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NOVA METODOLOGIA DE PROJETO DO CONVERSOR BOOST PARA APLICAÇÕES EM
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
FERNANDO BELTRAME
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO SUL – CAMPUS IBIRUBÁ
RUA NELSI RIBAS FRITSCH, 1111, CEP – 98200-000, BAIRRO ESPERANÇA - IBIRUBÁ/RS
E-mail: [email protected]
FABRÍCIO H. DUPONT, HAMILTOM C. SARTORI, JOSÉ RENES PINHEIRO
Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC), Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)
AV. RORAIMA, 1000, PREDIO 10, CEP-97105-900, SANTA MARIA, RS
E-mails: [email protected]; [email protected]; [email protected]
Abstract. This paper presents a new design methodology for the boost converter DC/DC used to track the maximum power of
a photovoltaic system. The proposed methodology is based on the operating point selection (Δi @ fs), magnetic material and sem-
iconductors which results in better performance for application in photovoltaic. This selection is done through the concept of the weighted average efficiency, which is defined by IEC 61683 standard. Then, the main goal of this work is to choose an operating
point and the elements of the converter which results in optimum efficiency throughout the operating range of load converter.
Therefore, in this proposed methodology is taken into account the annual occurrence of solar irradiation. Thus, losses in capaci-tors, semiconductors and magnetic are considered for the development of design methodology. Experimental results are present-
ed to validate the simulation results obtained. Four operating points are presented to demonstrate that the selected point is the
best among them. To end, a comparison is done between two projects, one using the proposed method and other performed by conventional method. This comparison will show the reduction of the dissipated energy. The volume and cost were not consid-
ered in this work.
Keywords Boost converter, photovoltaic systems, optimization, losses reduction, weighted average efficiency.
Resumo Este trabalho apresenta uma nova metodologia de projeto para o conversor boost CC/CC utilizado no rastreamento da
máxima potência de um sistema fotovoltaico. A metodologia proposta baseia-se na seleção do ponto de operação (Δi @ fs), do
material magnético e de semicondutores que resultam na melhor eficiência para uma aplicação em fotovoltaico. Esta seleção é feita através do conceito do rendimento médio ponderado, o qual é definido pela norma IEC 61683. Então, o objetivo principal
deste trabalho é selecionar um ponto de operação, bem como, os elementos do conversor que resultem em uma eficiência ótima,
em toda faixa de operação de carga. Portanto, nesta metodologia proposta é levado em consideração a ocorrência anual de irradi-ação solar. Desse modo, perdas em capacitores, semicondutores e magnéticos são considerados para o desenvolvimento da meto-
dologia de projeto. Resultados experimentais são apresentados para validar os resultados de simulação obtidos. Quatro diferentes
pontos de operação testados para demonstrar que o ponto selecionado é o melhor entre eles. Para finalizar é realizada uma com-paração entre dois projetos, um realizado através da metodologia proposta e outro realizado da forma convencional. Esta compa-
ração mostrará a redução da energia dissipada. Volume e custos não são considerados neste trabalho.
Palavras-chave Conversor boost, sistemas fotovoltaicos, otimização, redução das perdas, rendimento médio ponderado.
1 Introdução
Segundo o jornal britânico (Independent, 2014),
a humanidade está na iminência de um colapso por
conta da instabilidade econômica e do esgotamento
dos recursos naturais. Essa foi a conclusão de um
estudo financiado pela agência espacial norte-
americana, NASA (National Aeronautics and Space
Administration).
O elevado consumo de nossos recursos naturais
pode ser comprovado pelo último relatório divulgado
pela agência internacional de energia, IEA (Interna-
tional Energy Agency, 2013). De acordo com IEA,
aproximadamente 82% de toda a energia primária do
mundo provêm de combustíveis fósseis como petró-
leo, carvão e gás. Nos últimos 40 anos, a demanda
por este tipo de energia mais que dobrou. Como
consequência deste elevado consumo de combustí-
veis fósseis, outro fato torna-se preocupante, as emis-
sões de CO2 em todo o mundo. Desde a revolução
industrial, na década de 70, a emissão anual proveni-
ente da queima de combustíveis fósseis aumentou
dramaticamente, de uma marca próximo de zero para
aproximadamente 31 GtCO2, em 2011.
Deste montante, conforme o relatório da IEA
(2013), 42 % são de responsabilidade da geração de
eletricidade e calor. Em todo o mundo, este setor é
fortemente dependente do carvão. Logo, o alerta da
provável escassez dos combustíveis fósseis, os altos
índices de emissões de CO2 e todos os problemas
atrelados a essas emissões, vêm motivando investi-
mentos em fontes renováveis de energia e a adoção
de práticas sustentáveis. A expansão das fontes de
energia renováveis terá uma influência decisiva na
capacidade em conduzir o planeta para um caminho
energético mais seguro, confiável e sustentável.
Dentre as inúmeras fontes de energia renováveis
existentes hoje no mundo, a energia solar fotovoltai-
ca é uma das mais abundantes em toda a superfície
terrestre e infinita na escala de tempo humana. Por-
tanto, é uma das alternativas mais promissoras para a
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
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composição de uma nova matriz energética mundial
(Verna, 2011). Estima-se que até 2040 esta seja a
fonte mais importante e significativa de energia re-
novável para o mundo (Brito, 2011), (Dupont, 2012).
No entanto, a baixa eficiência de conversão das
células solares e o alto custo de instalação são ainda
os maiores obstáculos deste tipo de geração de ener-
gia elétrica. De acordo com (Brito, 2011) as células
fotovoltaicas do tipo Crystalline Silicon têm uma
eficiência que varia entre 13-17%. Logo, é extrema-
mente importante extrair a máxima potência gerada
por estas células e garantir que o sistema opere o
maior tempo possível sobre o ponto de máxima po-
tência. Isso é obtido através do uso de sistemas de
rastreamentos do ponto de máxima potência.
Estes sistemas de rastreamento são divididos em
um algoritmo de rastreamento e um estágio de potên-
cia (Martins, 2011). Sera et al. (2006) demonstram
que a eficiência destes algoritmos de rastreamento é
geralmente acima de 99%. Logo, o maior impacto do
rendimento deste sistema fica sob responsabilidade
dos estágios de potência, os conversores de energia.
Pensando nisso, este trabalho propõe uma meto-
dologia de projeto para conversor boost CC/CC em-
pregado no rastreamento da máxima potência de um
sistema fotovoltaico, Figura 1. O objetivo deste arti-
go é otimizar o conversor boost para que se tenha
uma máxima eficiência. Dessa forma, é apresenta
inicialmente uma breve revisão de projetos otimiza-
dos de conversores. Esta revisão servirá de base para
justificar a forma como é realizado o novo projeto.
Figura 1. Conversor boost ligado ao painel fotovoltaico.
2 Revisão Bibliográfica
Diversos trabalhos nos últimos tempos tem estu-
dado a otimização de conversores de energia. Dentre
estes trabalhos, pode-se citar (Kolar, 2009). Este
trabalho apresenta um projeto otimizado para o con-
versor dual-boost, sendo levado em consideração a
máxima eficiência e densidade de potência como
objetivos do projeto. A escolha do ponto ótimo é
realizada através da seleção da frequência de opera-
ção que resulta na máxima eficiência e máxima den-
sidade de potência em 100% de carga. Dessa forma,
o projeto otimizado do conversor resultou em uma
eficiência máxima de 99,2% e com uma densidade de
potência de 1,1 kW/dm³ na frequência de 15 KHz.
Seguindo a ideia do trabalho anterior, (Biela,
2010) apresenta um projeto otimizado para o mesmo
conversor monofásico dual-boost. Os autores suge-
rem a integração do indutor boost e do indutor do
filtro de entrada. Esta integração visa o aumento da
densidade de potência, bem como a eficiência do
conversor. Os autores aconselham ainda a utilização
de diodos do tipo SiC Schottky, para minimizar as
perdas de turn-off. Com relação às perdas de condu-
ção, os autores sugerem a substituição de diodos por
MOSFETs. Já a escolha do ponto ótimo de operação
(máxima eficiência e densidade de potência) é obtido
para o ponto de 100% de carga do conversor (potên-
cia nominal), através de uma varredura de indutância
e frequência de chaveamento. Assim, a eficiência
ótima obtida foi de 99,33%, na frequência de 9,3 kHz
e indutância de 470μH.
Outro trabalho que segue a mesma linha de pes-
quisa é apresentado (Ribes-Mallada, 2011). Este
trabalho aborda a otimização da eficiência dos con-
versores síncronos buck e buck em cascata. Inicial-
mente, os autores propõem a substituição do diodo
semicondutor por um interruptor. Além disso, a oti-
mização é realizada por meio da seleção da indutân-
cia e da frequência de chaveamento que resulta na
melhor eficiência em 100% de carga. No entanto, no
processo de procura do ponto ótimo de operação, foi
utilizado para o cálculo das perdas do indutor, um
valor empírico para a resistência do indutor de 1 mΩ
para cada mH. Da mesma forma, utilizou-se o valor
de 1 mΩ por mF, para a resistência do capacitor de
saída. Logo, obteve-se a eficiência de 93.5% na fre-
quência de chaveamento de 10 kHz, para o ponto de
máxima potência do conversor.
Em outro trabalho realizado por (Ribes-Mallada,
2011), uma análise da sensibilidade dos parâmetros
críticos de projeto do conversor boost CC/CC é
abordado. Ondulação de corrente e tensão, eficiência
e perdas são os parâmetros críticos do projeto deste
conversor. As restrições limitam os valores máximos
e os mínimos dos elementos armazenadores de ener-
gia, frequência de chaveamento e ondulação de cor-
rente. Assim, através de um exemplo de projeto, os
autores mostram a influência de pequenas variações
em torno do ponto ótimo, obtido para a potência
máxima do conversor. Logo, foi demonstrado que
qualquer variação, que satisfaça as restrições em
torno do ponto ótimo, provoca uma diminuição da
eficiência. No entanto, o valor ótimo de algumas
variáveis (ondulação de corrente, frequência de cha-
veamento e indutância) corresponde ao limite de uma
restrição, sendo possível o aumento da eficiência se
houver uma flexibilização dos limites.
Outros trabalhos relevantes de otimização foram
apresentados por (Damasceno, 2005), (Pieniz, 2006),
(Zientarski, 2011) e (Sartori, 2011). Em ambos os
trabalhos, a otimização visa diminuir o volume final
do conversor boost operando como pré-regulador
com correção do fator de potência. Os trabalhos
investigam o impacto da escolha do ponto de opera-
ção (Δi @ fs) no volume dos magnéticos (indutor
boost e indutor do filtro de entrada), bem como, dos
dissipadores. Outro ponto em comum é seleção do
ponto de operação. Os quatro trabalhos escolhem o
ponto que resulta no menor volume para a potência
nominal do conversor.
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
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Portanto, pode-se concluir após essa breve revi-
são bibliográfica que, em se tratando de otimização
de conversores, inúmeros objetivos são abordados.
Dentre esses objetivos podem-se citar como princi-
pais a redução de volume, de perdas e custos, bem
como, o aumento da densidade de potência e eficiên-
cia. Em casos onde um único objetivo é pretendido,
uma simples busca pelo ponto ótimo de operação é
utilizada. Validação experimental dos algoritmos
desenvolvidos comprovou sua eficácia.
Outra característica interessante constatada foi o
fato que na maioria dos trabalhos, seleciona-se o
ponto de operação ótimo do conversor para a carga
máxima. Ou seja, seleciona-se o ponto de operação
que resulta no menor volume, custo, perdas, ou a
maior eficiência e densidade de potência, no ponto de
carga máxima. Em uma aplicação onde o conversor
irá operar sempre em 100% de carga, realmente este
ponto de operação pode ser ótimo. No entanto, em
um conversor conectado a um painel fotovoltaico,
onde a irradiação varia ao longo do dia e do ano, este
ponto pode não ser o ideal.
A Figura 2, apresentada por (Dupont, 2012),
ilustra os dados de irradiação da estação meteoroló-
gica de São Martinho da Serra/ RS, Brasil; Pode-se
constatar que a irradiação média fica muito abaixo do
valor máximo na maioria do ano. Na Figura 3, tam-
bém ilustrada por (Dupont, 2012), é possível consta-
tar que a irradiação máxima ocorre com uma baixa
frequência durante o ano. Logo, conclui-se que um
conversor projetado para apresentar uma ótima efici-
ência na irradiação máxima (em torno de 1200
W/m²), atingirá este valor pouquíssimo vezes ao ano.
Por outro lado, se este projeto fosse realizado para
obter a máxima eficiência em valores de irradiação
entre 400 W/m² e 600 W/m², um melhor aproveita-
mento da energia disponível é obtido.
Figura. 2. Valores médios e máximos da irradiação global em São Martinho da Serra ao longo do ano.
Figura 3. Energia disponível por ano para cada faixa de irradiação
em São Martinho da Serra.
Pensando nisso, este artigo tem como objetivo
propor uma metodologia de projeto que escolherá o
ponto ótimo de operação (Δi @ fs), levando em con-
sideração a curva de irradiação de São Martinho da
Serra. A metodologia é capaz também de selecionar
o magnético e os semicondutores que resultam nas
menores perdas. Portanto, são apresentadas a seguir
as perdas do conversor boost considerados no proje-
to, bem como um passo a passo da metodologia pro-
posta. Em seguida, resultados experimentais são
apresentados para comprovar a eficácia da proposta.
Além disso, é realizada uma comparação de dois
projetos, um realizado com a metodologia proposta e
outro considerando a carga máxima para o projeto. O
objetivo desta comparação é demonstrar quanto de
energia pode-se deixar de ser dissipada.
3 Perdas Consideradas
3.1 Perdas no Capacitor
As perdas no capacitor são determinadas através
da corrente do capacitor (Icap) e da resistência série
equivalentes (RESR), conforme equação (1).
2
2
0
( ) ,2
cap cap ESR sP i t R f dt
(1)
3.2 Perdas no indutor
As perdas no indutor boost são divididas em
perdas magnéticas (no núcleo) e em perdas elétricas
(nos enrolamentos).
As perdas no núcleo são calculas por (2). Tais
perdas são estimadas através de curvas fornecidas
pelos fabricantes (Magnetics, 2013). Esta perda é
dependente da densidade de fluxo magnético (Bpk),
do volume do magnético (Vnuc), da frequência de
chaveamento (fs) e das características do tipo de
núcleo magnético através das constantes fornecidos
no datasheet do magnético (a, b, c).
b c
núcleo núcleo pk sP V aB f (2)
Com relação às perdas elétricas, são considera-
das as perdas que ocorrem nos enrolamentos do
magnético nas suas resistências CC e CA. Quanto à
obtenção da resistência CC, fez se uso da equação
(4), a qual depende da resistividade do material (ρ),
do comprimento do material condutor (wl) e área da
seção transversal do condutor (Aw), conforme apre-
sentado por (Zientarski, 2011). Agora, para o cálculo
da resistência CA, utilizou-se a equação (4), (Pieniz,
2006) e (Zientarski, 2011). Esta equação (4) só é
valida para núcleos com formato toroidal.
l
dc
w
wR
A
(3)
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12
4 2( 1)4 . . .( ) 1
. 3
l
ac esp
d
NfR f Nl
d t
(4)
Onde N é o número de espiras, Lesp o comprimento
médio das espiras, ρ a resistividade do material, µ a
permeabilidade relativa do cobre, f a frequência do
harmônico em questão, do diâmetro do condutor, td
distância entre os centros condutores adjacentes e Nl
o número de camadas do enrolamento.
Logo, as perdas elétricas (equação (5)), são cal-
culadas pelo somatório das perdas CC, mais as per-
das CA, em cada harmônico da corrente que circula
pelo enrolamento, sendo iL(rms) a corrente rms no
magnético e a iL(f) a corrente do harmônico.
2 2
( )
0
( ( ) ( ) )elet dc L rms ac L
f
P R i R f i f
(5)
3.3 Perdas nos Semicondutores
As perdas por condução são calculadas em fun-
ção da queda de tensão que ocorre enquanto o dispo-
sitivo semicondutor está conduzindo corrente. Esta
queda tensão é dependente da corrente e da tempera-
tura, e é obtida nas curvas disponíveis nos datasheets
dos componentes, conforme mostrado em (Beltrame,
2010). Logo as perdas por condução são calculadas
com o uso de (6), sendo Vf a queda de tensão no
semicondutor e If a corrente direta de condução.
0
1( , ) ( ).
sT
cond f f f
s
P V I I t dtT
(6)
Por outro lado, as perdas por comutação nos in-
terruptores são obtidas através da identificação de
cada transição de comutação, conforme mostrado por
(Beltrame, 2010). Então, calcula-se as perdas em
turn-on através da equação (7), e para turn-off, a
equação (8), sendo idev é a corrente do interruptor no
instante da comutação, Voa tensão sobre o dispositi-
vo, tr ,ts os tempos de subida e descida e Coss a capa-
citância de saída do semicondutor.
21 1
2 2on dev o r s oss o sP i V t f C V f (7)
1
2off dev o f sP i V t f (8)
Já no caso do diodo, as perdas por comutação
são calculadas em função o valor da carga de recupe-
ração reversa armazenada (Qrr), a qual é diretamente
proporcional a corrente de condução do diodo, e a
temperatura de junção do semicondutor. Então, pode-
se calcular a potência dissipada durante a recupera-
ção reversa do diodo com o uso de (9), conforme
apresentado por (Sartori, 2012).
_ ( , )rec diodo rr f o sP Q I V f (9)
4 Metodologia de Projeto
A metodologia de projeto baseia-se na seleção do
ponto de operação que resulta no melhor rendimento,
para uma aplicação em sistemas fotovoltaicos, levando
em conta a curva de irradiação de São Martinho da
Serra/RS ao longo de um ano. Logo, esse projeto é
realizado com a ajuda do conceito do rendimento
médio ponderado desta região. Este conceito é estabe-
lecido pela norma IEC 61683:2000.
Rendimento Médio Ponderado nada mais é do
que uma figura de mérito que representa o rendimento
de um conversor de energia para diversos pontos de
operação, em função do tempo em que o mesmo opera
em cada ponto. Dessa forma, a partir da análise de
dados estatísticos das condições meteorológicas de
certas regiões do mundo, dos perfis de irradiação ao
longo de um ano, e levando em conta o conceito do
rendimento médio ponderado, é obtida esta figura de
mérito de cada região. Pensando nisso (Dupont, 2012)
propõe o rendimento médio ponderado da estação de
São Martinho da Serra, RS, através da equação (10).
5% 10% 25% 50%
75% 100%
0,01 0,15 0,37 0,33 ...
0,13 0,01
(10)
A norma IEC 61683 estabelece que os converso-
res devam ser avaliados operando em 5%, 10%, 25%,
50%, 75% e 100% da potência nominal e que os
valores ilustrados na equação (10) são constantes de
ponderação que representam a parcela de tempo em
que o conversor opera em determinada potência. Em
se tratando de fotovoltaicos, estes valores estão dire-
tamente associados ao tempo em que determinada
irradiação incide sobre os módulos.
Vale ressaltar que o magnético, capacitor e os
semicondutores são projetados para a condição pa-
drão de teste (1000 W/m² e 25ºC). No entanto, a
escolha do ponto de operação (Δi @ fs) é feito através
da equação (10), ou seja, o ponto que resulta no me-
lhor rendimento ao longo de toda a faixa de operação
do sistema fotovoltaico. Enquanto que, os trabalhos
apresentados neste artigo, selecionam-se o ponto de
operação que resulta na melhor eficiência a plena
carga.
A metodologia de projeto proposta também é
capaz de selecionar, para cada ponto de operação em
análise, o magnético e os semicondutores que apre-
sentem as menores perdas.
4.1 Passo a passo da metodologia
A seguir é descrito um passo a passo da metodo-
logia proposta, a qual foi desenvolvida no software
MATLAB®:
1º Passo: Define-se o intervalo de frequência de
chaveamento e ondulação de corrente que é conside-
rado na seleção do ponto ótimo.
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2º Passo: Define-se o número de núcleos empilhados
que serão considerados, bem como a temperatura
inicial dos semicondutores e magnéticos.
3º Passo: Para cada par (Δi @ fs) calcula-se a indu-
tância do indutor boost. Em seguida, obtém-se a
energia armazenada neste indutor, para a escolha dos
possíveis núcleos magnético que serão utilizados.
Esta seleção do magnético segue os procedimentos
informados pelo fabricante (Magnetics, 2013) através
do ábaco de seleção dos núcleos.
4º Passo: Calcula-se o número de espiras, para todos
os núcleos selecionados em cada ponto de operação.
5º Passo: Define-se o condutor e o número de condu-
tores em paralelo, levando-se em conta o efeito peli-
cular (efeito skin) e o efeito de proximidade, que
resulta na menor resistência.
6º Passo: Calculam-se as perdas nos magnéticos
selecionados, considerando a temperatura inicial
estipulada. Ao final dessa etapa, calcula-se a eleva-
ção de temperatura do magnético. Se essa temperatu-
ra for diferente da temperatura inicial estipulada,
recalculam-se as perdas, até que se encontra a tempe-
ratura real de operação.
7º Passo: Define-se o núcleo que resultou nas meno-
res perdas, para cada ponto de operação. Esta seleção
é feita através da equação (10), ou seja, seleciona-se
o núcleo magnético que apresente o maior valor de
rendimento médio ponderado.
8º Passo: Calculam-se as perdas nos semicondutores,
para cada ponto de operação, e para todos os semi-
condutores considerados. Como mostrado anterior-
mente, os valores das perdas nos semicondutores são
diretamente proporcionais à temperatura. Logo, cal-
culam-se as perdas considerando a temperatura inici-
al estipulada. Ao final desse cálculo, define-se a
temperatura em cada um dos semicondutores. Se essa
temperatura for diferente da temperatura inicial esti-
pulada, recalculam-se as perdas, até que se encontra a
temperatura real de operação.
9º Passo: Definem-se os semicondutores (interruptor
e diodo) que resultaram nas menores perdas, para
cada ponto de operação. Ou seja, seleciona-se o se-
micondutor que apresentou o melhor rendimento
médio ponderado.
10º Passo: Calculam-se as perdas no capacitor de
saída do conversor.
11º Passo: Calcula-se a eficiência nos pontos de
carga definidos pela equação (10), em 5%, 10%,
25%, 50%, 75% e 100% de carga.
12º Passo: Calcula-se então rendimento médio pon-
derado final, para cada ponto de operação.
13º Passo: Plota-se um gráfico semelhante ao ilus-
trado na Figura 4, onde é possível analisar o compor-
tamento do rendimento médio ponderado ao longo do
intervalo de frequência e ondulação de corrente que
foram considerados.
14º Passo: Define-se o ponto de operação que resul-
tou no melhor rendimento médio ponderado dentre
os pontos analisados e com os semicondutores e
magnéticos considerados.
Figura 4. Curva do rendimento médio ponderado simulado.
Então, a Figura 4 ilustra o comportamento do
rendimento médio ponderado considerando a fre-
quência de chaveamento de 5 kHz a 95 kHz, e a
ondulação de corrente de 5% a 35%. Nesta simulação
ilustrada na Figura 4 foram considerados somente
sete núcleos do tipo Kool Mμ, disponíveis em labora-
tório. Da mesma forma, foram considerados os semi-
condutores disponíveis em laboratório, sendo o inter-
ruptor selecionado o MOSFET modelo IRFP 460A, e
o diodo semicondutor 15ETH06. A potência máxima
considerada é de 600 W, equivalente a três painéis
fotovoltaicos em série, do fabricante Kyocera, mode-
lo KD210. A tensão de saída desta configuração é de
aproximadamente 75 V, no ponto de máxima potên-
cia. Já a tensão de saída do conversor é de 340 V. O
capacitor de saída considerado foi o B43504-
A5227M de 220µF.
Logo, a metodologia de projeto selecionou o ponto
de operação (20% @ 15 kHz), para três núcleos empi-
lhados do modelo 77908, com um rendimento médio
ponderado de 97,48%. Este ponto foi selecionado como
sendo o ponto ótimo para os materiais, e intervalos de
frequência e ondulação de corrente considerados.
5 Resultados Experimentais
A validação da metodologia de projeto apresen-
tada na seção anterior foi realizada através de resul-
tados experimentais. Os pontos de operação testados
experimentalmente são ilustrados na Tabela 1. Além
do ponto ótimo, outros três pontos de operação foram
testados com o intuito de provar que o ponto de ope-
ração selecionado apresenta o melhor resultado de
rendimento entre os demais.
Estes quatro pontos de operação foram testados
experimentalmente utilizando uma fonte CC/CC para
simular a tensão de três painéis, no ponto de máxima
potência. A Tabela 2 mostra os resultados obtidos
para o rendimento médio ponderado e compara com
o resultado simulado de cada ponto de operação.
A Figura 5 ilustra a curva de eficiência simulada
e experimental do ponto ótimo selecionado, em toda
a faixa de carga do conversor. A diferença entre as
curvas pode ser atribuída às diversas aproximações
realizadas durante os cálculos teóricos das perdas.
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Tabela 1. Dados referentes aos pontos de operação selecionados.
Pontos de Operação Testados
1º 2º 3º 4º
Rendimento 97,48 97,38 97,23 97,12
Frequência (kHz) 15 15 25 25
Ondulação de corrente (%) 20 25 20 30
Indutância (mH) 2,5 2 1,5 1
Part Number 77908 77908 77908 77908
Nº de espiras 167 147 125 101
Nº de Condutores 3 3 4 4
Condutor (AWG) 18 18 20 20
Tabela 2. Comparação dos resultados experimentais e simulados.
Ponto de Operação Simulado
(%)
Experimental
(%)
Erro
(%)
(15 kHz @ 20%) 97,48 96,87 0,61
(15 kHz @ 25%) 97,38 96,84 0,55
(25 kHz @ 20%) 97,23 96,7 0,53
(25 kHz @ 30%) 97,12 96,69 0,42
Figura 5. Curva de eficiência, simulado e experimental.
Os resultados experimentais foram obtidos com
o uso do equipamento YOKOGAWA WT1800. Entre-
tanto, mesmo apresentando uma pequena diferença
entre os resultados de simulação e experimentais
(abaixo de 1%), constatou-se que o 1º ponto obteve o
melhor rendimento médio ponderado para o intervalo
de frequência e ondulação de corrente considerados,
e para os magnéticos e semicondutores utilizados.
No entanto, qual é o ganho real desta metodolo-
gia de projeto proposta? Para verificar isto, projeta-
ram-se novamente dois conversores. O primeiro
projeto baseia-se na metodologia proposta. Já o se-
gundo projeto seleciona o ponto de operação que
resulta na melhor eficiência para a potência nominal,
ou seja, o projeto convencional apresentado na revi-
são bibliográfica.
A Figura 6 ilustra as curvas de eficiência dos
dois projetos, ao longo da faixa de carga dos conver-
sores ligados a três painéis solares, totalizando uma
potencia de 600W em 1000W/m². Pode-se verificar
nestas curvas que os valores de rendimento são maio-
res dos que apresentados na Figura 5. Isso ocorre,
pois nesse novo projeto, quatro novos diodos e qua-
tro novos interruptores foram considerados. A Tabela
3 ilustra as informações de cada um dos projetos.
Pode-se perceber que em ambos os projetos, os semi-
condutores selecionados foram os mesmos.
Figura 6. Curvas de eficiência do projeto convencional e proposto.
Tabela 3. Dados referentes aos projetos comparados.
Parâmetros do Conversor
Projetado
Metodologia de Projeto
Proposta Convencional
Frequência (kHz) 35 kHz 65 kHz
Ondulação de corrente (%) 12,5 % 25 %
Indutância 1,7mH 465 µH
Part Number 77616 77192
Nº de núcleos 3 3
Nº de espiras 75 37
Nº de Condutores 7 13
Condutor (AWG) 22 25
Interruptor IPP60R099CP IPP60R099CP
Diodo C3D06065A C3D06065A
Então, calculou-se a energia perdida, para os
dois projetos, considerando os dados de irradiação
solar da estação meteorológica de São Martinho da
Serra, RS. No Brasil, o projeto SONDA (Sistema de
Organização Nacional de Dados Ambientais) foi
criado pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
(INPE) com o objetivo de implementar infra-
estruturas físicas e capacitar recursos humanos desti-
nados a levantar e melhorar a base de dados relativa
aos recursos de energia solar e eólica do país (INPE,
2014). Com relação à estação de São Martinho da
Serra, há dados a partir de 2005.
Logo, para a análise da energia perdida pelos
conversores projetados, optou-se em utilizar os valo-
res médios anuais, conforme apresentado por (Du-
pont, 2012). Para o cálculo destes valores, todas as
amostradas da estação entre os anos de 2005 a 2012
foram empregadas. Então, primeiramente calculou-se
o valor médio das variáveis para cada minuto ao
longo do ano (valor médio/minuto), de forma que
cada registro corresponde ao mesmo minuto de um
determinado dia do ano.
Assim, a energia elétrica média anual, disponibi-
lizada por três módulos, é aproximadamente 1,119
MWh. A energia dissipada pelos dois métodos de
projeto é ilustrada na Tabela 4. Como pode ser visto,
26,22 kWh de energia elétrica foram dissipados pelo
conversor projetado pelo método convencional do
montante de 1,119 MWh de energia processada por
ano. Isto resulta em uma eficiência de conversão de
energia, anual, de aproximadamente 97,65 %. Por
outro lado, o conversor projetado através da metodo-
logia proposta, dissipou aproximadamente 17,99
kWh, resultando em uma eficiência de 98,4 %.
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
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Tabela 4. Comparação da energia dissipada pelos conversores.
Energia Dissipada
Método Convencional 26,22 kWh
Método Proposto 17,99 kWh
Ganho 8,23 kWh
Portanto, pode-se dizer que a metodologia pro-
posta resultou em uma melhoria de aproximadamente
0,75% no rendimento anual de conversão de energia
do conversor. Pode-se dizer ainda que houve uma
redução de aproximadamente 31,38% nas perdas de
energia. Ou seja, deixou-se de dissipar 31,38 % de
energia elétrica que era inicialmente desperdiçada.
6 Conclusão
Este trabalho apresentou uma metodologia de
projeto para o conversor boost CC/CC utilizado no
rastreamento da máxima potência de um sistema
fotovoltaico. O projeto baseou-se no conceito do
rendimento médio ponderado. O ponto ótimo do
conversor boost foi obtido através da seleção do
ponto de operação (ondulação de corrente @ fre-
quência de chaveamento), do magnético e dos semi-
condutores. O ponto selecionado (20% @ 15 kHz)
apresentou um rendimento médio ponderado de
aproximadamente 97,48%. Resultados experimentais
foram apresentados para comprovar o rendimento
médio ponderado do ponto de operação selecionado e
provar que o mesmo foi o melhor entre os demais.
Além disso, foi demonstrado que a metodologia
proposta resulta em uma redução de aproximadamen-
te 31,38% nas perdas do conversor, quando compa-
rado ao projeto convencional, resultando em um
ganho de 0,75% no rendimento anual de conversão
de energia do conversor.
Para finalizar, vale salientar que outros pontos
de operação poderiam ser selecionados se outras
considerações fossem levadas em conta, como volu-
me e custos.
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