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 AraújoCo-orientador: Eng. Nuno Francisco Costa

Porto, 27 de Junho de 2011

©Francisco Manuel Macedo de Figueiredo falcão e Cunha, 2011

4

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

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

iv

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 ..................................................................................................................... 34

IMPLEMENTAÇÃO DOS SUBSISTEMAS EM SOFTWARE DE SIMULAÇÃO...........................................34

CAPÍTULO 5 ..................................................................................................................... 35

SIMULAÇÃO E ANÁLISE....................................................................................................35

CAPÍTULO 6 ..................................................................................................................... 36

CONCLUSÕES.................................................................................................................36

REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 37

v

Lista de Figuras

Figura 1 Modelo PV com um díodo.............................................................................4Figura 2 Modelo PV com dois díodos..........................................................................4Figura 3 Modelo PV de um díodo simplificado............................................................5Figura 19 Curva I/V com diferentes radiações solares...............................................6Figura 20 Curva P/V com diferentes radiações solares..............................................6Figura 21 Curva I/V com diferentes temperaturas.....................................................7Figura 22 Curva P/V com diferentes temperaturas....................................................7Figura 4 Sistema de inversor central.......................................................................10Figura 5 Sistema de string com inversor..................................................................11Figura 6 Sistema multistring com inversor...............................................................12Figura 7 Conversor DC-DC Buck...............................................................................13Figura 8 Conversor DC-DC Boost.............................................................................13Figura 9 Conversor DC-DC Buck-Boost.....................................................................14Figura 10 Conversor DC-DC de ponte completa.......................................................15Figura 11 Ponto de operação do método de MPPT de condutância incremental......16Figura 12 Curva de potência de um PV....................................................................17Figura 13 Caracteristica I-V típica de um PV............................................................18Figura 14 Implementação de controlo MPPT baseado em lógica difusa...................18Figura 15 Implementação de control MPPT baseado em redes neuronais................19Figura 16 Implementação do controlo MPPT baseado na tensão do condensador DC.................................................................................................................................20Figura 17 Modelo eléctrico do um painel fotovoltaico: (a) ideal, (b) real..................21Figura 18 Curvas Corrente/Tensão (a) e Potência/Tensão (b)..................................22Figura 23 Modelo usado em PSIM® para simular um painel solar...........................24Figura 24 Bloco do painel solar em PSIM®..............................................................26Figura 25 Conversor Interleaved boost de duas fases..............................................29Figura 26 Modo 0 com S1 e D1 em condução e S2 e D2 abertos.............................30Figura 27 Modo 1 com S1 e S2 em condução e D1 e D2 abertos.............................30Figura 28 Modo 2 com S1 e D1 abertos e S2 e D2 em condução.............................30Figura 29 Modo 3 com S1 e S2 abertos e D1 e D2 em condução.............................31Figura 30 Formas de onda genéricas do conversor interleaved de duas fases........31

vi

Lista de Tabelas

Tabela 1 Características do Painel Fotovoltaico.......................................................24Tabela 2 Características do sistema a desenvolver.................................................25Tabela 3 Resumo das características das topologias de conversores......................26Tabela 4 Especificações do conversor interleaved boost.........................................31

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Abraviaturas e Símbolos

AC – Alternated CurrentCAD - computer-aided designCC – Corrente contínuaDC – Direct CurrentDSP - Digital Signal ProcessorHFT – High Frequency Transformerip – Corrente do painel solariref – Corrente de referênciaMPP – Max power pointMPPT – Max power point trackerPSIM – PowersimPV – Photovoltaic CellPPV – Potência do módulo fotovoltaicoPWM - Pulse-width modulationRp – Resistência em paraleloRs – Resistência em serievlink – Tensão da ligação DC

viii

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 TrabalhoEste 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:

PSIM® - Desenho, simulação e implementação MATLAB® - Ambiente de programação em linguagem de alto nível.

I. 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.

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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].

2.1.1HistóriaA 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

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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, 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.

2.1.2Modelos e circuitos equivalentes

4.1.4.1 Modelos com um e dois díodosUm 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

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complexidade. Este modelo, representado na Figura 2, representa de uma forma mais realista o PV [11].

Figura 2 Modelo PV com dois díodos.

4.1.4.2 Modelo de um díodo sem resistênciasPara simplificar, as resistências podem ser retiradas do modelo. A resistência

Rp 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.

2.1.3Influência 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

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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

(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.

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.

6

I SC=I 'SC× GGref

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 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.

7

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.

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]

8

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

2.3.1Sistemas 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.

2.3.2Sistemas isolados/independentes da redeMuitas 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.

9

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])

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2.3.1Sistema 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].

11

2.3.2Sistema 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].

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2.3.3Sistema 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

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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.

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]

2.4.1Conversor 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.

2.4.2Conversor 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, Step-Up (subidor), este conversor tem uma tensão de saída sempre superior à tensão de entrada.

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Figura 12 Conversor DC-DC Boost

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.

2.4.3Conversor 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.

2.4.4Conversor DC-DC de ponte completa

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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:

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

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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]

4.1.1Condutância 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

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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.

4.1.2Perturbação e observaçãoA 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.

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.

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4.1.3Características I-V linearizadasAs 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.

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.

4.1.4Controlo 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 trabalhar-se 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.

19

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.

4.1.5Controlador MPPT baseado em redes neuronaisTal 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.

20

Figura 19 Implementação de control MPPT baseado em redes neuronais.

4.1.6Controlo 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.

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:

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d=1− VV link

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.

22

Capítulo 3

Subsistemas a usar

3.1 Painéis Fotovoltaicos

3.2.1Introdução

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.

3.2.2Princípio 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.

23

Figura 21 Modelo eléctrico do um painel fotovoltaico: (a) ideal, (b) real.

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.

3.2.3Cálculo dos parâmetros do modelo equivalente

24

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−ID−IP , (3.1)

I ph=I SC ( S1000 )+J o(T−T ref )

, (3.2)

I d=I o [exp{q(V +RS I )nkT }−1]

, (3.3)

I o=I do( TT ref )

3exp {qEg

nk ( 1T ref

− 1T )}

, (3.4)

IP=(V +RS I )

RP , (3.5)

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

Eg=N s (Egref−7 .02∗10−4 . T 2

T+1108 ), (3.6)

I do=I SC

exp {( qV OC

nkTN s)−1}

, (3.7)

25

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.

Rp ,min=V mp

I SC−Imp−VOC−Vmp

Imp , (3.8)

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.

3.2.4Implementação 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.

26

Figura 23 Modelo usado em PSIM® para simular um painel solar.

3.2.5SimulaçãoO 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 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 WISC 8,6 AVOC 37 VImpp 7,84 AVmpp 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.

27

Figura 24 Bloco do painel solar em PSIM®.

3.2 Conversor DC-DC

3.2.1Escolha da topologia a adoptarPretende-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.

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 3,3 kWCorrente máxima por string 11 ARendimento (europeu) 98,5 %Gama de tensão de entrada 280-518 VTensão na saída 770 VPainel fotovoltaico:Potência 235 WVOC 37 VISC 8,6 AVmppt 30 V

28

Imppt 7,84 A

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 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.

TopologiaComplexidade do controlo

switchesCaracterística

HFT

Boost Baixa 1 Step-up Não

29

Buck-boost Baixa 1 Step-up/down NãoBuck Baixa 1 Step-down NãoFlyback Baixa 1 Step-up/down SimForward Baixa 1 Step-down SimMeia ponte Média 2 Step-up/down SimPonte 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 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].

30

PSSL=12V out

I inN

( ton+t r+toff+ t f ) f S(3.10)

PSCL=RDSOND ( I inN )2

(3.11)

Nos diodos são calculadas perdas de condução e de recuperação (3.12) e (3.13)

PDCL=V F

I outN

D(3.12)

PDRRL=12V out( IRMn )t rr f S

(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=RW ( IinN )2

(3.14)

Será, portanto, a melhor escolha para o sistema definido.

Figura 25 Conversor Interleaved boost de duas fases.

31

3.2.2Funcionamento em regime permanenteO 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 Vpv. 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.

32

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.

33

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=V o−V pv

V o, (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

ΔI L=V pv (V o−V pv )

f S . L .V o, (3.16)

34

onde L1=L2=L. Substituindo a equação (3.15) em (3.16) pode-se retirar o valor de L como

L=V pv .DΔI L . f S

, (3.17)

O condensador é calculado com

C=I o .D

f S . ΔVC, (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

V S1 , S 2=VD1 ,D 2=V pv1

1−D, (3.19)

A corrente fornecida pelos painéis fotovoltaicos à potência máxima é

I pv=Po

V pv .η, (3.20)

Num interleaved de duas fases, a corrente rms em cada interruptor é

I S 1, S2=I pvP √ 5−D

4, (3.21)

em que P é o número de fases.

3.2.1Dimensionamento

Na tabela 4 encontram-se as especificações para o conversor.

Tabela 4 Especificações do conversor interleaved boost.

Características do conversor interleaved

35

boost

Tensão de entrada350-518

V

Tensão de saída 770 VPotência 3300 W

Frequência de comutação 25kHz

Ripple de corrente nas bobinas

10%Io

Ripple de tensão na saída 5%Vo

Número de fases do interleaved

2

Substituindo os valores especificados nas equações em cima enumeradas obtemos:

Cálculo do dytu cycle:

D=770−350770

=0 .545

, (3.15)

Cálculo da bobina:

L=350∗0 .5450 .1∗4 .29∗25000

=19 . 8mH

, (3.17)

Cálculo do condensador:

C= 4 .29∗0 .54525000∗0 .05∗770

=2.4 μF

, (3.18)

Cálculo da tensão máxima nos semi-condutores:

V S1 , S 2=VD1 ,D 2=280∗ 11−0 .64

=769V(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=3300420∗0 . 96

=8 .18 A(3.20)

36

em que a corrente rms em cara interruptor é:

I S 1, S2=8 .18

2 √ 5−0.5454

=4 .32(3.21)

3.3 Controlador MPPT

3.4 Carga aplicada ao barramento

37

Capítulo 4

Implementação dos Subsistemas em software de simulação

38

Capítulo 5

Simulação e Análise

39

Capítulo 6

Conclusões

40

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