o HAS-100-S. É um transdutor que mostra
uma tensão nos terminais de medida para cada corrente aferida. Não há
necessidade de fazer ligação com resistores, apesar de o esquema prever tal
possibilidade. A figura 37 exibe o esquema de ligação do sensor, enquanto a
figura 38 mostra o sensor fisicamente.
Figura 37 - Esquema de ligação do sensor de corrente HAS-100-S. Fonte [9]
Figura 38 - Sensor de corrente HAS-100-S
Cada sensor mostra uma tensão nos seus terminais de medida para cada
grandeza aferida, seja tensão ou corrente. Assim, é necessário encontrar uma
função que relacione a grandeza medida com o valor da tensão mostrada. Esta
é a função da calibração.
68
APÊNDICE C – CALIBRAÇÃO DOS SENSORES
C.1. Calibração dos sensores de tensão
O procedimento adotado aqui foi ligar a fonte de tensão aos terminais +HT e –
HT do sensor de tensão. Com a ligação efetuada, a tensão da fonte sofreu
incrementos e para cada incremento foi feita a leitura da tensão medida. Essa
medida foi realizada já no DSC, ou seja, o sinal lido já passou pelo circuito de
condicionamento de sinal, pelo conversor A/D e está com offset. A tabela 3
mostra o resultado das medições efetuadas, nela P3 e P4 se referem à tensão
lida no DSC.
TABELA 3 – Calibração dos Sensores de Tensão
Fonte (V)
P4 (V)
P3 (V)
5,00
1,456747 1,459266
8,01
1,49417
1,495443
10,02
1,518028
1,51979
13,00
1,555038 1,556382
16,01
1,592948 1,593457
20,02
1,644177 1,642313
23,02
1,680007 1,679377
26,01
1,715112 1,716573
28,02
1,741069 1,740377
30,00
1,764401 1,764946
33,01
1,801699 1,801912
36,01
1,838588 1,838203
39,00
1,877604 1,875293
Com os dados obtidos foi possível plotar as retas que descrevem o
comportamento de cada sensor. Elas podem ser vistas nas figuras 39 e 40.
69
APÊNDICE C – CALIBRAÇÃO DOS SENSORES
Figura 39 - Curva de calibração do sensor de tensão P3
Figura 40 - Curva de calibração do sensor de tensão P4
A partir das curvas é possível encontrar as equações correspondentes. Como
P3 foi o sensor utilizado para leitura da tensão do arranjo fotovoltaico (Vpv) e P4
fez a leitura do banco de baterias (Vbat), temos as seguintes equações para
encontrar os valores reais a partir das leituras dos sensores:
𝑉𝑃𝑉 = 81,96723111 × 𝑃3 − 114,5409836
𝑉𝐵𝐴𝑇 = 81,30081301 × 𝑃4 − 113,4308943
70
APÊNDICE C – CALIBRAÇÃO DOS SENSORES
C.2. Calibração dos sensores de corrente
Para a calibração dos sensores de corrente é utilizada a mesma fonte utilizada
anteriormente, porém é feito um curto-circuito e a corrente é limitada aos
valores do incremento desejado. Para evitar a circulação de uma corrente
excessivamente alta pelos condutores, foram dadas três voltas de cada
condutor em cada sensor. Assim, a corrente lida IP equivale a três vezes a
corrente fornecida pela fonte. Na tabela 4, os valores já estão multiplicados.
Destaca-se também o fato de haver diferenciação de sentido, o que resulta em
sinais diferentes.
Todo o tratamento dos dados é similar ao feito anteriormente. Aqui sensores
são nomeados de P1 e P2 e os resultados são apresentados na tabela 4.
TABELA 4 – Calibração dos Sensores de Corrente
Fonte (A)
P1 (V)
P2 (V)
84,30
1,614009 1,618407
76,20
1,592578 1,596866
69,24
1,574747 1,578578
61,26
1,553335 1,556785
53,25
1,533245 1,535369
45,27
1,512612 1,514414
37,17
1,491478 1,493009
29,16
1,47052
1,471813
21,18
1,44935
1,451052
13,11
1,429651 1,430475
5,01
1,407546 1,408033
-20,91
1,341006 1,340808
-45,12
1,278896 1,277893
-84,06
1,17654
1,174552
71
APÊNDICE C – CALIBRAÇÃO DOS SENSORES
Os dados aquisitados permitem a plotagem das retas que descrevem o
comportamento de cada sensor. Elas podem ser vistas nas figuras 41 e 42.
Corrente - P1
P1
Linear (P1)
y = 0,0026x + 1,395
2
1,5
1
0,5
0
-100
-50
0
50
100
Figura 41 - Curva de calibração do sensor de corrente P1
Corrente - P2
P2
Linear (P2)
y = 0,0026x + 1,3957
2
1,5
1
0,5
0
-100
-50
0
50
100
Figura 42 - Curva de calibração do sensor de corrente P2
As equações correspondentes dos sensores de corrente obtidas a partir das
curvas são:
𝐼𝑃𝑉 = 384,6153846 × 𝑃2 − 536,5384615
𝐼𝐵𝐴𝑇 = 384,6153846 × 𝑃1 − 536,8076923
72
APÊNDICE D - TESTES COM O CONVERSOR CC-CC
TESTES COM O CONVERSOR CC-CC
Aqui serão descritos os testes realizados com o conversor sem a função de
rastreamento da máxima potência ativado. Estes testes contaram com uma
fonte e uma carga eletrônica, funcionando, respectivamente, como Vpv e Vbat,
seguindo a nomenclatura adotada no circuito da figura 7. Na figura 43 o
esquema utilizado no teste é mostrado.
Figura 43 - Esquema para teste do conversor CC-CC
A fonte utilizada é a Magna-Power Electronics modelo XR50-40/208SP, ela
pode ser vista na figura 44. Nos testes realizados os níveis de tensão foram
ajustados para valores fixos e a corrente sempre foi limitada de maneira a
garantir a segurança do teste. Isso foi possível porque essa fonte permite tal
configuração, tendo, portanto, uma importante característica de permitir a
limitação da corrente fornecida.
Figura 44 - Fonte Magna-Power Electronics XR50-40/208SP. Fonte [10]
APÊNDICE D – TESTES COM O CONVERSOR CC-CC
A carga eletrônica usada é a NHR do modelo 4700, ela pode ser visualizada
na figura 45. Esse equipamento permite que se faça variadas programações
nas quais se define qual o parâmetro da carga deve ser mantido constante.
Assim, é possível definir que a carga, por exemplo, deve sempre consumir uma
determinada potência, independentemente de como a tensão e a corrente
variam. Para os testes realizados com o conversor, o parâmetro mantido
constante foi a corrente, assim foi possível observar como o conversor
modificava os patamares de tensão quando funcionava com a potência próxima
do valor nominal de 1kW.
Figura 45 - Carga eletrônica NHR 4700. Fonte [11]
Na tabela 5 estão os resultados obtidos com os testes. É possível verificar o
valor esperado na saída Vbat, de acordo com o D escolhido, e o valor real
encontrado. Além disso, há também informação das perdas para cada
situação.
74
APÊNDICE D – TESTES COM O CONVERSOR CC-CC
TABELA 5 – Teste com potência nominal sem função MPPT
Vpv
Vbat
Vbat
ΔVbat
Ppv
Pbat
Perda
(V)
(V) esperado
(V) real
(V)
(W)
(W)
(%)
28,01
32
30,04
1,96
974,75
913,22
6,31
28,01
36
33,87
2,13
1003,88
937,52
6,61
28,01
38
35,82
2,18
975,31
925,95
5,06
28,00
42
39,60
2,40
995,40
909,22
8,66
28,01
48
45,30
2,70
1019,56
874,74
14,20
29,01
36
33,92
2,08
1006,65
884,29
12,15
29,01
38
35,84
2,16
1016,80
938,29
7,72
29,01
42
39,70
2,30
956,46
921,44
3,66
29,01
48
45,40
2,60
985,76
929,79
5,68
30,01
36
33,96
2,04
1011,34
931,86
7,86
30,01
38
35,85
2,15
1038,35
963,65
7,19
30,01
42
39,80
2,20
1051,55
975,10
7,27
30,01
48
45,50
2,50
1034,75
926,38
10,47
31,01
36
33,95
2,05
1057,13
979,12
7,38
31,01
38
35,92
2,08
1078,22
1004,32
6,85
31,00
42
39,70
2,30
1076,01
979,40
8,98
31,01
48
45,60
2,40
1035,73
928,87
10,32
A partir dos dados é possível verificar que existe uma queda de tensão que se
concentra entre 2 V e 2,5 V, porém, o conversor responde adequadamente ao
D programado. A queda de tensão se deve ao chaveamento e, também, às
quedas de tensões nos diodos antiparalelos presentes nos MOSFET’s
utilizados como chaves. Também é constatado nos dados que a perda de
potência tem um comportamento aleatório em relação ao chaveamento. A
média da perda é de, aproximadamente, 8% quando a potência de entrada é
de 1kW em média. A perda se dá no chaveamento e também no consumo da
fonte interna, do DSC, do drive, etc. Não foi feito um estudo sobre a parcela de
cada um dos fatores na perda global.
75
ANEXO A - FOLHA DE DADOS DA BATERIA OPTIMA D51
FOLHA DE DADOS DA BATERIA OPTIMA D51
ANEXO A – FOLHA DE DADOS DA BATERIA OPTIMA D51
77
ANEXO B - FOLHA DE DADOS DO PAINEL JINKO JKM260-P
FOLHA DE DADOS DO PAINEL JINKO JKM260-P
ANEXO B – FOLHA DE DADOS DO PAINEL JINKO JKM260-P
79