Microinversor Para Painel Fotovoltaico

8/12/2019 Microinversor Para Painel Fotovoltaico

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Sandro do Vale, 2012


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ndice

NDICE.................................................................................................................................................. IV LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................................ VI LISTA DE TABELAS ............................................................................................................................... VII ABREVIATURAS E SMBOLOS ............................................................................................................. VIII CAPTULO 1 ............................................................................................................................................ 1

INTRODUO ......................................................................................................................................... 1

1.1. MOTIVAO .......................................................... ................................................................. ....... 3 1.2. ESTRUTURA DO DOCUMENTO .......................................................... .................................................. 3

CAPTULO 2 ............................................................................................................................................ 4

ESTADO DA ARTE .................................................................................................................................... 4

2.1. SISTEMA DE ENERGIA FOTOVOLTAICOS ................................................................................................ 4

2.1.1. Sistema Hbrido ........................................................ ............................................................. 5 2.1.2. Sistemas Autnomos ............................................................................................................ 5 2.1.2.1. Carga CA sem Armazenamento ............................................................................................ 6 2.1.2.2. Carga CA com armazenamento ............................................................................................ 6

2.1.3. Sistema Ligado Rede ........................................................ .................................................. 7 2.2. PRINCPIOS DOSISTEMA DECONVERSO DEENERGIAFOTOVOLTAICA ....................................................... 8

2.2.1. Elementos Constituintes de um Sistema Fotovoltaico .......................................................... 8 2.2.1.1. Painel Fotovoltaico ................................................................................................................ 8 2.2.1.2. Conversor CC/CC .................................................................................................................... 9 2.2.1.3. Conversor CC/CA .................................................................................................................. 10 2.2.1.4. Algoritmo MPPT .................................................................................................................... 10

2.2.1.4.1. Tcnica Condutncia incremental ...................................................................................... 10 2.2.1.4.2. Tcnica MPPT Perturbao e Observao (P&O) ............................................................ 11

2.2.1.5. Normas Aplicadas aos Sistemas Fotovoltaicos ................................................................. 12 2.2.2. Classificao das Topologias .............................................................................................. 13 2.2.2.1. Nmero de andares .............................................................................................................. 13 2.2.2.2. Nmero de Nveis da Tenso de Sada .............................................................................. 14 2.2.2.3. Transformador ...................................................................................................................... 15

2.3. CONFIGURAO DOSINVERSORES EMSISTEMASFOTOVOLTAICOS .......................................................... 16 2.3.1. Centralizada ............................................................. ........................................................... 17 2.3.2. Em Fileira (ou String) .......................................................................................................... 18 2.3.3. Mltiplas Fileiras (ou Multi String) ..................................................................................... 18 2.3.4. Mdulo CA (ou Mdulo Integrado) ..................................................................................... 19

2.4. CONVERSORCC/CA .................................................................... ................................................. 20 2.4.1. Microinversor ........................................................... ........................................................... 21 2.4.2. Estrutura de controlo para conversor CC/CA ligado rede ................................................ 21

2.2.1.5. Controlador Proporcional integral (PI) .............................................................................. 22 2.2.1.6. Mtodo Proporcional Ressonante (PR) .............................................................................. 23


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2.2.1.7. Mtodo de Controlo Vetorial .............................................................................................. 23 2.2.1.8. Mtodo de Controlo por histerese ..................................................................................... 23 2.2.1.9. Mtodo de Sincronizao PLL ............................................................................................. 24

2.4.3. Semicondutores empregues nos conversores CC/CA .......................................................... 25 2.4.4. Estratgias de Comutao Bsica ............................................................ ........................... 25

2.4.4.1. Inversores com Modulao da Largura de Pulsos (Pulse-Width-Modulation ) .............. 25

2.4.4.3. Inversores Monofsicos com Tenso Nula (Voltage Cancellation ) ..................... ........... 25 2.4.5. Topologias Existente ..................................................................... ...................................... 26 2.5. CONCLUSO ..................................................................................................... ........................... 29

CAPTULO 3 .......................................................................................................................................... 31

3.1. OBJETIVOS DOTRABALHO ................................................................................... ........................... 31 3.2. PROPOSTA DE TRABALHO(CARACTERIZAO DETALHADA DO SISTEMA) ................................... ................ 31

CAPTULO 4 .......................................................................................................................................... 32

4.1. PLANO DE TRABALHO .................................................................................................................... 32 REFERNCIAS ....................................................................................................................................... 33


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Lista de Figuras

Figura 2.1 - Sistema hbrido ................................................................................. 5Figura 2.2 - Sistema fotovoltaico autnomo de um andar sem armazenamento. .................. 6Figura 2.3 - Sistema fotovoltaico autnomo com dois andares sem armazenamento e controloMPPT. ............................................................................................................ 6

Figura 2.4- Sistema fotovoltaico isolado com armazenamento. ....................................... 7Figura 2.5 - Sistema fotovoltaico ligado rede eltrica. ............................................... 8Figura 2.6 Esquema de um sistema fotovoltaico. ...................................................... 8Figura 2.7 - Curvas caractersticas do painel fotovoltaico [6]. ........................................ 9Figura 2.8 - Curva caracterstica do algoritmo MPPT condutncia incremental. ................. 11Figura 2.9 - Curva caracterstica do algoritmo MPPT perturbao e observao [4]. ........... 11Figura 2.10 - Sistema com dois andares de converso ................................................ 14Figura 2.11 - Sistema com um andar de converso. ................................................... 14Figura 2.12 - Nveis de tenso sada do conversor CC/CA. Alterada de [8]. ...................... 15Figura 2.13 Topologias dos sistemas de dois andares isolados: a) e b) Transformador HF c)Transformador LF ............................................................................................ 16Figura 2.14 - Configurao do inversor nos sistemas fotovoltaicos. ................................ 16Figura 2.15 - Esquema Centralizada ...................................................................... 17Figura 2.16 - Esquema em Fileira ......................................................................... 18Figura 2.17 - Esquema de Mltiplas Fileiras............................................................. 19Figura 2.18 - Esquema Mdulo CA ........................................................................ 20Figura 2.19 - Conversores estticos CC/CA ............................................................. 21Figura 2.20 Esquema geral de controlo do conversor VSI. .......................................... 22Figura 2.21- Representao do controlo de histerese ................................................. 24Figura 2.22 - Diagrama de funcionamento do mtodo sincronizao PLL ......................... 24Figura 2.23 - Formas da tenso de sada do VSI: a) PWM, b) Onda quadrada e c) Tensonula[7]. ........................................................................................................ 26Figura 2.24 - Topologia de um andar converso em ponte completa .............................. 27Figura 2.25 Topologia H5. ................................................................................ 27Figura 2.26 TopologiaSunny Boy 500TL ................................................................ 28Figura 2.27 Topologia de um andar de converso com inversor multinvel ..................... 28Figura 2.28 - Topologia isolada comFlyback e inversor em ponte completa ..................... 29Figura 2.29 TopologiaKarschny . ........................................................................ 29


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Lista de Tabelas

Tabela 2.1 Normas aplicadas nos sistemas fotovoltaico ligado rede ........................ 13


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Abreviaturas e Smbolos

Lista de abreviaturas

CA Corrente AlternadaCC Corrente ContnuaFV FotovoltaicoMPPT Maximum Power Point TrackingMPP Maximum Power Point PWM Pulse-With-Modulation VSI Voltage Source Inverter

Lista de smbolos

UE Unio EuropeiaPI Controlador Proporcional-IntegralPLL Phase Locked Loop PR Controlador Proporcional Ressonante


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Captulo 1

Introduo

A luz e o calor emitido pelo Sol so cruciais para existncia de vida na Terra. Acredita-seque o Sol seja mais brilhante do que 85% das estrelas da via Lctea[1]. Graas radiaosolar, a energia contida nos fotes da luz pode ser convertida diretamente em energiaeltrica, no qual d-se o fenmeno de Efeito Fotovoltaico (FV)[2]. Desta forma, a energiasolar e a energia fotovoltaica so essencialmente utilizadas para aquecimento de guas e paraa produo de eletricidade. Assim, a energia eltrica FV chamada energia limpa que podersubstituir as poluidoras.

Todo o processo para a converso em energia eltrica pode parecer simples, mas todas astecnologias envolventes para o aproveitamento da radiao solar, como uma fonte deeletricidade, so muito sofisticadas e complexas, nomeadamente a fabricao das clulas FV.Inicialmente, o custo desta tecnologia considerado muito caro, o que limitava as aplicaescomerciais da gerao da energia eltrica recorrendo aos mesmos. Assim sendo, s era umasoluo vivel nas localidades que no eram abrangidas pela rede eltrica pblica, tambmnas grandes indstrias, em que o consumo de eletricidade elevado. S os que possussempoder de compra que estavam ao alcance de implementar esta tecnologia[2].

Segundo Associao Portuguesa de Energias Renovveis (APREN), sabe-se que no final de2011, a eletricidade com origem nas energias renovveis representa 50% da eletricidadeconsumida em Portugal, em que a potncia total instalada renovvel atingiu 9688MW,no finalde junho de 2011 [3]. Em Portugal continua-se a trabalhar para atingir as metas propostaspara produo de energias renovveis, em 2008 a meta imposta por Bruxelas a Portugal foi de31% para 2020. Portugal conseguiu ultrapassar essa meta em 2010 para 39,6%, passa agorapara 45% no qual reflete um compromisso corajoso. Perante esta situao, Portugal encontra-se numa posio privilegiada para ser o pioneiro na diminuio da dependncia energtica emfontes no renovveis. Graas ao panorama atual das energias renovveis, nas ltimasdcadas tem-se assistido tambm ao aumento da produo de energia eltrica atravs dossistemas fotovoltaicos, onde estima-se que o mercado tem crescido anualmente a uma taxa


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de 35%. Apesar desta adeso, a energia FV ainda est longe de liderar a tabela da produode eletricidade em Portugal como em todo mundo. Contudo, a diminuio do custo associadoaos sistemas FV uma realidade. Algumas entidades do setor consideram mesmo uminvestimento rentvel e seguro. Em relao situao de produo fotovoltaica em Portugal,as ltimas notcias apontavam no final de 2010 que estavam ligados rede eltrica um totalde 130MW de sistemas solares fotovoltaicos, dos quais cerca de 33MW foram instaladosatravs da microgerao. At esta data, conta-se com um total de 43MW de sistemas demicroproduo ligados rede, dos quais 42,4MW atravs de sistemas solares fotovoltaicos[3, 4].

Portanto, para cobrir a necessidade e atingir o objetivo na obteno de uma maiorcapacidade de produo de energia eltrica sem recorrer a combustveis fosseis, tal comocarvo e gs natural, usados na produo de eletricidade, uma soluo mundial recorrer asenergias renovveis para tentar cobrir a necessidade do consumo de eletricidade e reduode custos tal como a poupana nas importaes. Para Portugal, segundo um estudo daAssociao Portuguesa de Biomassa, A dependncia do petrleo diminui u nos ltimos 11anos, mas essa diminuio, toda ela, substituda pela importao de gs natural, ou seja,substitui-se uma energia fssil por outra fssil, menos poluente mas mais cara.[3]. Assimsendo, a construo de vrios parques elicos e fotovoltaicos, bem como alteraes dalegislao para criar incentivos para o aparecimento de novos pontos de gerao de energiaeltrica, tm sido as principais medidas tomadas, por parte das foras politicas mundiais.

Uma realidade face toda a crise econmica sentida atualmente, nomeadamente emPortugal, sobre os problemas da energias fotovoltaica numa perspetiva da produo, tem sidoas dificuldades de financiamento, que muitas das vezes fazem atrasar projetos ou at mesmoo prprio abandono. Na parte tecnolgica, a baixa eficincia dos painis fotovoltaicos e o seucusto elevado tambm representam obstculo na produo[3]. No entanto, para contornar osproblemas e contribuir para um forte crescimento destas tecnologias, tem levado a umgrande investimento por parte da comunidade cientfica e no s. Estes investimentospretendem focalizar a possibilidade do aparecimento de novos materiais com nveissuperiores de eficincia, maior viabilidades como tambm o melhoramento de novos avanosdas tecnologias de converso de energia envolvidas nos sistemas fotovoltaico. Contribuindoassim para nveis elevados de eficincia energtica e reduo significativa de investimentosnos equipamentos necessrios na implementar destes sistemas, fazendo-se tornar uma opoeconomicamente vivel.

Atualmente, as aplicaes da energia fotovoltaica est presente em inmeras reas. As

principais aplicaes so nas localidades isoladas, onde o custo da instalao da rede eltrica muito superior ao sistema fotovoltaico. Nos sistemas remotos tambm so um grande alvodos fotovoltaicos, desde s autoestradas aos satlites de telecomunicaes. Tambm nasaplicaes na micro-gerao, tal como os relgios, mquinas de calcular e afins. As aplicaesmais recentes, so nos veculos eltricos e na integrao de edifcios (paredes e telhados)para o prprio consumo, bem como para venda companhia eltrica quando a energia produzida em excesso[3, 4].


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1.1. Motivao

No panorama atual das energias renovveis, cada vez mais evidente a importncia daeletricidade como fonte de energia. A energia eltrica um bem essencial ao qual o mundono consegue dispensar para viver, o Homem utiliza a energia eltrica nas suas atividadescotidianas. Assim, toda a energia produzida crucial para a prosperidade mundial.

Para alm do aumento da atividade econmica que a energia eltrica tem vindo adesenvolver desde aos muitos anos, como tambm a dependncia da mesma no nossoPlaneta, existe cada vez mais interesse pela produo de energia eltrica. Este interessetambm advm por vrias razes associadas ao problema do aquecimento global. Aps longasdcadas de hesitaes e dvidas sobre este problema, as grandes foras polticas mundiaistomaram medidas para o incentivo da diminuio dos impactos criados pela atividadehumana. Hoje em dia visvel o impacto do recurso aos combustveis fsseis, no sendoindiferente maioria das pessoas. Assim, o paradigma da produo de energia eltrica

encontra-se em grande foco na atualidade.Em virtude da necessidade de produo da energia eltrica, a energia solar nas ltimasdcadas tem vindo aumentar a sua ateno, no qual desperta interesses como fonte deenergia renovvel.O preo dos painis fotovoltaicos um fator muito importante na conceo destes tipos defontes de energia, no qual ainda hoje, um desafio para a produo industrial. Mesmo assim,a tecnologia fotovoltaica tem vindo a ser mais competitiva. A preocupao, ao mesmo tempouma grande motivao, pela eficincia desta converso uma realidade. Pois constitui umaspeto muito importante nos projetos de energia solar porque permite a reduo dos custos.Dessa forma, o sistema fotovoltaico vem contribuir significativamente pela diminuio dos

custos de produo de energia eltrica. Graas ao crescimento da tecnologia fotovoltaico ede converso de energia, tem surgindo novas solues que permite cada vez mais aumentareficincia energtica.

1.2. Estrutura do documento

Este documento encontra-se dividido em quatro captulos. O primeiro e presente trata daintroduo do documento.

O segundo captulo consiste na anlise ao estado da arte sobre os microinversores para

um painel fotovoltaico, com enfase sobre as configuraes dos sistemas fotovoltaicos, at astopologias dos microinversores passando pelo sistema de converso de energia presente numsistema fotovoltaico.

O terceiro captulo d a conhecer detalhadamente qual o problema a tratar bem como oprprio objetivo alcanar.

O plano de trabalho proposto para tratar o problema para dissertao, tal como asrespetivas ferramentas a utilizar e como a durao para cada fase preenchem o captuloquatro.


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Captulo 2

Estado da Arte

2.1. Sistema de energia fotovoltaicos

Esta seco apresenta as vrias estruturas utilizadas nos sistemas fotovoltaicos, no qual feito uma descrio dos equipamentos envolventes nos sistemas bem como as funcionalidades

dos sistemas e as suas aplicaes.Fundamentalmente, os sistemas fotovoltaicos podem ser aplicados em dois modos de

funcionamento, CC ou CA. Nas aplicaes em modo CC, normalmente os painis podem serligados diretamente carga, outras aplicaes podem necessitar de adaptadores de tenso,para elevar, reduzir ou converter a tenso para CA. Em qualquer dos casos, sempretransformar toda energia solar para energia eltrica de uma forma eficiente. Nesta secoabordada essencialmente o modo CA.

A maior parte da energia eltrica proveniente do Sol injetada numa rede recetora(baixa tenso ou mdia tenso) para depois servir de alimentao s cargas que esto ligadas.No entanto, a rede recetora pode ser isolada ou ligada a rede de distribuio eltrica.

Assim, os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados nas seguintes categorias:

Sistema Hbrido; Sistema Isolado; Sistema Ligado Rede Eltrica.

O projeto para cada um destes sistemas possui diferentes abordagens como tambmdiferentes aplicao. O que existe em comum entre estes, so as necessidades dos seguintesdispositivos.

Inversor (Conversor CC/CA) Condicionador de Potncia


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2.1.1. Sistema Hbrido

Sistema fotovoltaico hbrido caracterizado pela energia eltrica originada do

cruzamento de diferentes fontes de gerao dessa mesma energia. Essas fontes podem ser porexemplo fotovoltaicas, elica, hdrica, gerao diesel, entre outras.

Estes sistemas podem resultar em vrios modos de funcionamento consoante asnecessidades, ou seja, as vrias fontes podem estar operar ao mesmo tempo como tambmpodem operar em perodos distintos, no sendo necessrio estar todas a gerar energia eltricano mesmo tempo.

Um possvel modelo do sistema fotovoltaico hbrido ilustrado na figura 2.1.

Figura 2.1 - Sistema hbrido

Esta uma opo que est ultimamente a ser adotada pelos pases da Europa,principalmente de Leste e Pases Nrdicos.

2.1.2. Sistemas Autnomos

Estes sistemas so designados pela sua autonomia. Como tal, podem ou no possuir formade armazenar a energia eltrica oriunda dos fotovoltaicos e no recorrer energiaproveniente de outra rede eltrica, constituindo assim sistemas isolados. O dimensionamentodo painel fotovoltaico normalmente realizado com base na poca do ano com menor

incidncia solar.Os sistemas autnomos so a soluo para o problema de eletrificao dos locais isolados,onde as concessionrias no chegam, seja por inviabilidade tcnica ou financeira. Como tal,deve-se levar em conta o custo do sistema fotovoltaico em comparao rede de distribuiopara transportar a energia eltrica ao local ou a outra forma de gerao no qual fica bastantedispendioso[5].

No entanto, devido baixa densidade de energia solar, estes sistemas necessitam de umnmero elevado de painis fotovoltaicos para gerar altas potncias e como tal, deve serconsiderado no dimensionamento destes sistemas.

Os sistemas fotovoltaicos autnomos podem ser divididos em quatro grupos, separados

pelo tipo de carga, CA ou CC e no mesmo segmento, por cada carga o sistema pode ou noadotar pelo armazenamento de energia. Resultando nas seguintes configuraes:


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Carga CA com armazenamento Carga CA sem armazenamento Carga CC com armazenamento Carga CC sem armazenamento

Sabendo que o conversor que se vai estudar ser para cargas CA, s ser apresentado asconfiguraes com este tipo de carga.

2.1.2.1. Carga CA sem Armazenamento

Nesta configurao a energia proveniente dos painis ligada carga CA atravs de uminversor e no possui forma de armazenar a energia eltrica[5]. Neste modo, a carga nopossui energia eltrica no perodo em que no incide radiao solar.

Figura 2.2 - Sistema fotovoltaico autnomo de um andar sem armazenamento.

Esta configurao tem a desvantagem da carga depender do nvel de tenso gerado pelospainis fotovoltaicos. Esta razo deve-se ao fato de no possuir controlo de tenso nobarramento CC entrada do inversor. Como tal, utilizada em aplicaes com cargas debaixa potncia.

Por forma contornar o problema da baixa eficincia na configurao anterior, pode serinstalado um andar CC/CC e um banco capacitivo, facultando o controlo da tenso nobarramento CC. Com a incluso deste andar, possibilita a recolha da potncia no pontomximo de funcionamento dos painis FV. Na seguinte figura ilustrado a configuraodescrita.

Figura 2.3 - Sistema fotovoltaico autnomo com dois andares sem armazenamento e controloMPPT.

2.1.2.2. Carga CA com armazenamento


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Esta configurao difere da anterior pela adoo de um banco de baterias colocado noandar CC/CC. Geralmente, a bateria o dispositivo responsvel pelo armazenamento daenergia eltrica quando produzido em excesso durante determinado perodo. No entanto,tambm servem como fonte da energia nas situaes de maior necessidade ou quando noexiste produo, por exemplo noite. Esta configurao necessita o controlo do fluxo deenergia para as baterias de modo evitar a sobretenso ou mesmo as descargas completas nasbaterias. Assim sendo, a utilizao das baterias nesta configurao substituem a funo darede eltrica.

Os sistemas autnomos so dimensionados em funo da necessidade dos consumosenergticos, como tal so quase sempre sobredimensionados. O painel fotovoltaico devecaptar o potencial de um dia de funcionamento e deve garantir essa captao em perodos debaixa radiao solar.

Figura 2.4- Sistema fotovoltaico isolado com armazenamento.

2.1.3. Sistema Ligado Rede

Nos sistemas fotovoltaicos ligados rede, grande parte da eletricidade (ou toda) entregue rede da (concessionria de distribuio eltrica), por consequente, no possuemforma de armazenamento da energia eltrica, seja desde grandes centrais a sistemas de

microgerao. Este fato deve-se pelo produtor ser renumerado pela energia fornecida por umvalor superior ao consumido.

Para alm da exigncia do contador de compra para qualquer instalao eltrica, estesistema tambm exige um contador de venda de eletricidade.

Normalmente este sistema possui um nmero elevado de painis fotovoltaicos. Odimensionamento deste sistema torna-se mais complicado devido complexidade no projetodo inversor para cumprir as exigncias estabelecidas nas normas de segurana quando este ligado rede e para que esta no seja afetada.

Este sistema o mais popular e j deu provas de ser uma opo vivel e interessante doponto de vista econmico tendo em conta os benefcios fiscais e a remunerao bonificada da

energia vendida rede. Estes sistemas so mais caros que os sistemas autnomos comarmazenamento.


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A figura 2.5 demonstra a configurao destes sistemas.

Figura 2.5 - Sistema fotovoltaico ligado rede eltrica.

2.2. Princpios do Sistema de Converso de EnergiaFotovoltaica

Ao longo deste ltima dcada, a interligao dos painis fotovoltaicos rede eltrica temsofrido constantes evolues, essencialmente na reduo de componentes eletrnicos paraatenuar os custos e aumentar a fiabilidade dos sistemas de converso de energia fotovoltaica.Para uma melhor compreenso nesta seco so apresentados, numa viso geral, os principaiselementos e as topologias que constituem o sistema de converso de energia fotovoltaicapara uma carga CA, em que neste caso a rede eltrica.

2.2.1. Elementos Constituintes de um Sistema Fotovoltaico

O esquema bsico do sistema fotovoltaico ligado rede eltrica representado na figura2.6. Estes sistemas so constitudos por: Um ou conjunto de painis FV, pelo sistema deconverso CC/CA, pelo filtro de sada e a rede eltrica.

Figura 2.6 Esquema de um sistema fotovoltaico.

2.2.1.1. Painel Fotovoltaico


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Os painis fotovoltaicos so constitudos por clulas fotovoltaicas que geram uma tenso ecorrente contnua (CC) proveniente da radiao de energia solar. A converso da energia solarpara energia eltrica contnua realizada graas ao efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaicoconsiste fundamentalmente, na transformao da energia que proporcionam fotes(partculas de luz) incidentes no material semicondutor, o silcio. Uma clula FV normalmente capaz de gerar entre 1 a 3W, onde a tenso menor que 1V. Para alcanar uma maiorpotncia, as clulas FV so interligadas em mdulos, designados por mdulos FV.Tipicamente, os mdulos comercializados so constitudos por 36 clulas em srie capazes degerar sada 12V, do mesmo modo para alcanar uma maior potncia so agrupados vriosmdulos. A figura 2.7 ilustra a relao tpica da corrente (iPV) com a tenso (uPV) num painelFV. A temperatura um parmetro bastante importante, pois a radiao solar faz com que atemperatura aumenta consideravelmente no painel, para alm disso, grande parte da energiasolar incidente no painel no convertida em energia eltrica, mas sim dissipada em formade calor [5].

Figura 2.7 - Curvas caractersticas do painel fotovoltaico[6].

2.2.1.2. Conversor CC/CC

O conversor CC/CC utilizado para controlar o nvel de tenso contnuo derivado dospainis FV entregue ao conversor CC/CA. Estes conversores so referenciados conforme omodo de comutao, em que a utilizao de tcnicas de comutao permite realizar diversastarefas. Existem vrias topologias para estes conversores, onde so normalmente divididos emdois grupos, os conversores isolados e no isolados. Pertencentes ao grupo dos conversoresCC/CC no isolados, tem-se: OStep-Down ou Buck que utilizado para diminuir o nvel detenso da entrada para a sada, o conversor Step-up ou Boost precisamente o oposto, elevao nvel de tenso da entrada. O conversorStep-Up/Down ou Buck-Boost a combinao dosmodos de operaes dos dois ltimos conversores, no qual este pode ser utilizado para operarem ambos os modos. J nos conversores isolados, tem-se as topologias flyback , forward ,Push-Pull , Full-Bridge e Half-Bridge [7].

A topologiaBoost a mais utilizada nos sistemas FV, nomeadamente quando existe anecessidade de elevar o nvel de tenso do painel FV para o barramento CC do conversorCC/CA. Um aspeto que torna os conversores CC/CC relevantes para os sistemas FV o fato depermitir o funcionamento do sistema sob o ponto mximo de potncia do painel FV, contudonem sempre so empregues em alguns sistemas como ser referenciado na seco 2.2.2.


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2.2.1.3. Conversor CC/CA

O conversor CC/CA, denominado por inversor, responsvel pela inverso da energia

eltrica de grandeza contnua para alternada. Para os sistemas FV, o inversor tem comoobjetivo modular a corrente e tenso com caractersticas concordantes rede de distribuiodo respetivo pas em que est instalado o sistema, ou seja, em pases da Europa, inclusive emPortugal, a onda sinusoidal gerada pelo inversor tem uma frequncia de 50Hz, na maioria dospases da Amrica, inclusive Brasil e EUA, a frequncia da rede de 60Hz.[5] Para injetarcorrente na rede eltrica, a componente fundamental da tenso aos terminais de sada doinversor deve ser superior ao valor da componente fundamental da tenso da rede. Visto queo conversor CC/CA matria de estudo para este trabalho, este assunto apresentado commais detalhe na seco 2.4 deste documento.

2.2.1.4. Algoritmo MPPT

Em geral, os sistemas FV adotam o algoritmo MPPT para otimizar a potncia do sistemaFV. Analisando a figura 2.7, e tendo em conta que a tenso (uPV) e corrente (iPV) gerada pelopainel FV so afetadas de forma no linear com a incidncia da radiao solar e pelatemperatura, pretende-se que o sistema fotovoltaico opere sempre na mxima potnciagerada pelo painel ou conjunto de painis (uMPP, iMMP) de forma a fornecer essa potncia rede. isc designada pela corrente de curto circuito do painel FV, representa a mximacorrente que este pode fornecer sob qualquer condio ambiental com a tenso nula. uoc

designado pela tenso do circuito aberto, representa a mxima tenso que o painel FV podeentregar sob qualquer condio ambiental com a corrente nula.

Como tal, o algoritmo MPPT usado para extrair a mxima potncia disponvel no paineldurante todo tempo de gerao de energia. Dependendo de vrios fatores ambientais e deprojeto, existe vrias tcnicas para o algoritmo de controlo MPPT, tais como:IncrementalConductance Based; Perturb and Observe Based; Based on Linearized I V Characteristics; Fractional Open-Circuit Voltage; Fractional Short-Circuit Current; Fuzzy Logic Control;Neural Network; Ripple Correlation Control; Current Sweep e DC Link Capacitor DroopControl [4].

O algoritmo MPPT aplicado normalmente no controlo do conversor CC/CC por formacontrolar o duty cycle deste e assim operar sob a corrente iMP e uMPda figura 2.7. iMPrefere-sea corrente nominal do painel FV relativo potncia mxima e uMP a tenso nominal domesmo relativo ao ponto mximo da potncia[6].

2.2.1.4.1. Tcnica Condutncia incremental

Esta tcnica uma das tcnicas mais utilizadas no desenvolvimento do algoritmo MPPT.Baseia-se na soma da condutncia instantnea I/V e na variao da condutncia I/V doarranjo FV para regular (aumentar ou diminuir) oduty cycle, no qual I/V nulo no pontoMPP, negativo do lado esquerdo do ponto MPP e positivo do lado direito do ponto MPP comoilustra a figura 2.8. Este algoritmo utiliza a derivada da potncia tenso dP/dV no qual podeser determinado pela medio I/V e I/V do arranjo FV [4].


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Figura 2.8 - Curva caracterstica do algoritmo MPPT condutncia incremental.

Esta tcnica apresenta uma eficincia alta e apresenta uma boa resposta em condiesdiversas, tal como a radiao solar, temperatura e variao sazonal. No entanto, a suaimplementao bastante mais caro relativamente a outras tcnicas devido a exignciacomputacional.

2.2.1.4.2. Tcnica MPPT Perturbao e Observao (P&O)

A tcnica perturbao e observao outro mtodo bastante comum para a extrao doponto mximo de potncia dos painis FV, isto porque possui uma estrutura simples e de fcilimplementao. Esta tcnica funciona pela perturbao doduty cycle quando este est numdeterminado sentido (exemplo: aumentar). Desta forma, para a corrente que flui comperturbaes do painel FV numa determinada sentido e se a potncia do arranjo FV tendeaumentar, significa que o ponto de operao MPP est aproximar e por consequncia aoperao da corrente perturbado na mesma direo. Se a corrente perturbada numdeterminado sentido e a potncia do arranjo FV tende a diminuir, ento significa que o pontode operao da potncia mxima est-se a distanciar e desta forma a perturbao dacorrente dever inverter a sentido. A figura 2.9 mostra a regulao tpica da curva corrente-potncia de um arranjo FV[4].

Figura 2.9 - Curva caracterstica do algoritmo MPPT perturbao e observao [4].


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Esta tcnica mostra resultados bastantes satisfatrios, mesmo em diversas condiesatmosfricas. Contudo, as constantes oscilaes doduty-cycle quando o algoritmo tendeestabilizar no valor MPP e as limitaes quando existe mltiplos arranjos FV de diferentespontos de potncia por causa da despectiva insolao, so as principais desvantagens destatcnica.

2.2.1.5. Normas Aplicadas aos Sistemas Fotovoltaicos

Durante a evoluo e a adeso dos sistemas de produo de energia fotovoltaica nasltimas dcadas, foi necessrio estabelecer requisitos eltricos para a conexo de sistemasfotovoltaicos rede eltrica de distribuio.

Quando se trata dos sistemas fotovoltaicos ligados rede eltrica, os fatores relacionadoscom a segurana de pessoas, proteo de equipamentos, a operao do sistema de utilizaoe a qualidade da potncia entregue rede por parte do produtor torna-se uma preocupao.Por consequncia, todo o sistema FV, nomeadamente o sistema de converso de energia tem

de obedecer s normas que regulamentam a ligao do sistema FV rede eltrica.A qualidade de potncia proveniente do sistema FV governada por prticas e normas

para a tenso, frequncia, fator de potncia, flicker e distores (harmnicos) onde o desviosob a gama de limite imposto pela norma para cada uma destes parmetros pode exigir ainterrupo do inversor para fornecimento da energia rede. Outro fator importante que sujeito a regulamentao das normas ocorrncia do Islandig , que definido como umestado de operao da rede em que geradores descentralizados cobrem o consumo das cargasque formam a sub-rede desconectada da restante rede.

Tendo em conta que a rea de estudo recai sobre os inversores, apresentado o sumriodas principais normas internacionais em vigor relacionado com qualidade de potncia e deligao rede de fontes de energia renovveis.

IEEE 1159

A norma baseada nas recomendaes prticas para a monitorizao da qualidade depotncia eltrica em sistemas monofsicos ou polifsicos. Evidencia a importncia do controlodo sistema, proteo eltrica, fenmenos eletromagnticos e o controlo em regimepermanente no qual define os limites de variao das condies nominais. Discute tcnicas deaplicao, instrumentos de monitorizao e a interpretao dos resultados prticos.

EN 50160

Esta norma est relacionada estritamente com a qualidade da energia eltrica fornecida rede. Apenas define requisitos sobre as caractersticas da onda de tenso, excluindo acompatibilidade eletromagntica por forma cumprir com as caractersticas da onda:frequncia, magnitude, forma de onda e a sua simetria.

IEEE 1547

uma norma aplicada em toda a Amrica, que aborda duas reas principais, os requisitostcnicos de interligao de sistemas distribudos rede e os requisitos para o teste dainterligao e a sua especificao. Foca-se nas tecnologias de interligao de uma fonte de


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energia eltrica, no qual define quais as repostas em condies anormais provenientes darede eltrica, define limites dos parmetros que comprometem a qualidade de potncia.Especifica quais os critrios de avaliao da instalao.

EN 50438

Esta norma orientada para conexo de fontes de energia renovveis rede de baixatenso em que orientada para as recomendaes prticas sobre equipamentos e funesnecessrias para conexo do sistema ligado rede eltrica. Especifica os requisitos deoperao para conexo de sistema de microgerao, onde aborda a compatibilidade com osistema, proteo, monitorizao e as funes de controlo.

Tabela 2.1 Normas aplicadas nos sistemas fotovoltaico ligado rede

2.2.2. Classificao das Topologias

A classificao para vrias topologias depende quanto ao nmero de andares deconverso, ao nmero dos nveis de tenso gerada pelo inversor e da existncia ou no dotransformador entre os painis FV e a rede.

2.2.2.1. Nmero de andares

Na figura 2.10 apresenta-se o sistema de converso de energia fotovoltaica com doisandares. A utilizao ou no do andar CC/CC est relacionado com a potncia que os painisFV so capazes de gerar, depende do nmero de painis fotovoltaicos que o sistemafotovoltaico possui, consoante a ligao (srie) entre os mdulos fotovoltaicos ou a tenso


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gerada por cada painel suficiente alta para alimentar o inversor, possvel evitar oconversor CC/CC. Por consequente, ser necessrio a utilizao de um inversor fotovoltaicocom elevada eficincia para converter diretamente a tenso proveniente dos painis FV paraa rede, graas a um nico andar (single stage ) como pode ser visto na figura 2.11.

Figura 2.10 - Sistema com dois andares de converso

O sistema single-stage relativamente ao sistema de dois andares tem a vantagem dereduzir o custo de projeto, do ponto de vista da converso de energia apresenta maiorrendimento devido reduo das perdas de converso e menor rudo eletromagntico (EMI).As desvantagens deste sistema surgem pelo facto no possuir a mesma eficincia de extraono ponto de mxima potncia dos painis fotovoltaicos e necessitar de um maior nmero depainis, podendo aumentar significativamente o custo inicial.

Figura 2.11 - Sistema com um andar de converso.

Visto que a topologia do sistema de converso que se vai estudar de dois andares,apenas este ser apresentado com mais detalhe.

2.2.2.2. Nmero de Nveis da Tenso de Sada

As topologias podem tambm ser classificadas quanto ao nmero de nveis que uminversor gera sua sada. Quando maior for o nmero de nveis, a tenso de sada do inversor

aproxima-se mais do valor de referncia do controlador e a distoro harmnica ser menor.Observando a figura 2.12, a tenso de sada tem no mnimo dois nveis de tenso e pode gerar


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mais nveis, designado por multi-nivel. O nmero de nveis est implicitamente relacionadocom o nmero de semicondutores de potncia que operam como interruptores no inversor.

Figura 2.12 - Nveis de tenso sada do conversor CC/CA. Alterada de[8].

2.2.2.3. Transformador

A utilizao do transformador outro elemento que classifica a topologia do sistemafotovoltaica. Dessa forma, as topologias podem ser classificadas por: isoladas ou no isoladas.Nas topologias isoladas, a utilizao do transformador permite o isolamento galvnico entre afonte e a rede como tambm possui a vantagem de poder amplificar a tenso no secundrio.Ainda nesta topologia o transformador pode estar instalado em diferentes locais no sistemade converso, pode estar colocado no conversor CC/CC (figura 2.13 a)), no inversor (figura2.13 b)) ou at mesmo na interligao entre o inversor e a rede eltrica (figura 2.13 c)). Nasduas primeiras opes, permite o transformador operar em alta frequncia, o que permitereduzir o peso e volume deste. J na terceira opo (figura 2.13 c)), o transformador opera frequncia da rede (50Hz) o que faz com que este seja mais volumoso, resulta numa soluomais dispendiosa e apresenta mais perdas. No caso em que o isolamento galvnico no importante, no utilizado o transformador o que permite aumentar o rendimento dosistema e torna uma soluo mais econmica. A eficincia energtica para os sistemas deconverso com o transformador ronda entre os 90% a 95%, sem o transformador superior aos95%[6].


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Figura 2.13 Topologias dos sistemas de dois andares isolados: a) e b) Transformador HF c)Transformador LF

Aps a demonstrao das vrias topologias dos sistemas de converso, a figura 2.14apresenta o resumo das vrias configuraes para os inversores fotovoltaicos:

Figura 2.14 - Configurao do inversor nos sistemas fotovoltaicos.

2.3. Configurao dos Inversores em SistemasFotovoltaicos


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2.3.2. Em Fileira (ouString )

Esta configurao caraterizada por possuir vrios inversores, cada um dedicado a umpainel ou conjunto de painis fotovoltaicos com a mesma orientao ou sujeitos a mesmacondio de sombreamento.

O custo destes sistemas torna-se mais caro relativamente configurao centralizadadevido instalao de vrios inversores. Em contrapartida tem as seguintes vantagens[9]:

Em caso de avaria de uma fileira, a restante energia produzida entregue rede e o sistema no para.

Possibilita a utilizao de um sistema MPPT para cada fileira,maximizando assim a potncia entregue rede e eleva a simplicidade do projeto.

Permite uma expanso simples do sistema

A produo em larga escala dos conversores possibilita uma reduode custos.

Figura 2.16 - Esquema em Fileira

2.3.3. Mltiplas Fileiras (ouMulti String )

Esta configurao est subjacente a utilizao de dois andares de converso. sada decada fileira de painis fotovoltaicos possui um conversor CC/CC, no qual esto ligados emsrie com os restantes conversores CC/CC e posteriormente so ligados a um nico inversorcomo ilustra a figura 2.17.

O custo desta topologia torna-se mais caro relativamente s topologias apresentadasdevido utilizao dos conversores CC/CC por cada fileira mais o inversor. Em compensao,apenas usado um inversor e como os conversores CC/CC so de baixa potncia, ossemicondutores de baixa potncia que so largamente utilizados na indstria podem atenuaros custos de projeto. Em termos de otimizao esta configurao consegue ser superiorrelativamente s topologias j apresentadas pois permite aproveitar o rendimento em cadaconjunto de painis fotovoltaicos graas ao sistema MPPT em cada fileira, maximizando a


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energia entregue rede proveniente dos painis fotovoltaicos em diferentes orientaes.Uma das caractersticas desta topologia a facilidade de expanso do sistema, permitindoinstalar os painis fotovoltaicos em diferentes locais, desde que o inversor suporte oacrscimo de potncia [9]. Como tal, este sistema combina os conceitos das configuraescentralizada e em fileira. Foi desenvolvido especialmente para ser utilizado em situaesonde os painis fotovoltaicos no possuem inclinao nem orientao uniforme, sendocomposto por diferentes tipos e quantidade de mdulos em cada fileira ou os painis FV estoposicionados num local onde existe sombreamento[6].

Figura 2.17 - Esquema de Mltiplas Fileiras

2.3.4. Mdulo CA (ou Mdulo Integrado)

Esta topologia, representada na figura 2.18, tem a caracterstica principal de cada painelfotovoltaico possui um inversor, integrando uma unidade que procura otimizar a energiaproduzida de cada painel com a eficincia do inversor atravs da utilizao prxima dapotncia nominal do inversor, para o qual foi dimensionado. Ou seja, quando o sistema operasob baixa radiao solar, os painis so ligados a um nico inversor por forma operar napotncia nominal. No caso de operar sob alta radiao solar, os painis so distribudosnovamente em fileiras at que os inversores operem prximo da sua potncia nominal.

Apesar de cada painel FV respetivamente com o inversor, possui o seu prprio controloMPPT, estes sistemas so menos eficientes quando comparado com a topologia em fileiracomo tambm possuem um controlo mais complexo, e so mais dispendiosos devido sua

manuteno e custo inicial. De resto mantm as mesmas vantagens[9].


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Figura 2.18 - Esquema Mdulo CA

2.4. Conversor CC/CA

O conversor CC/CA conhecido por inversor tal como referido neste trabalho, umtermo popular utilizado para o conversor que serve como acoplamento entre o barramento CCda sada do sistema fotovoltaico e a carga CA de utilizao. No entanto, conversor esttico depotncia (SPC- Static Power Converter ) a definio mais correta para este tipo dedispositivo[7].

Para alm destes conversores serem utilizados nas aplicaes das energias renovveis, sotambm largamente utilizados em vrias aplicaes industriais, desde o acionamento demotores eltricos (ASD Ajustable speed Drives ), fontes de alimentao comutadas (SMPS Switch Mode Power Supply ), e recentemente em transporte de corrente alternada (FACTS Flexivel AC Transmission System ) [7].

Os conversores estticos utilizados nos sistemas FV, que possuem fonte de tensounidirecional ligado ao barramento CC para converter para CA monofsica so apresentadosna figura 2.17. So conhecidos dois tipos de inversores, os inversores alimentados por umafonte de tenso (VSI Voltage Source Inverters ) e os que so alimentados por uma fonte decorrente (CSI Current Source Inverters ), onde so unicamente empregues para aplicaes dealta potncia, nomeadamente para acionamento de motores eltricos [7]. Devido saplicaes limitadas dos inversores CSIs, no vo ser discutidos neste trabalho.

Analisando a figura 2.19, ao conjunto de cada dois transstores (T) na vertical com osdodos em paralelo, apresentado em ambos os conversores da respetiva figura, d-se o nomede brao ou chopper . Dentro do mesmochopper os transstores nunca esto ativos ao mesmotempo, o perodo de ativao de um deles precisamente o negado do outro. No caso datopologia em ponte completa (Full-Bridge ), s h corrente a circular pelo conversor se T1 eT4 ou T2 e T3 esto ativos ao mesmo tempo. Os dodos interligados em antiparalelo com ostransstores tm a funo de possibilitar a conduo da corrente durante a comutao dos Tgarantindo uma caracterstica bidirecional. Nessa figura, os transstores ilustrados so IGBTs epara simplificar, os circuitos de controlo de comando e os Snubbers no so apresentados[5, 7].


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Figura 2.19 - Conversores estticos CC/CA

Nesta seco so apresentados algumas topologias utilizadas nos microinversores paraserem utilizados nos sistemas fotovoltaicos. Os mtodos de controlo, estratgias decomutao e de sincronizao para ligar rede eltrica tambm so apresentados.

2.4.1. Microinversor

O microinversor um conversor CC/CA com recente desenvolvimento, constitudo empequenas dimenses no qual foi especialmente desenvolvido para atingir confiabilidade alongo prazo. Para alcanar estes atributos, a reduo significativa da potncia doscomponentes, evitar a utilizao dos condensadores eletrolticos de alumnio porque possuemuma baixa durabilidade e em alguns casos a rejeio do transformador devido s perdas de

energia. Particularmente, estes so dimensionados para suportar a potncia de sada de cadapainel FV, tipicamente entre 200 a 250 W e so instalados prximo do respetivo painel,resultando uma instalao em Fileira ou modulo CA[10].

As vantagens destes conversores em relao aos conversores convencionais sobasicamente a durabilidade bem como a eficincia de converso. No que diz respeito sdesvantagens, estes possuem um custo mais elevado como tambm possuem baixa potncia.

2.4.2. Estrutura de controlo para conversor CC/CA ligado rede

A estratgia utilizada no controlo do inversor para ligar rede eltrica apresentada nafigura 2.20 em que cada bloco apresenta uma estratgia de controlo. A figura ilustra asinteraes entre cada estratgia como tambm as respetivos sonorizao e atuao que cadacontrolador. O controlo de corrente tem como objetivo controlar a corrente injetada na redeconsoante uma referncia de corrente ativa e conforme a posio angular da rede, com opropsito de gerar a tenso alternada necessria sada do inversor. O bloco dasincronizao, gera a referncia da posio angular para a tenso de sada estar em fase coma tenso da rede. Por ultimo, o controlo da tenso continua, controla a tenso de entrada doinversor face ao erro da tenso no qual gera uma referncia de corrente ativa.

O inversor deve possuir o controlo de corrente para garantir a proteo e contribuir pelaqualidade da potncia transferida rede eltrica. As principais propriedades do controlo decorrente so a compensao harmnica e a dinmica do inversor.


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A funo de transferncia do controlador PI :

(2.1)

Onde kp e ki representam respetivamente os ganhos proporcional e integral docontrolador.

2.2.1.6. Mtodo Proporcional Ressonante (PR)

O mtodo de controlo PR tem vindo aumentar a sua popularidade na ltima dcada paracontrolo de corrente em sistemas ligado rede[11]. Uma das caractersticas deste controlo a sua elevada dinmica, graa ao elevado ganho em torno de uma frequncia, designada pelafrequncia de ressonncia. No caso dos sistemas de converso FV, uma forma para aumentara eficincia de resposta do inversor, adicionado uma malha de controlo da tenso CC. Noentanto, esta escolha vai originar problemas de estabilidade relacionada com o atrasoimpostos por filtro da malha de controlo. Desta forma, para atenuar este problema aplicadoum integrador de segunda ordem. O controlador PR integrador duplo capaz de manterelevado ganho alm da sua frequncia[12, 13].

A funo de transferncia do controlador PR :

(2.2)

Onde kp e ki representam respetivamente os ganhos proporcional, ressonante e wo afrequncia de ressonncia.

2.2.1.7. Mtodo de Controlo Vetorial

Os mtodos vetoriais so muito utilizados para o controlo de corrente. Quandocomparados com os mtodos escalares apresentam um elevado desempenho, so capazes deobter excelente preciso. Os mtodos de controlo escalares s so capazes de controlar amagnitude e frequncia mas no a fase. Para alm disso, o controlo vetorial permite odesacoplamento da componente ativa e reativa da corrente para controlar

independentemente a respetiva potncia ativa e reativa entregue rede. Por consequente,contribui para uma excelente eficincia na transferncia de energia rede e diminui adistoro VSI na fase da corrente. O objetivo deste controlo passa por manter o valor datenso CC constante e alimentar a rede com potncia ativa[14].

2.2.1.8. Mtodo de Controlo por histerese

Os controladores por histerese so bastante utilizados por serem simples, robustos epossuir boa dinmica mas limitada pela frequncia de comutao. Geralmente so utilizadospara o controlo de corrente. As desvantagens desta estratgia no controlo dos inversores a

frequncia de comutao varivel devido a banda de histerese fixa, o que dificulta o projetodo filtro de sada, tambm os harmnicos de baixo ordem que compromete a qualidade da


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potncia so uma desvantagem. Contudo, foram surgindo novos mtodos para combater ospontos negativos, no qual a comutao em frequncia constante recorrendo a modelaoPWM uma soluo capaz apresentar baixar perdas de comutao[15, 16]. Na figura 2.21est representado uma ilustrao do controlo de corrente por histerese.

Figura 2.21- Representao do controlo de histerese

2.2.1.9. Mtodo de Sincronizao PLL

O mtodo de sincronizao PLL (Phase Locked Loop ) bastante utilizado para ligar umsistema de converso alternado rede eltrica. Atravs do reconhecimento de um eventoperidico, usado para sincronizao um evento externo.

No caso dos inversores VSI. a leitura da frequncia, angulo da fase e amplitude da redemonofsica so importantes para gerar um sinal de referncia da corrente. O sistema PLLdeve ser robusto, porque muitas das vezes o valor real da tenso da rede surge com distoro

devido aos harmnicos. Alm disso, a utilizao do angulo da fase no controlo pode reduzir aqualidade da potncia de sada. Portanto, caso o funcionamento no seja adequado, podedegradar o controlo do inversor e at mesmo criar uma instabilidade no seu funcionamento. Afigura 2.22 apresenta o diagrama geral do funcionamento do mtodo PLL. Este mtodo composto essencialmente por trs blocos, Deteo de fase (PD), filtro (LF) e osciladorcontrolado por tenso (VCO). O bloco PD tem como objetivo gerar sua sada um sinalproporcional da fase entre os dois sinais de entrada. O bloco LF contm caractersticas depassa baixo por forma filtrar as componentes AC de alta frequncia gerados pelo sado dobloco PD. Por ultimo, o bloco VCO gera sua sada um sinal AC no qual a frequncia varia emfuno da tenso de entrada [17].

Figura 2.22 - Diagrama de funcionamento do mtodo sincronizao PLL


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Ser posteriormente apresentado detalhadamente neste documento o mtodo desincronizao PLL.

2.4.3. Semicondutores empregues nos conversores CC/CA

Os inversores so constitudos por semicondutores de potncia que operam comointerruptores. Os semicondutores permitem ser controlados no instante em que entram emconduo como em bloqueio por ao de um sinal de comando eltrico aplicado gate destes. Atualmente existem disponveis no mercado semicondutores de potncia paradiferentes gamas de operaes, nomeadamente para a potncia e frequncia de comutaono qual so fatores de dimensionamento no projeto do inversor. Os semicondutores depotncia utilizados nos conversores CC/CA podem ser: MOSFETs de potncia (Power MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistors ), os IGBTs (Inslated Gate Bipolar Transistors ),IGCTs (Inslated Gate Commuted Thyristors ) e os GTOs (Gate T urn-Off Thyristors) [7].

2.4.4. Estratgias de Comutao Bsica

As estratgias de comutao utilizadas para controlar a tenso de sada dos inversoresVCIs apresentado na figura 2.17 podem ser divididas em trs tipos:

2.4.4.1. Inversores com Modulao da Largura de Pulsos (Pulse-Width-Modulation )

A magnitude da tenso de entrada CC para estes inversores essencialmente constante e

o inversor dever controlar a magnitude e a frequncia da tenso de sada CA. Ainda nestaestratgia, existe diferentes mtodos de modulao PWM, tais como: PWM unipolar, PWMbipolar e PWM hibrido[18]. Tanto o PWM unipolar como hibrido, s so aplicados nosinversores em ponte completa (Figura 2.23). Estes mtodos apresentam um controlo maiscomplexo em relao ao PWM bipolar mas em contrapartida apresentam um maior rigor naforma de onda da tenso de sada do inversor. PWM hibrido possui as mesmas perdas decomutao que o unipolar e aproximadamente metade do bipolar e capaz conter baixonveis de harmnicos[7, 18].

2.4.4.2. Inversores com Onda Quadrada (Square-wave )

Para este tipo de inversores, a tenso de entrada CC controlada com o propsito decontrolar a magnitude da tenso de sada CA. Esta estratgia passa por controlar unicamentea frequncia da tenso de sada o que no muito favorvel para os inversores dos sistemasFV[7].

2.4.4.3. Inversores Monofsicos com Tenso Nula (VoltageCancellation )

Estes inversores possibilitam o controlo da magnitude da tenso e a frequncia na sada

do inversor mesmo que a tenso CC entrada do inversor seja constante e no possui atcnica de modulao PWM. Nesse caso, a forma de onda da tenso de sada como no


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inversor de onda quadrada. Estes inversores combinam as caractersticas dos dois anterioresinversores[7].

Analisando a figura 2.23 a), verifica-se que a comutao para cada semicondutor dosbraos do inversor so forados a conduzir vrias vezes por cada ciclo (360) do perodo datenso de sada CA, enquanto que a segunda e terceira estratgia (figura 2.23 b)) apenasconduzem uma vez em cada ciclo (360). Desta forma, conclui-se que a segunda e terceiraestratgia de comutao para os semicondutores VSI so sujeitos a um menor desgaste(stress ) comparativamente com a primeira estratgia. Contudo, estas estratgias geraremum maior nvel de harmnico para baixas frequncias, no qual a segunda estratgia no capaz de controlar a magnitude da tenso de sada e a terceira estratgia s pode seraplicada nos inversores monofsicos e no nos trifsicos[7, 18].

Figura 2.23 - Formas da tenso de sada do VSI: a) PWM, b) Onda quadrada e c) Tensonula[7].

2.4.5. Topologias Existente

A topologia representada na figura 2.24 baseada num andar de converso no isoladocom a topologia do inversor em ponte completa (Full-Bridge ). Esta topologia apresenta trsnveis de tenso na sada, a existncia de quatro transstores de potncia implica um controlocomplexo para a comutao em alta frequncia e as perdas de comutao so considerveis,contudo existe estratgias de comutao para atenuar tais perdas. Esta topologia requere que

a tenso aos terminais de entrada do inversor seja suficientemente alta (400V a 500V) paraque seja possvel obter sada deste o valor eficaz da rede (230Vac)[6].


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Figura 2.24 - Topologia de um andar converso em ponte completa

Uma topologia mais recente (patenteada em 2005) est representada na figura 2.20,topologia H5[19]. Esta tem como base a topologia em ponte completa, no qual possui maisum semicondutor de potncia, no possui isolamento galvnico entre a fonte FV e a redeeltrica, e apresenta trs nveis de tenso de sada. Uma das principais caractersticas destatopologia o fato dos transstores T5, T2 e T4 comutarem em alta frequncia e ostransstores T1 e T3 frequncia da rede. Atravs do transstor T5, esta topologia ofereceduas funcionalidades principais quando comparado com a topologia ponte completa. Aprimeira a capacidade de prevenir a potncia reativa que permuta entre a indutncia Lr e ocondensador CFV durante o estado nulo da tenso, a segunda funo a possibilidade de isolara fonte FV com a rede no perodo nulo da tenso. Por consequente, esta topologia permiteaumentar a eficincia acima dos 98% do inversor e elimina a alta frequncia da tensoparasite como tambm atenua a interferncia eletromagntica (EMI)[19, 20].

Figura 2.25 Topologia H5.

Outra topologia bastante empregue nos sistemas FV representada na figura 2.26,SunnyBoy 500TL [6]. A topologia composta por dois andares de converso no isolado com atopologia do inversor em meia ponte seguido dos conversores CC/CC do tipoboost emparalelo.

O inversor nesta topologia possui dois nveis de tenso de sada, e apresenta baixas perdasde comutao, a dificuldade de equilibrar a carga nos condensadores uma preocupao.Quando comparando com a topologia apresentada anteriormente, o controlo dos transstoresno inversor menos complexo e para uma mesma potncia e tenso de entrada aos terminaisdo inversor, esta topologia tem o inconveniente dos transstores suportarem o dobro datenso [6].

Esta topologia partilha as caractersticas dos sistemas FV com a configurao do inversorem mltiplas fileiras, apresentado na seco 2.3.3.


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Figura 2.26 TopologiaSunny Boy 500TL .

A topologia apresentada na figura 2.27 composta por um andar de converso no isoladoe com a topologia do inversor multinvel. Este inversor apresenta trs nveis de tenso desada e podem estender o nmero de nveis para cinco, sete, nove ou mais, para isso necessrio adicionado mais mdulos transstores e os dodos. Cada transstor tem mais umdodo interligado para proteger o semicondutor de possveis sobretenses. Esta topologiaapresenta baixa interferncia eletromagntica, graas aos dodos adicionais que evitam ainterferncia eletromagnticos sobre os circuitos de comando dos transstores. Relativamentes duas topologias j apresentadas, esta bastante favorvel para os sistemas FV quando ospainis FV geram diferentes nveis de tenso. Para alm disso, estes inversores so capazesde gerarem com mais rigor a forma de onda sinusoidal para a tenso de sada com baixocontedo harmnico. No entanto, o fato de possuir mais semicondutores, leva a maioresperdas e a dificuldade de equilibrar os condensadores entrada do inversor so desvantagensdesta topologia [6].

Figura 2.27 Topologia de um andar de converso com inversor multinvel


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A topologia apresentada na figura 2.28, composta por dois andares de converso isolado,o primeiro andar inclui o conversor CC/CC do tipo flyback e no segundo andar tem o inversorem ponte completa com trs nveis de tenso de sada[21].

Os condensadores usados nesta topologia servem para eliminar a ondulao da tenso(ripple ) em baixa e alta frequ ncia. Esta topologia utiliza o flyback para elevar a o nvel datenso do painel FV como tambm tem a vantagem de isolar a fonte da tenso com a redegraas ao transformador de alta frequncia. Contudo esta topologia apresenta mais perdasrelativamente s topologias anteriores. Os harmnicos totais presentes na tenso de sada doinversor podem ser atenuados com a colocao de um filtro sada deste[6, 21].

Figura 2.28 - Topologia isolada comFlyback e inversor em ponte completa

A topologia representada na figura 2.29,Karschny . Os semicondutores S1, S2 operam emalta frequncia, enquanto que os semicondutores S3 e S4 comutam frequncia da rede. Aestrutura deste conversor consiste na capacidade de operar como umbook ou boost com o

auxlio de dois semicondutores de comutao para definir a polaridade da tenso de sada.Uma das caractersticas desta topologia a eliminao de qualquer tenso oscilatria. Adesvantagem desta topologia reside no seu elevado custo e tamanho, devido a necessidade dearmazenar energia nas indutncias[22].

Figura 2.29 TopologiaKarschny .

2.5. Concluso


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Neste captulo foi apresentado vrias configuraes dos sistemas fotovoltaicos paradiversas aplicaes. Foi tambm relembrado quais os elementos associados em toda a cadeiade converso da energia fotovoltaica e verificou-se que existe vrios fatores que caracterizamo sistema FV. Foram tambm apresentados e comparados vrias topologias de inversores VSI,como tambm diversas tcnicas de controlo no qual foi possvel perceber as suas diferenascomo tambm foi importante para se poder escolher a melhor soluo. Conclui-se que aescolha da topologia, bem como a sua estratgia de controlo fulcral para cumprir osrequisitos normativos para os sistemas FV ligados rede eltrica.


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Captulo 3

Esta seco caracteriza o problema a tratar no mbito da dissertao como tambm d aconhecer qual o objetivo pretendido.

3.1. Objetivos do TrabalhoPretende-se nesta dissertao desenvolver o projeto e simulao de um conversor CC/CA,

denominado por microinversor, de baixa potncia para um painel fotovoltaico. O projetoincide sob o controlo do microinveror para incorporar num sistema de converso de energiasolar fotovoltaica para injetar corrente rede eltrica monofsica. Este sistema compostopor dois andares e posteriormente ser desenvolvido o prottipo do microinversor por formaanalisar os resultados experimentais.

Deseja-se que o microinversor converta a energia eltrica proveniente do conversorCC/CC includo no sistema.

3.2. Proposta de trabalho (caracterizao detalhada dosistema)

A proposta incide no desenvolvimento de um conversor CC/CA, denominado pormicroinversor com a topologiaFull-Bridge (ponte completa), no qual ser incorporada numsistema de converso de dois andares, isolado, com o transformador de alta frequnciacolocado entre o conversor CC/CC e o microinversor. Pretende-se que no final seja ligado rede eltrica recorrendo a mtodos apropriados para tal, nomeadamente o mtodo desincronizao com a rede eltrica (PLL).

Esta pgina surge no mbito da unidade curricular Dissertao do Mestrado Integrado emEngenharia Eletrotcnica e de Computadores no qual tem como objetivo disponibilizar ainformao e documentao para permitir o acompanhamento da evoluo deste projeto,intitulado por "MicroInversor para Painel Fotovoltaico".

Esta dissertao est a ser desenvolvida pelo aluno Sandro Filipe Martins do Vale com aorientao do Prof. Dr. Antnio Pina Martins na Faculdade de Engenharia da Universidade doPorto.


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Captulo 4

4.1. Plano de trabalho

As principais fases do plano de trabalho pretendidas para o desenvolvimento destetrabalho est representada na figura 4.1.O Osciloscpio eletrnico ser uma das tecnologias autilizar tal como software de simulao PSIM e Matlab so as ferramentas mais utilizadaspara o desenvolvimento deste trabalho e estudo da topologia selecionada ao longo paraajudar alcanar resultados esperados.

Figura 4. 1 - Diagrama de gantt do plano de trabalho


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Referncias

[1] S. W. Ker Than. (2006, 12/01/2012). Astronomers Had it Wrong: Most Stars are Single .Available: http://www.space.com/1995-astronomers-wrong-stars-single.html

[2] N. FRANDENRAICH, LYRA, F., . (1995, 20/01/2012). Energia Solar: Fundamentos eTecnologias de Converso Heliotrmica e Fotovoltaica.

[3] A. C. Ana Marques (chefia), Carlos Martins, Joo Santos e Rui Rato, "O futuro daeconomia verde em Portuga," Dirio Econmico, 2011.

[4] A. Khaligh and O. C. Onar, Energy harvesting: solar, wind, and ocean energyconversion systems : Taylor and Francis, 2009.

[5] M. R. Patel,Wind and solar power systems: design, analysis, and operation : Taylor &Francis, 2006.

[6] S. B. Kjaer, J. K. Pedersen, and F. Blaabjerg, "A review of single-phase grid-connectedinverters for photovoltaic modules," Industry Applications, IEEE Transactions on, vol.41, pp. 1292-1306, 2005.

[7] N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power electronics: converters,applications, and design : John Wiley & Sons, 2003.

[8] T. L. Skvarenina,The power electronics handbook : CRC Press, 2002.[9] M. Calais, J. Myrzik, T. Spooner, and V. G. Agelidis, "Inverters for single-phase grid

connected photovoltaic systems-an overview," in Power Electronics SpecialistsConference, 2002. pesc 02. 2002 IEEE 33rd Annual , 2002, pp. 1995-2000.

[10] W. Bower, R. West, and A. Dickerson, "Innovative PV micro-inverter topologyeliminates electrolytic capacitors for longer lifetime," 2007, pp. 2038-2041.

[11] F. Blaabjerg, R. Teodorescu, M. Liserre, and A. V. Timbus, "Overview of Control andGrid Synchronization for Distributed Power Generation Systems," Industrial

Electronics, IEEE Transactions on, vol. 53, pp. 1398-1409, 2006.[12] R. T. Freade Blaabjerg, Zhe Chen, Marco Liserre, "Power Converter and Controlo f

Renewable Energy Systems," 2004.[13] D. N. Zmood and D. G. Holmes, "Stationary frame current regulation of PWM inverters

with zero steady-state error," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 18, pp.814-822, 2003.[14] S. Samerchur, S. Premrudeepreechacharn, Y. Kumsuwun, and K. Higuchi, "Power

control of single-phase voltage source inverter for grid-connected photovoltaicsystems," in Power Systems Conference and Exposition (PSCE), 2011 IEEE/PES , 2011, pp. 1-6.

[15] G. H. Bode and D. G. Holmes, "Implementation of three level hysteresis current controlfor a single phase voltage source inverter," in Power Electronics SpecialistsConference, 2000. PESC 00. 2000 IEEE 31st Annual , 2000, pp. 33-38 vol.1.

[16] F. Z. Sasan Zabihi, "An Adaptive Hysteresis Current Control Based on Unipolar PWMfor Active Power Filter."

[17] K. Youngjong, P. Kiwoo, L. Kyo-Beum, and F. Blaabjerg, "A new PLL system using

full order observer and PLL system modeling in a single phase grid-connected inverter,"
http://www.space.com/1995-astronomers-wrong-stars-single.htmlhttp://www.space.com/1995-astronomers-wrong-stars-single.htmlhttp://www.space.com/1995-astronomers-wrong-stars-single.htmlhttp://www.space.com/1995-astronomers-wrong-stars-single.html


42/42

in Power Electronics and ECCE Asia (ICPE & ECCE), 2011 IEEE 8th InternationalConference on , 2011, pp. 803-808.

[18] R. S. Lai and K. D. T. Ngo, "A PWM method for reduction of switching loss in a full- bridge inverter," in Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1994. APEC'94. Conference Proceedings 1994., Ninth Annual , 1994, pp. 122-127 vol.1.

[19] R. Teodorescu, M. Liserre, and P. Rodrguez,Grid converters for photovoltaic andwind power systems vol. 29: Wiley, 2011.

[20] F. Schimpf and L. E. Norum, "Grid connected converters for photovoltaic, state of theart, ideas for improvement of transformerless inverters," 2008, pp. 9-11.

[21] D. C. Martins and R. Demonti, "Photovoltaic energy processing for utility connectedsystem," in Industrial Electronics Society, 2001. IECON '01. The 27th AnnualConference of the IEEE , 2001, pp. 1292-1296 vol.2.

[22] S. V. Araujo, P. Zacharias, and R. Mallwitz, "Highly Efficient Single-PhaseTransformerless Inverters for Grid-Connected Photovoltaic Systems," Industrial

Electronics, IEEE Transactions on, vol. 57, pp. 3118-3128, 2010.

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