UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA FACULDADE DE ...¡lise-Comparativa-entre-as... · materiais das células solares fotovoltaicas, bem como reduzir as perdas energia na produção

UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA

FACULDADE DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENERGIA

Salatiel de Castro Lobato

ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS PRINCIPAIS TÉCNICAS DE MPPT

COM FOCO EXPERIMENTAL

Juiz de Fora

2015

ii

SALATIEL DE CASTRO LOBATO

ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS PRINCIPAIS TÉCNICAS DE MPPT

COM FOCO EXPERIMENTAL

Monografia apresentada ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade

de Engenharia da Universidade Federal de Juiz de Fora como parte dos requisitos para

obtenção do Grau de Engenheiro Eletricista.

Orientador Professor Doutor André Augusto Ferreira

Juiz de Fora

2015

iii

SALATIEL DE CASTRO LOBATO

ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS PRINCIPAIS TÉCNICAS DE MPPT COM

FOCO EXPERIMENTAL

Monografia apresentada ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade

de Engenharia da Universidade Federal de Juiz de Fora como parte dos requisitos para

obtenção do Grau de Engenheiro Eletricista.

Aprovada em ____ de ___________ de 2015

BANCA EXAMINADORA:

André Augusto Ferreira, Dr. Eng.

Universidade Federal de Juiz de Fora, UFJF

Orientador

Vinicius Foletto Montagner, Dr. Eng.

Universidade Federal de Santa Maria, UFSM

Pedro Gomes Barbosa, Dr. Sc.

Universidade Federal de Juiz de Fora, UFJF

iv

AGRADECIMENTO

Em primeiro lugar agradeço a Deus pela oportunidade concedida de estudar e

me aprimorar. Agradeço aos meus pais, Cláudio e Gardênia, pela paciência, apoio,

motivação e amor incondicional. Ao meu irmão, Vinicius, pela amizade de sempre. Ao

meu orientador, André Ferreira, pela paciência e presença sempre constante na

elaboração deste trabalho, contribuindo de maneira muito importante na solução dos

desafios encontrados pelo caminho. Agradeço a toda equipe do LABSOLAR pela ajuda

e apoio em todas as dificuldades. Por fim, agradeço ao apoio da FAPEMIG, projeto

TEC APQ 04178/10.

v

RESUMO

Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre as principais técnicas de

rastreamento de máxima transferência de potência em painéis solares fotovoltaicos. O

objetivo é avaliar a eficiência das técnicas e suas possíveis formas de rastreamento, seja

pela tensão terminal ou corrente de saída dos painéis solares fotovoltaicos. As principais

etapas deste trabalho estão divididas em análises por meio de simulação e de

comparação experimental, sendo este último o foco principal do estudo.

Palavras chave: MPPT, máxima transferência de potência, painel solar fotovoltaico,

perturba e observa, condutância incremental.

vi

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA

2.1 – Curvas características do painel solar fotovoltaico

BPSX120................................................4

2.2 - Esboço esquemático de um sistema solar fotovoltaico com conversor CC ..........................5

2.3 - Fluxograma do algoritmo P&O .............................................................................................6

2.4 - Fluxograma do algoritmo de IC ............................................................................................7

2.5 - Circuito esquemático do conversor elevador de tensão adotado ..........................................8

2.6 - Resposta do conversor com atuação do controlador de tensão .............................................9

2.7 - Resposta do conversor com atuação do controlador de corrente ........................................10

3.1 - Esquemático do circuito simulado para rastrear o MPP .....................................................12

3.2 - Comportamento do algoritmo P&O rastreando o MPP através do controle da tensão

terminal do arranjo solar fotovoltaico

.........................................................................................................13

3.3 - Comportamento do algoritmo IC rastreando o MPP através do controle da tensão terminal

do arranjo solar fotovoltaico

....................................................................................................................14

3.4 - Comportamento do algoritmo P&O rastreando o MPP através do controle corrente do

arranjo solar fotovoltaico

..........................................................................................................................15

3.5 - Comportamento do algoritmo IC rastreando o MPP através do controle da corrente do

arranjo solar fotovoltaico

.........................................................................................................................16

3.6 - Comportamento da resposta da potência fornecida pelo arranjo solar fotovoltaico quando

exposto a degraus de radiação solar e temperatura do painel ......................................................17

3.7 - Curva de radiação e temperatura registrada no dia 24/06/2014 ..........................................18

3.8 - Comportamento da resposta da potência fornecida pelo arranjo solar fotovoltaico quando

expostos a curvas reais de radiação e temperatura para as técnicas de MPPT em estudo ...........18

4.1 - Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 26 e 27 de Junho de 2014 ......21

4.2 - Curva de potência no período de 26 e 27 de junho de 2014 ...............................................22

4.3 - Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 29 de Junho e 04 de Outubro de

2014..............................................................................................................................................22

4.4 - Curva de geração (experimental e simulação) dos painéis solares fotovoltaicos do dia 28 de

junho de 2014 ..............................................................................................................................23

vii

4.5 - Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 01 e 02 de Julho de 2014 .......24

4.6 - Curva de geração (experimental e simulação) dos painéis solares fotovoltaicos do dia 01 e

02 de julho de 2014 .....................................................................................................................25

4.7 - Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 03 e 05 de Julho de 2014 .......26

4.8 - Curva de geração (experimental e simulação) dos painéis solares fotovoltaicos do dia 03 e

05 de julho de 2014 .....................................................................................................................26

4.9 - Curva de geração com algoritmo melhorado.......................................................................28

4.10 - Curva de Radiação Solar e Temperatura referente ao dia 27 de. Fevereiro ......................29

viii

LISTA DE TABELAS

TABELA

2.1 - Dados do conversor elevador de tensão

..................................................................................8

2.2 – Dimensionamento do conversor elevador de tensão .............................................................8

3.1 - Especificações da simulação para análise comparativa das técnicas MPPT .......................17

3.2 - Energia gerada no arranjo solar fotovoltaico quando exposto a curvas reais de radiação e

temperatura para as técnicas de MPPT em estudo

........................................................................19

4.1 - Comparação da energia gerada pelo algoritmo CMPPT por Indutância Incremental .........22

4.2 - Comparação da energia gerada pelo algoritmo VMPPT por Condutância Incremental .....23

4.3 - Comparação da energia gerada pelo algoritmo CMPPT por P&O .....................................25

4.4 - Resultados do experimento utilizando a metodologia de controle por tensão e rastreando o

MPPT pelo algoritmo de P&O ....................................................................................................26

ix

ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

Wp, Watt-Pico;

W, Watt;

V, Volt;

A, Ampere;

Wh; Watt-hora;

ms, milissegundo;

TUST, Tarifa do Uso do Sistema de Transmissão;

TUSD, Tarifa do Uso do Sistema de Distribuição;

MPPT, Rastreamento do Ponto de Máxima Potência, do inglês Maximum Power Point

Tracking;

P&O, Perturba e Observa;

CI, Condutância Incremental;

CC, Corrente Contínua;

P, Potência;

V, Tensão;

I, Corrente;

MPP, Ponto de Máxima Potência, do inglês Maximum Power Point

VMPPT, Rastreamento do Ponto de Máxima Potência por Tensão

IMPPT, Rastreamento do Ponto de Máxima Potência por Corrente

Vin, Tensão na saída do painel fotovoltaico (entrada do conversor);

Il, Corrente no indutor;

x

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .........................................................................................................1

1.1. Motivação .......................................................................................................... 1

1.2. Objetivos ............................................................................................................ 2

1.3. Organização do Trabalho ................................................................................... 2

2. Geração solar fotovoltaica e projeto do conversor elevador ......................................4

2.1. Rastreamento do ponto de máxima potência ..................................................... 4

2.1.1. Perturba e Observa...................................................................................... 6

2.1.2. Condutância Incremental ............................................................................ 7

2.2. Conversor elevador de tensão ............................................................................ 8

2.3. Projeto do controlador ....................................................................................... 9

2.4 Conclusões Parciais .............................................................................................. 11

3. Análise comparativa de técnicas MPPT ...................................................................13

3.1. VMPPT ............................................................................................................ 13

3.1.1. Algoritmo Perturba e Observa .................................................................. 13

3.1.2. Algoritmo de Condutância Incremental ................................................... 15

3.2. CMPPT ............................................................................................................ 16

3.2.1. Algoritmo Perturba e Observa .................................................................. 16

3.2.2. Algoritmo de Impedância Incremental ..................................................... 17

3.3. Análise Comparativa ........................................................................................ 18

3.4. Conclusões Parciais ......................................................................................... 20

4. Resultados Experimentais ........................................................................................21

4.1. Materiais e Métodos ......................................................................................... 21

4.2. Eficiência do conversor ................................................................................... 22

4.3. Comparação das técnicas MPPT ...................................................................... 22

4.3.1. CMPPT por Impedância Incremental ....................................................... 22

4.3.2. VMPPT por Condutância Incremental ..................................................... 23

4.3.3. CMPPT por Perturba e Observa ............................................................... 25

4.3.4. VMPPT por Perturba e Observa ............................................................... 26

xi

4.4. Conclusões Parciais ......................................................................................... 29

5. Conclusões ...............................................................................................................31

5.1 Trabalhos Futuros ................................................................................................. 31

1

CAPÍTULO 1

1. INTRODUÇÃO

As fontes energéticas que atualmente suprem grande parte da demanda por

energia do mundo, são provenientes de combustíveis fósseis, como carvão e os

derivados do petróleo. Estas fontes, por mais de um século, foram intensamente

utilizadas não só para a geração de energia elétrica, mas também para suprir calor e

energia mecânica. Por ser uma fonte não renovável e proveniente de recursos naturais,

ela está se tornado cada vez mais escassa no mundo. Em contrapartida, discussões

sobre sustentabilidade e qualidade de vida tornam-se cada vez mais presentes nos dias

atuais. Desta maneira, a sociedade assume esta questão como um valor essencial para o

seu desenvolvimento [1].

Além dos combustíveis fósseis, outras fontes já bem consolidadas como a

nuclear têm o seu uso questionado devido aos impactos ambientais que causa, ou pode

causar.

Neste cenário, as fontes renováveis de energia são uma possível solução para os

problemas enfrentados pela crescente demanda energética e necessidade de reduzir a

poluição atmosférica. A título de exemplo, algumas destas fontes são: biomassa, eólica,

geotérmica, energia provenientes das marés, energia solar e outras.

1.1. Motivação

A energia solar é uma das opções para suprir a demanda energética da sociedade

atual. Além de ser considerada uma fonte de energia limpa, seu custo apresenta uma

elevada taxa de decaimento. Uma das maneiras de transformar energia solar em

eletricidade é utilizar a tecnologia solar fotovoltaica. O aproveitamento da energia solar

fotovoltaica pode ocorrer desde pequenas fontes de geração (alguns watts de potência)

até grandes plantas de geração (parque solar de Olmedilla, Espanha, 60 MWp). Embora

ainda apresentem alto custo implantação, quando comparado às outras tecnologias de

geração renovável, são financeiramente atrativas em comunidades isoladas. E ainda,

como podem produzir energia quando instalada no telhado das residências, não incide

2

sobre a eletricidade gerada tarifas como da TUST (Tarifa do Uso do Sistema de

Transmissão) e da TUSD (Tarifa do Uso do Sistema de Distribuição)[2].

Uma forma de motivar o uso em larga escala desta tecnologia, é reduzir os

custos de fabricação ou aumentar a eficiência na transformação da radiação solar em

eletricidade. Neste último aspecto, pesquisadores em todo mundo buscam aprimorar os

materiais das células solares fotovoltaicas, bem como reduzir as perdas energia na

produção e condicionamento da eletricidade gerada.

Uma das maneiras de aumentar a eficiência na produção de eletricidade pelo

painel solar fotovoltaico é fazê-lo operar em um ponto de máxima transferência de

potência, que se altera com a radiação solar e a temperatura do painel. Existem diversos

algoritmos propostos na literatura técnica especializada para realizar o Rastreamento do

Ponto de Máxima Transferência de Potência (MPPT, do inglês Maximum Power Point

Tracking), mas ainda não existe um consenso sobre qual técnica apresenta melhor

desempenho.

1.2. Objetivos

O objetivo principal deste trabalho é comparar experimentalmente as principais

técnicas de MPPT, que são: Perturba e Observa (P&O) e Condutância Incremental (CI).

Os objetivos específicos deste trabalho são:

I. Projeto de um conversor estático CC-CC boost e seus controladores;

II. Estudar e simular o comportamento do conversor e das técnicas de

MPPT;

III. Construir um conversor, implementar os algoritmos de controle e de

rastreamento para análise comparativa das diferentes técnicas MPPT.

1.3. Organização do Trabalho

O texto deste trabalho, está organizado em cinco capítulos, incluindo o capítulo

de introdução e conclusão do trabalho.

O capítulo 2 apresenta uma visão geral sobre o comportamento dos painéis

solares fotovoltaicos e é explicado o funcionamento das técnicas de MPPT, bem como

3

as suas possíveis formas de controle. E ainda, apresenta o desenvolvimento de um

conversor boost e de seus controladores.

No capítulo 3 são mostrados resultados obtidos por simulação, em que são

realizadas comparações preliminares das técnicas de MPPT.

O capítulo 4 trata do objetivo principal deste trabalho, que é a avaliação e

comparação experimental das técnicas de MPPT.

No capítulo 5 são apresentadas as conclusões e propostas investigações futuras.

4

Capitulo 2

2. Geração solar fotovoltaica e projeto do conversor elevador

Este capítulo busca apresentar uma introdução a geração solar fotovoltaica, em que

será apresentada uma breve revisão sobre o processo e características da geração solar

fotovoltaica e técnicas de rastreamento de máxima potência. Ainda neste capítulo, será

apresentada uma síntese do projeto do conversor elevador de tensão, bem como o

controle deste para efetivar o rastreamento do ponto de máxima potência.

2.1. Rastreamento do ponto de máxima potência

Sistemas de geração solar fotovoltaico são dependentes das condições climáticas

a quais estão expostos (radiação solar e temperatura do painel). Estas condições são

responsáveis pela potência máxima que pode ser gerada pelo painel solar fotovoltaico.

Na Figura 2.1 são mostradas as curvas características para o painel modelo BPSX120 da

BP Solar, para diferentes condições de radiação solar e de temperatura do painel.

0 10 20 30 400

20

40

60

80

100

120

Po

tên

cia

(W)

Tensão (V)

G = 1000 W/m²

10°C30°C

50°C70°C

Corrente (A)

0

20

40

60

80

100

120

Po

tên

cia

(W)

G = 1000 W/m²

0 1 2 3 4

10°C30°C50°C70°C

(c) (d)

0 1 2 3 40

20

40

60

80

100

120

Po

tên

cia

(W)

T = 30°C1000 w/m²

800 w/m²

600 w/m²

400 w/m²

Corrente (A)0 10 20 30 40

Tensão (V)

0

20

40

60

80

100

120

Po

tên

cia

(W)

T = 30°C

1000 w/m²

800 w/m²

600 w/m²

400 w/m²

(a) (b)

Figura 2. 1 - Curvas características do painel solar fotovoltaico BPSX120 (simulação): (a) Curva

P x V com temperatura fixa; (b) Curva P x I com temperatura fixa; (c) Curva P x V com radiação

Fixa; (d) Curva P x V com radiação fixa.

5

Nas curvas esboçadas é possível observar que o ponto de máxima produção de

potência varia em termos da radiação solar e da temperatura do painel. Pelas curvas

P x V, com temperatura fixa, é possível constatar que a tensão em ocorre a máxima

produção de potência é sempre praticamente a mesma, independente da variação da

radiação solar. No entanto, é possível constatar que quando a temperatura varia, gráfico

P x V com radiação solar fixa, a tensão varia expressivamente. Nesta situação, a

corrente varia com menor intensidade, conforme gráfico P x I com radiação solar fixa.

Um conversor estático de potência é acoplado ao painel solar para que o mesmo

opere sempre no Ponto de Máxima Transferência de Potência (MPP, do inglês

Maximum Power Point). Usualmente, emprega-se o controle da tensão terminal do

painel para esse fim, mas também é possível realizar o controle da corrente. Na Figura

2.2 é apresentado um esboço esquemático de um sistema solar fotovoltaico incluindo o

conversor estático CC-CC e o controlador para rastrear a máxima potência.

ARRANJO SOLAR FOTOVOLTAICO

MPPT

+

CCCCCCCC

Controlador

Figura 2. 2 - Esboço de um sistema solar fotovoltaico com conversor CC.

Existem diversos métodos descritos na literatura para implementar o algoritmo

MPPT como: tensão constante, razão cíclica constante, perturba e observa, condutância

incremental, correlação de riplle, oscilação do sistema e o método baseado na

temperatura. Os métodos Perturba e Observa (P&O) e Condutância Incremental (IC) são

os mais utilizados, pois possuem boa eficiência e são de fácil implementação. De acordo

com [1], não existe um consenso sobre o melhor método para sintetizar esses algoritmos

de rastreamento do MPP, isto é, se por tensão (VMPPT) ou por corrente (CMPPT). A

escolha natural é o VMPPT, pois o painel apresenta uma taxa de variação de potência

muito menor em relação a tensão do que em relação a corrente. Em seus resultados de

simulações computacionais, Pedro Sobreira constatou que VMPPT e CMPPT

apresentam resultados similares [3].

6

2.1.1. Perturba e Observa

O algoritmo de P&O é um método de MPPT de simples compreensão, de fácil

implementação e boa eficiência nos sistemas de geração solar fotovoltaico. Na Figura

2.3 é mostrado o fluxograma do algoritmo P&O, em que V(m) e I(m) são variáveis

medidas na iteração atual do algoritmo e V(m-1) e I(m-1) são os seus valores medidos

na iteração anterior.

Vref = Vref + ΔV

NãoNão

V (m), I (m)

P (m) = V (m) x I (m)

P (m) > P (m-1)NãoNão

Vref = Vref - ΔV

SimSim

SimSim

V (m-1) = V (m)I (m-1) = I (m)

V (m) > V (m-1)

Vref = Vref + ΔV

NãoNão

Vref = Vref - ΔV

SimSimV (m) > V (m-1)

Figura 2. 3 - Fluxograma do algoritmo P&O [3]

O algoritmo, baseado nas curvas características da Figura 2.1, trata-se de um

método de perturbação e observação em que é aplicado um pequeno aumento na tensão,

ou na corrente, e verificado a variação da potência. Caso ocorra aumento da potência

fornecida pelo painel, o algoritmo segue com perturbações no mesmo sentido. No

entanto, caso ocorra decréscimo de potência, na próxima iteração a perturbação irá

acontecer no sentido contrário. Dessa forma, o algoritmo de P&O faz com que a

referência fique variando em valores próximos ao MPP.

Para que o algoritmo tenha uma boa eficiência é importante fazer uma escolha

adequada para incremento da perturbação (dV). É importante que dV não assuma um

valor muito pequeno, pois assim, o algoritmo demora a encontrar o MPP. Também não

deve assumir valores muito grandes, pois resultará em grandes variações em torno do

MPP.

7

2.1.2. Condutância Incremental

O método de condutância incremental - IC (controle pela tensão) ou impedância

incremental (controle pela corrente) também se trata de um método de perturbação e

observação que possibilita obter uma taxa de convergência mais rápida e menores

variações próximas ao MPP quando comparado ao P&O. Assim como o algoritmo de

P&O, o algoritmo IC possui uma boa eficiência e fácil implementação.

O método é baseado nas derivadas da curva característica P x V ou P x I dos

painéis solares fotovoltaicos, Figura 2.1. Pela curva, observa-se que quando o ponto de

operação se encontra a esquerda do MPP, o valor da derivada da curva em relação a

tensão (VMPPT) ou corrente (CMPPT) assume valor negativo, se o ponto estiver a

direita do MPP a derivada assume valor positivo e quando está trabalhando no MPP

assume valor zero.

Assumindo dI e dV como a diferença entre os valores atuais do sistema e os

anteriores e baseado na ideia da derivada da potência em relação à tensão, obtém-se a

seguinte relação para o rastreamento por tensão (condutância incremental) [3]:

.

Com base nos resultados destas comparações o algoritmo decide entre

incremento, decremento ou permanência da referência. Na Figura 2.4 é mostrado o

fluxograma do algoritmo de IC. Os mesmos cuidados referentes ao incremento citados

no algoritmo de P&O devem ser tomados ao incremento no algoritmo de IC.

8

Vref = Vref + ΔV

V (m), I (m)

dV = V (m) – V (m-1)dI = I (m) – I (m-1)

NãoNão

Vref = Vref - ΔV

SimSim

P (m) = V (m) x I (m)

Vref = Vref + ΔV Vref = Vref - ΔV

dI/dV = - I (m)/V (m)

dI/dV < - I (m)/V (m)

NãoNão

dI=0

dI=0

NãoNão

dV=0

SimSim

SimSim

NãoNão NãoNãoSimSim

SimSim

Figura 2. 4 - Fluxograma do algoritmo de IC [3].

Para o caso de controle pela corrente, o raciocínio é análogo ao que foi utilizado

para o algoritmo utilizando tensão como referência.

2.2. Conversor elevador de tensão

Para realizar o controle da tensão no painel solar ou da corrente de saída do

mesmo, foi utilizado um conversor elevador de tensão, mostrado na Figura 2.5, para

comparar os algoritmos de rastreamento de máxima potência. Neste, é possível

controlar tanto a sua tensão de entrada, quanto a corrente de entrada, ou seja, permitindo

implementar o VMPPT e o CMPPT.

L Diodo

Cin Chave - S Cout CargaFonte

+-

RFonte

Figura 2. 5 - Circuito esquemático do conversor elevador de tensão adotado

No estudo de caso empregado nesta monografia é utilizado um arranjo de quatro

painéis solares fotovoltaicos, modelo BPSX120, formado por um conjunto em paralelo

9

de dois painéis conectados em série. O conversor deverá operar no modo de condução

contínua, de acordo com os seguintes parâmetros descritos na Tabela 2.1.

Tabela 2.1 – Dados do conversor elevador de tensão.

Grandeza Valor

Potência 480 W Tensão de entrada típica 66 V Corrente máxima 8 A Frequência de S 20 kHz Ondulação da tensão de saída 10 %

O conversor foi dimensionado com os seguintes valores apresentados na Tabela

2.2.

Tabela 2.2 – Dimensionamento do conversor elevador de tensão.

Componente Valor

L 1,1 mH

Cin 47 µF

Cout 470 µF

2.3. Projeto do controlador

Nesta subseção será apresentada a síntese dos controladores do conversor

estático, que regulam a tensão ou a corrente terminal do painel solar fotovoltaico, a

depender do tipo: VMPPT ou CMPPT, respectivamente. Tanto para o projeto do

controlador de tensão quanto para o projeto do controlador de corrente foi utilizado o

método do “fator k” [4].

i) Controlador de Tensão

A função de transferência para pequenas perturbações da tensão de entrada do

conversor (tensão terminal do arranjo solar fotovoltaico) em função da razão cíclica de

comutação [5], possibilita projetar o controlador para operar para determinadas margens

de fases. A função de transferência que relaciona a tensão de entrada do conversor pela

sua razão cíclica é dada por (1).

Na Figura 2.6 está esboçada a resposta transitória do controle da tensão de

entrada do conversor para diferentes margens de fase. O controlador projetado com

margem de fase de 45° apresenta uma resposta transitória mais rápida e menor

10

sobressinal. A função de transferência desse controlador é apresentada em (2) Dessa

maneira, este foi escolhido para o uso com o algoritmo do tipo VMPPT.

20 25 30 35 40 45 5059

60

61

62

63

64

65

66

Tempo(ms)

Ten

são

(V

)

Tensão de ReferênciaTensão de Entrada - MF 45°Tensão de Entrada - MF 60°Tensão de Entrada - MF 75°

Figura 2. 6 - Resposta do conversor com atuação do controlador de tensão

ii) Controlador de Corrente

De forma análoga ao controle de tensão, foi seguido o mesmo procedimento para

o controle de corrente do conversor. A função de transferência do modelo linearizado da

corrente no indutor [1] pela razão cíclica é dada por (3).

Na Figura 2.7 é possível observar a resposta transitória do controle da corrente

do conversor para diferentes margens de fase. Uma margem de fase de 75° apresenta

resposta transitória com menor sobressinal, mas o tempo de acomodação é maior. Já a

margem de fase de 45° resulta em sobressinal um pouco maior, porém o tempo de

acomodação é inferior. Foi escolhido o controlador que resulte em margem de fase de

45° e a função de transferência do mesmo é expressa em (4).

11

6.0 6.5 7,0 7.5 8,0 8.5 9,0 9.5 101

2

3

4

5

6

7

Tempo(ms)

Co

rrn

te (

A)

Corrente de Referência

Corrente no Indutor - MF 45°



Figura 2. 7 - Resposta do conversor com atuação do controlador de corrente.

iii) Controle digital

Como os algoritmos de controle serão implementados em um controlador digital

de sinais, foi utilizada a transformação bilinear para discretização do controlador com

período de aquisição em 10 kHz. A equação (5) representa a função no domínio z do

controlador de tensão.

A equação 6 apresenta a função de transferência do controlador discreto de corrente.

2.4 Conclusões Parciais

Neste capítulo foi realizada uma breve revisão sobre as duas principais

metodologias para rastreamento do MPP, tanto em termos de tensão quanto de corrente.

12

É esperado que ambos os métodos apresentem resultados similares, de acordo com a

dissertação do autor Pedro Sobreira [3].

Foi descrito o projeto dos controladores para um conversor elevador de tensão,

tanto para o controle em tensão, quanto em corrente, ambos com margem de fase de

45. Os controladores foram digitalizados com base na transformação bilinear para

implementação dos métodos MPPT P&O e IC, empregando VMPPT e CMPPT para

fins de comparação experimental da eficiência dessas técnicas.

13

Capitulo 3

3. Análise comparativa de técnicas MPPT

Neste capítulo será realizada uma análise comparativa dos resultados de simulação

das técnicas P&O e Condutância Incremental, utilizando como variáveis de controle a

tensão terminal do painel solar fotovoltaico ou a corrente de saída do mesmo.

O circuito esquemático mostrado na Figura 3.1 foi utilizado para simular o

rastreamento da máxima potência por meio do controle de um conversor boost acoplado

a um arranjo de painéis solares fotovoltaicos, descrito no capítulo anterior. O bloco

“PV_Array” modela o comportamento do arranjo solar fotovoltaico [6] e o bloco

“MPPT” sintetiza o algoritmo para rastrear o ponto de máxima transferência de

potência.

L

C R

Controlador

Entrada Saida

PV_Array

A

Ipa

MPPT

V

V

ZOH

V

ZOH

Figura 3.1 - Esquemático do circuito simulado para rastrear o MPP.

3.1. VMPPT

3.1.1. Algoritmo Perturba e Observa

Para verificar a eficiência e funcionamento do algoritmo de P&O utilizando a

metodologia do controle da tensão terminal do arranjo solar fotovoltaico, foram

realizadas simulações para coletar dados que serão analisados e posteriormente

comparados com outras técnicas.

14

A primeira simulação foi realizada com aplicação de um degrau de radiação e

um degrau de temperatura para verificar a resposta do algoritmo MPPT e do controle da

tensão de entrada do conversor boost. A simulação começa com a temperatura em 32º C

e a radiação em 600 W/m2. No instante de tempo de 80 ms a radiação é alterada para

800 W/m2 e no instante de 150 ms a temperatura é elevada para 50º C. Na Figura 3.2 -

observa-se a resposta da referência de tensão fornecida pelo algoritmo P&O e a tensão

terminal do arranjo solar fotovoltaico. É possível constatar que as variações de radiação

e de temperatura dos painéis solares resultam em uma mudança na tensão do arranjo, a

fim de garantir que a potência do painel seja a máxima. O aumento da radiação resulta

em um aumento da tensão terminal, enquanto que o aumento de temperatura resulta em

uma redução tensão. Nota-se que, quando os degraus são aplicados, o algoritmo

rapidamente encontra o novo ponto de máxima transferência de potência. No sub-

gráfico esboçado é possível observar em detalhes o rastreamento em torno do ponto de

máxima potência, o que resulta em pequenas perturbações na referência realizadas pelo

algoritmo de P&O. Cabe destacar que o projeto do controlador foi especificado para

seguir as variações de radiação e de temperatura do painel, e não para as variações em

torno do ponto de operação. Com efeito, é possível notar um grande sobressinal em

relação à referência de tensão do algoritmo MPPT.

20040 60 80 100 120 140 160 1800

10

20

30

40

50

60

70

Tempo ( ms)

Ten

são

(V)

114 115 116 117 118

66

66.4

Ten

são

(V)

Tempo ( ms)

Tensão de ReferênciaTensão Terminal

Figura 3.2 - Comportamento do algoritmo P&O rastreando o MPP por meio do controle da tensão

terminal do arranjo solar fotovoltaico.

15

3.1.2. Algoritmo de Condutância Incremental

Para verificar o funcionamento do algoritmo de condutância incremental

utilizando a metodologia do controle da tensão terminal do arranjo solar fotovoltaico,

foi utilizado o circuito esquemático da Figura 3.1, em que o algoritmo condutância

incremental também é sintetizado no bloco “MPPT” do simulador.

As condições de simulação foram as mesmas utilizadas na análise do algoritmo

P&O feita na seção anterior. Na Figura 3.3 é mostrada a resposta da referência de tensão

fornecida pelo algoritmo de condutância incremental e a tensão terminal controlada do

arranjo de painéis solares fotovoltaicos.

( )msTempo40 60 80 100 120 140 160 180 200

0

10

20

30

40

50

60

70

Ten

são

(V)

118 119 121

66

66.2

66.4

Tempo (ms)

Ten

são

(V)

117120

Tensão de ReferênciaTensão Terminal

Figura 3.3 - Comportamento do algoritmo IC rastreando o MPP através do controle da tensão

terminal do arranjo solar fotovoltaico.

Analisando a Figura 3.1 observa-se o comportamento semelhante entre os

algoritmos condutância incremental e P&O, respondendo rapidamente às variações de

temperatura e radiação solar. Uma vantagem atribuída ao algoritmo de condutância

incremental visualiza-se no detalhe da Figura 3.3. Nas regiões próximas ao MPP o

incremento da referência se torna pequena, tornando assim as variações da referência,

em estado permanente, mais suaves.

16

3.2. CMPPT

3.2.1. Algoritmo Perturba e Observa

Para simular o funcionamento do algoritmo de P&O utilizando a metodologia do

controle da corrente do arranjo solar fotovoltaico, empregou-se um circuito similar ao

apresentado na Figura 3.1, alterando a referência de controle para a corrente de saída do

arranjo solar fotovoltaico. As condições da simulação também não foram alteradas. Na

Figura 3.4 pode ser visualizado o resultado dessa simulação.

40 60 80 100 120 140 160 180 2000

1

2

3

4

5

6

7

8

Tempo(ms)

Co

rren

te (

A)

Corrente no Indutor


Figura 3.4 - Comportamento do algoritmo P&O rastreando o MPP através do controle corrente do

arranjo solar fotovoltaico.

Diferentemente dos resultados encontrados para rastreamento por tensão, a

referência de corrente fornecida pelo algoritmo de MPPT apresenta grandes oscilações.

Este fato se deve à elevada ondulação de corrente no indutor do conversor boost. No

entanto, o comportamento médio da corrente no indutor é similar ao da corrente de

referência do algoritmo MPPT.

17

3.2.2. Algoritmo de Impedância Incremental

Para verificar o funcionamento do algoritmo de impedância incremental, foi

realizada uma nova simulação com as mesmas condições das simulações já realizadas.

Na Figura 3.5 se pode verificar o resultado desta simulação.

40 60 80 100 120 140 160 180 2000

1

2

3

4

5

6

7

8

Tempo (ms)

Co

rren

te (A

)

Corrente no Indutor


Figura 3.5 - Comportamento do algoritmo IC rastreando o MPP através do controle da corrente do

arranjo solar fotovoltaico.

Observa-se que a resposta do sistema ao algoritmo de impedância incremental

apresenta características semelhantes à resposta do algoritmo P&O, com a referência de

corrente muito oscilatória devido ao comportamento oscilatório da corrente no indutor

de um conversor boost. Para ambas as técnicas de MPPT controladas pela corrente,

observa-se que a referência de corrente ainda se estabilizava quando os degraus foram

aplicados, o que não aconteceu com o controle de tensão. Assim, verifica-se que o

controle pela corrente tem uma resposta mais lenta. Nas próximas seções irá verificar se

as diferenças encontradas nestas primeiras simulações levam a alguma vantagem ou

desvantagem real na escolha de uma técnica ou outra.

18

3.3. Análise Comparativa

Tanto o algoritmo P&O quanto o CI (impedância incremental para o controle de

corrente) apresentaram respostas de simulações satisfatórias. Porém, com os dados até

então analisados, não é possível identificar qual técnica é mais eficiente.

Para comparar o comportamento transitório das técnicas de MPPT foram

simuladas variações bruscas de radiação solar e de temperatura. A resposta da potência

fornecida pelo arranjo solar fotovoltaico para cada uma das técnicas é apresentada na

Figura 3.6, em que as condições de simulação são encontradas na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Especificações da simulação para análise comparativa das técnicas MPPT.

Intervalo Radiação Temperatura

A 800 W/m² 32 °C B 1000 W/m2 32 °C C 1000 W/m2 20 °C D 1000 W/m2 32 °C E 800 W/m² 32 °C

0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16300

320

340

360

380

400

420

440

460

480

500

Tempo (s)

Po

tên

cia

(W)

VMPPT - P&OVMPPT - IC

CMPPT - ICA

B

C

D

ECMPPT - P&O

Figura 3.6 - Comportamento da resposta da potência fornecida pelo arranjo solar fotovoltaico

quando exposto a degraus de radiação solar e temperatura do painel.

Na Figura 3.6 é possível verificar que todos os métodos de MPPT, em regime

permanente, convergem ao mesmo valor de potência fornecida pelo arranjo de painéis

solares fotovoltaicos. Já em regime transitório, as técnicas de rastreamento por corrente

19

levam mais tempo para se estabilizar (como já verificado) e com sobressinal mais

acentuado. Vale observar que as variações de radiação solar e de temperatura foram

muito bruscas, o que não ocorre, em geral, na natureza. Assim quando operando em

sistemas reais, estes sobressinais gerados pelos algoritmos de MPPT provavelmente são

menos relevantes.

Com o intuito de simular condições reais de operação, foram realizadas

simulações com curvas reais de radiação e temperatura. Por meio destas simulações, é

possível comparar melhor as técnicas de MPPT. As curvas de radiação e temperatura

estão apresentadas na Figura 3.7. As respostas de cada um dos sistemas estão

apresentadas na Figura 3.8.

6 8 10 12 14 16 180

100

200

300

400

500

600

700

Tempo(h)

Rad

iaçã

o (

W/m

²)

6 8 10 12 14 16 180

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Tempo(h)

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Figura 3.7 - Curva de radiação e temperatura registrada no dia 24/06/2014.

6 8 10 12 14 16 180

50

100

150

200

250

300

Po

tên

cia

W

Horas

CMPPT – IC

CMPPT – P&O

VMPPT – IC

VMPPT – P&o

Figura 3.8 - Comportamento da resposta da potência fornecida pelo arranjo solar fotovoltaico

quando expostos a curvas reais de radiação e temperatura para as técnicas de MPPT em estudo.

20

Nesta simulação, observa-se que a geração de potência pelos arranjos de painéis

solares fotovoltaicos apresenta a mesma tendência para todos os métodos de MPPT em

estudo. A energia gerada pelo arranjo solar rastreada por cada um dos métodos é

apresentada na Tabela 3.2.

Tabela 3.2 – Energia gerada no arranjo solar fotovoltaico quando exposto a curvas reais de radiação e

temperatura para as técnicas de MPPT em estudo.

Método Energia gerada

VMPPT – P&O 1579,43 Wh

VMPPT – IC 1584,31 Wh

CMPPT – P&O 1566,56 Wh

CMPPT – IC 1566,54 Wh

Com estes dados é possível visualizar uma pequena desvantagem aos métodos

rastreados por corrente, porém esta diferença não atribui ganho significativo na escolha

do método na qual se deseja rastrear o MPP. E ainda, o projeto do controlador de

corrente pode ser aprimorado e produzir melhores resultados.

3.4. Conclusões Parciais

A comparação entre os métodos mais populares de rastreamento de máxima

potência é o objetivo fundamental deste trabalho. Neste capítulo foi realizada a

investigação do comportamento, via simulação, destes métodos de MPPT.

Entre os métodos em estudo, verifica-se que todos apresentam resultados de

simulação satisfatórios. A quantidade de energia produzida apresenta pequena

diferença, que pode estar relacionada ao projeto do controlador de tensão ou de

corrente. Na próxima seção buscada a confirmação experimental dos resultados obtidos.

21

Capítulo 4

4. Resultados Experimentais

Este capítulo apresenta resultados do conversor elevador de tensão utilizado para

comparação experimental das técnicas de rastreamento de máxima potência aplicados a

um arranjo solar fotovoltaico de 480 Wp.

4.1. Materiais e Métodos

O conversor foi construído utilizando o interruptor mosfet IRF640 para

comutação em 20 kHz. No que se refere ao controle digital do conversor, foi utilizada a

placa de desenvolvimento ADSP 21992 da Analog Divices. Os canais de conversão A/D

amostram informações de tensão e de corrente de saída do arranjo, por intermédio de

sensores de efeito Hall de tensão (LV 20-P) e de corrente (LA 55-P) e de uma placa de

condicionamento analógico de sinais. Os algoritmos de MPPT geram sinais de

referência de tensão ou de corrente para o controle do conversor estático, a partir de um

sinal de Modulação por Largura de Pulso (MLP).

O indutor projetado possui uma indutância de 1,1 mH, de acordo com a medição

utilizando o equipamento BR2820 LCR Meter da MCP Lab Eletronics.

Para a comparação da eficiência das técnicas MPPT, foram utilizados resultados

de simulação e experimentais. Nas simulações, foram usados registros de radiação solar

e de temperatura do painel adquiridas em um coletor de dados (“datalogger”) modelo

CR1000 da Camnpbell Scientific, um termopar e um piranômetro modelo LP-02 da

Hukseflux. Os dados experimentais do protótipo em bancada também foram

monitorados com o mesmo coletor de dados, mas por intermédio de sensores de efeito

de tensão (LV 20-P) e de corrente (LA 55-P). Para cada técnica de MPPT foram

coletados dados por um período de dois dias, com taxa de amostragem de um minuto.

A eficiência do conversor foi verificada por um wattímetro digital Yokogawa

modelo WT-230, em que as medições foram feitas com os painéis a baixa radiação solar

e a “média” de radiação solar.

22

4.2. Eficiência do conversor

Para uma situação de baixa radiação, foi medida uma potência de entrada do

conversor de 72,0 W e uma potência na carga de 70,5 W. Desta maneira, a eficiência do

conversor é de 97,92%. Para uma situação de radiação solar “média”, foi medida uma

potência de entrada do conversor de 201,1 W e potência na carga de 193,1 W. A Com

efeito, a eficiência do conversor é de 96,02%. Desta maneira, as perdas nos elementos

passivos e nos interruptores não são elevados.

4.3. Comparação das técnicas MPPT

4.3.1. CMPPT por Impedância Incremental

No período de 26 a 27 de Junho 2014, foram coletados os dados referentes ao

controle pela corrente com o algoritmo CI. Nos gráficos da Figura 4.1 encontram-se as

curvas de radiação solar e de temperatura em que os painéis solares fotovoltaicos

estavam expostos.

6 8 10 12 14 16 180

100

200

300

400

500

600

700Radiação - Dia 26 de Junho de 2014

Rad

iaçã

o w

/m²

Horas (h)10

20

30

40

50Temperatura - Dia 26 de Junho de 2014

Tem

pe

ratu

ra °

C

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

0

200

400

600

Radiação - Dia 27 de Junho de 2014

Rad

iaçã

o w

/m²

10

20

30

40


Tem

pe

ratu

ra °

C

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Figura 4. 1 - Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 26 e 27 de Junho de 2014.

Na Figura 4. 2 são mostradas as curvas de potência experimental e simulada,

esta última com base nas condições climáticas mostradas na Figura 4.1. É possível

constatar que existe uma diferença significativa entre os resultados simulados e

23

experimental quando a potência fica superior a 200 W. Testes posteriores levaram à

correção deste fenômeno é são discutidos posteriormente.

6 8 10 12 14 16 180

50

100

150

200

250

300IC por Corrente - Dia 27 de Junho de 2014

Po

tên

cia

W/m

²

Horas (h)0

50

100

150

200

250

300IC por Corrente - Dia 26 de Junho de 2014

Po

tên

cia

W/m

²

Horas (h)8 10 12 14 16 186

SimulaçãoExperimental


Figura 4. 2 - Curva de potência no período de 26 e 27 de junho de 2014.

Na Tabela 4.1, é realizada uma análise comparativa em termos de energia gerada

experimentalmente e por simulação.

Tabela 4. 1 – Comparação da energia gerada pelo algoritmo CMPPT por Indutância Incremental.

Data do

Experimento

Energia

(Experimental)

Energia

(Simulação)

Diferença

Percentual

26/06/2014 1,74 kWh 1,48 kWh 14,94 %

27/06/2014 1,78 kWh 1,63 kWh 8,43 %

4.3.2. VMPPT por Condutância Incremental

Nos dias 28/06/2014 e 04/10/2014, foram coletados os dados referentes ao

controle pela tensão com o algoritmo CI. No gráfico da Figura 4.3 encontram-se as

curvas de radiação solar e de temperatura em que os painéis solares fotovoltaicos

estavam expostos.


esta última com base nas condições climáticas mostradas na Figura 4. 3. Também

observar-se o mesmo fenômeno observado para o controle de corrente IC, em que existe

uma diferença significativa entre os resultados simulados e experimental quando a

potência fica superior a 200 W. Nesta situação porém, a diferença é mais sutil, visto que

tanto para o dia 29 de Junho quanto para o dia 04 de outubro a radiação solar, em média,

inferior e mais variável do que na situação com controle de corrente.

24

0

100

200

300

400

500

600

700Radiação - Dia 29 de Junho de 2014

Rad

iaçã

o w

/m²

Horas (h)

10

20

30

40


Tem

pera

tura

°C

6 8 10 12 14 16 18Horas (h)

6 8 10 12 14 16 18

200

400

600

800

1000

1200

15

20

25

30

35

40

Tem

pera

tura

°C

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

0

Rad

iaçã

o w

/m²

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Radiação – Dia 04 de Outubro 2014 Temperatura - Dia 04 de Outubro de 2014

Figura 4. 3 - Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 29 de Junho e 04 de Outubro de

2014.

0

100

200

300

400

500

600IC por Tensão - Dia 04 de Outubro de 2014

Pot

ênci

a W

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18


Figura 4. 4 - Curva de geração (experimental e simulação) dos painéis solares fotovoltaicos do dia 28 de

junho de 2014.



Tabela 4. 2 - Comparação da energia gerada pelo algoritmo VMPPT por Condutância Incremental.

Data do

Experimento

Energia

(Experimental)

Energia

(Simulação)

Diferença

Percentual

29/06/2014 1,70 kWh 1,62 kWh 4,71 %

04/10/2014 1,72 kWh 1,94 kWh 11,34 %

25

4.3.3. CMPPT por Perturba e Observa

No período de 01 a 02 de Julho 2014, foram coletados os dados referentes ao

controle pela corrente com o algoritmo P&O. Nos gráficos da Figura 4.5 se pode

observar as curvas de radiação solar e de temperatura em que os painéis solares

fotovoltaicos estavam expostos.

0

100

200

300

400

500

600

700


Rad

iaçã

o w

/m²

10

20

30

40

50

Temperatura - Dia 02 de Julho de 2014

Tem

pe

ratu

ra °

C0

100

200

300

400

500

600

700


Rad

iaçã

o w

/m²

10

20

30

40

50Temperatura - Dia 01 de Julho de 2014

Tem

pe

ratu

ra °

C

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Figura 4. 5 - Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 01 e 02 de Julho de 2014

Na Figura 4.6 são mostradas as curvas de potência experimental e simulada, esta

última com base nas condições climáticas mostradas na Figura 4.5. Também observar-

se o mesmo fenômeno ocorrido nos casos anteriores, em que existe uma diferença

significativa entre os resultados simulados e experimental quando a potência fica

superior a 200 W.



26

0

50

100

150

200

250

300

P&O por Corrente - Dia 02 de Julho de 2014

Po

tên

cia

W

0

50

100

150

200

250

300

P&O por Corrente - Dia 01 de Julho de 2014

Po

tên

cia

W

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18



Figura 4. 6 - Curva de geração (experimental e simulação) dos painéis solares fotovoltaicos do dia 01 e

02 de julho de 2014.

Tabela 4. 3 - Comparação da energia gerada pelo algoritmo CMPPT por P&O.

Dia do

Experimento

Energia Gerada

Experimentalmente

Energia

Gerada Por

Simulação

Diferença

Percentual

01/07/2014 1,83 kWh 1,75 kWh 4,37 %

02/07/2014 1,58 kWh 1,45 kWh 6,96 %

4.3.4. VMPPT por Perturba e Observa

Para finalizar o experimento, nos dias 03/07/2014 e 05/07/2014, foram coletados

os dados referentes ao controle pela tensão com o algoritmo P&O. No gráfico da Figura

4. 7 encontram-se as curvas de radiação solar e de temperatura em que os painéis solares

fotovoltaicos estavam expostos.


esta última com base nas condições climáticas mostradas na Figura 4. 7. Também

observa-se o mesmo fenômeno ocorrido nos casos anteriores, em que existe uma

diferença significativa entre os resultados simulados e experimental quando a potência

fica superior a 200 W.



27

0

200

400

600

800

Radiação - Dia 03 de Junho de 2014R

adia

ção

w/m

²

10

20

30

40

50


Tem

pe

ratu

ra °

C0

200

400

600

800


Rad

iaçã

o w

/m²

10

20

30

40

50


Tem

pe

ratu

ra °

C

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Figura 4. 7 - Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 03 e 05 de Julho de 2014.

0

50

100

150

200

250

300

350

P&O por Tensão - Dia 05 de Julho de 2014

Po

tên

cia

W

0

100

200

300

400

P&O por Tensão - Dia 03 de Julho de 2014

Po

tên

cia

W

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18



Figura 4. 8 - Curva de geração (experimental e simulação) dos painéis solares fotovoltaicos do dia 03 e 05

de julho de 2014.

Tabela 4. 4 - Resultados do experimento utilizando a metodologia de controle por tensão e rastreando o

MPPT pelo algoritmo de P&O.

Dia do

Experimento

Energia Gerada

Experimentalmente

Energia

Gerada Por

Simulação

Diferença

Percentual

03/07/2014 1,34 kWh 1,23 kWh 8,20 %

05/07/2014 1,81 kWh 1,70 kWh 6,08 %

28

4.4. Estratégia para melhora dos algoritmos de MPPT

Em praticamente todos os testes realizados e apresentados na secção anterior,

observa-se que a partir de uma dada potência (aproximadamente 200 W) não se

conseguia manter o sistema operando no MPP. Ao investigar o que estava ocorrendo,

concluiu-se que o problema estava ligado aos algoritmos de MPPT e não a alguma

característica construtiva do conversor ou dos painéis.

Por de diversos testes, observou-se que ao se reduzir a velocidade de atualização

dos algoritmos de MPPT, o conversor executava o rastreamento do MPP mais

lentamente, porém alcançando maiores níveis de potência. Assim, os algoritmos

passaram a atualizar a referência de tensão/corrente em 10 Hz. Anteriormente, essa

atualização era realizada em 100 Hz. Com essa modificação obteve-se consideráveis

ganhos de potência, contudo o algoritmo ficou lento e demorava até atingir o ótimo de

potência. A solução encontrada foi aumentar o incremento de tensão/corrente. Essa

modificação aumentou a velocidade do algoritmo sem apresentar perda de potência. A

Figura 4. 9 apresenta o resultado de um dia de rastreamento do MPP utilizando o

algoritmo P&O com as alterações descritas anteriormente. Observa-se que a potência

fornecida pelo arranjo de painéis solares fotovoltaico atingiu até próximo aos 350 W e

acompanha a curva de potência gerada por simulação simulação, não ocorrendo dessa

maneira a “saturação” que ocorria nos testes anterior. A Figura 4. 10 apresenta a curva

de radiação e temperatura referente ao dia em que este último teste foi realizado.

P&O por Tensão - Dia 25 de Fevereiro de 2015

Po

tên

cia

(W)

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

0

100

200

300

400

500SimulaçãoExperimental

Figura 4. 9 – Curva de geração com algoritmo melhorado

29

0

200

400

600

800

1000

1200

Radiação - Dia 25 de fevereiro de 2015R

adia

ção

w/m

²

23

24

25

26

27

28

29

Temperatura - Dia 25 de fevereiro de 2015

Tem

per

atu

ra °

C

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Horas (h)6 8 10 12 14 16 18

Figura 4. 10 - Curva de Radiação Solar e Temperatura referente ao dia 27 de Fevereiro

Após este último teste observa-se o melhor funcionamento do algoritmo, porém

quando o sistema está operando com potências mais elevadas (superior aos 300 W) o

interruptor utilizado no conversor queima constantemente. O motivo pelo qual o

interruptor do conversor queima constantemente ainda está sendo pesquisada.

4.5. Conclusões Parciais

Neste capítulo, foram comparados os resultados de simulação e experimental dos

métodos mais populares de rastreamento de máxima potência. Em uma breve

apresentação do conversor utilizado, verificou-se que o mesmo apresenta uma boa

eficiência compatível com a sua função no sistema, para rastrear e transferir a máxima

potência da geração solar fotovoltaica para a carga.

Na investigação experimental das técnicas de MPPT em estudo, todas

apresentaram comportamentos semelhantes e cumpriram com a função de rastrear o

ponto de máxima transferência de potência do sistema de geração fotovoltaico. No

entanto, houve uma significativa diferença entre os resultados de simulação e

experimentais. A diferença percentual entre a geração esperada pela simulação e a real

foi o parâmetro de comparação entre as técnicas de MPPT. O resultado naturalmente

esperado, seria a simulação sempre com geração superior ao sistema real (devido as

simplificações do modelo para simulação), porém, todas as técnicas apresentaram o

sistema real com geração superior ao resultado de simulação. Verificou-se ainda uma

pequena vantagem a técnica de CMPPT por IC, que apresentou uma média no ganho de

geração comparado a simulação superior as demais.

Vale lembrar que o experimento de VMPPT por IC, foi o único que apresentou a

geração experimental inferior à previsão da simulação. Isso se deu pelo fato da radiação

30

se manter baixa e com breves picos altos de radiação, que levou a simulação a

apresentar geração superior ao limite especificado pelos painéis.

No próximo capítulo, será apresentado toda síntese deste trabalho e possíveis

investigações futuras sobre o tema.

31

Capitulo 5

5. Conclusões

Durante todo este trabalho foram discutidas as principais técnicas de MPPT com

intuito final de verificar se a escolha do uso entre uma ou outra técnica, traria na prática

algum ganho significativo. Para alcançar tal resultado, este trabalho avaliou através de

simulações e de montagem experimental, com o foco neste último, o rendimento das

técnicas de P&O e Condutância (ou Indutância) Incremental utilizando como

metodologia de controle a tensão ou a corrente terminal de um arranjo solar

fotovoltaico.

Os primeiros resultados obtidos foram alcançados através de simulações. Estas

simulações indicaram uma ligeira vantagem de geração para ambas as técnicas de

VMPPT como o método de Condutância Incremental com o maior índice de geração.

Porém esta vantagem foi mínima, não apresentando ganhos significativos entre a

escolha de qualquer uma das técnicas. Para averiguar se na prática existe alguma

vantagem entre estas técnicas foi analisado o comportamento destas técnicas em

sistemas de geração solar fotovoltaicos reais.

Para a verificação eficiência das técnicas de MPPT em sistemas reais, foi

montado todo um aparato experimental apresentado no capitulo 4, que conta com um

conversor boost onde é processado os algoritmos de MPPT. Inicialmente verificou-se a

eficiência do conversor que apresentou bons resultados e apto a ser aplicado na

transferência de máxima potência entre a geração solar fotovoltaica e a carga. Partindo

para avaliação experimental das técnicas de MPPT, os resultados mostraram que todas

as técnicas desempenharam o papel de rastrear o MPP de maneira satisfatória. Porém

não foi possível chegar a nenhuma conclusão que indique uma melhor técnica para ser

utilizada em sistemas reais.

5.1 Trabalhos Futuros

Para possíveis investigações futuras, estão a avaliação do problema da queima

do interruptor do conversor e a utilização de conversores e técnicas de controles mais

eficientes e a conexão do sistema a rede elétrica.

32

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] TEODORESCU, R., LISERRE, M., RODRÍGUEZ.; Grid Converters for

Photovoltaic and Wind Power Systems; Wiley, 2011.

[2] Nota Técnica EPE, Análise da Inserção do Geração Solar na Matriz Elétrica

Brasileira, 2012.

[3] JUNIOR, P. A. S.; Conversor CC-CC Boost Entrelaçado Aplicado no

Processamento da Energia de Arranjo Solar Fotovoltaico, 2011.

[4] POMILIO, J. A.; Fontes Chaveadas.

[5] MARTINS, G, M.; Desenvolvimento de Conversor Comutado em Baixa

Frequência para Aplicação em Sistemas de Geração Distribuída Baseados em

Células a Combustível, 2006.

[6] CASARO, M. M. e MARTINS, D. C.; Modelo de Arranjo Fotovoltaico

Destinado à Analises em Eletrônica de Potência Via Simulação.

33

ANEXOS

I. Programa principal do VMPPT por P&O

II. Programa principal do VMPPT por Condutância Incremental

III. Programa principal do IMPPT por P&O

IV. Programa principal do IMPPT por Impedância Incremental

34

ANEXO I

/*************************************************************/

#include <sysreg.h> //Interrupts

#include <signal.h> //Intrinsics

#include <stdio.h>

#include <adsp-2199x.h> //MMR

#include <fract_typedef.h>

#include <fract2float_conv.h>

#include <ETSI_fract_arith.h>

/*************************************************************/

#include "main.h"

#include "adsp21992-pll.h"

#include "adsp21992-pwm.h"

#include "adsp21992-adc.h"

#include "adsp21992-dac.h"

#include "adsp21992-gpio.h"

#include "Digital_Filter.h"

/*************************************************************/

void PWM_SYNC_ISR(int isr); //Interrupt routines

void PWM_TRIP_ISR(int isr);

/*************************************************************/

///////////////////VARIAVEIS GLOBAIS//////////////////////////

fract16 Vu=0, coeff[6], delay[6], u[8], PWM_MaxDuty, ylim, dt, y, Vmedio=0, Imedio=0;

fract32 P, Pu;

float Vref=70, ksv=0.011765, inc1=0.1, inc2=0.9, Vmax=80, divi=0.02;

int k, z=0, w=0;

int main(void){

//Iniciando variaveis

inc1 = ksv*inc1;

inc2= ksv*inc2;

Vref = ksv*Vref;

Vmax=ksv*Vmax;

// Variaveis em fr16

inc1=float_to_fr16(inc1);


Vmax=float_to_fr16(Vmax);

divi=float_to_fr16(divi);

Vref=float_to_fr16(Vref);

disable_interrupts();

// Coeficientes da malha de controle

float b_coeff[3] = { 0.026082662511706, 0.000161652997826, -

0.025921009513880};

float a_coeff[2] = {-0.881050159669619, -0.118949840330381};

// Razão Cíclica máxima

float Dmax = 0.85;

//converte a razão cíclica máxima para o formato 1.15

ylim = round(float_to_fr32(Dmax));

// Limpa a memória dos elementos da equação a diferenças

for(k=0; k<6; k++){

35

delay[k] = 0;

}

// Configura os parâmetros dos controladores para o farmato 1.15

df_coeff_float2fr16(a_coeff, b_coeff, coeff, 3);

//set PLL for CCLK=160MHz and HCLK=80MHz because CLKIN=32MHz

PLL_Configure(0x0A50);

// Set PWM frequency (kHz), dead time (ns) and and SYNC pulse time (ns)

PWM_MaxDuty = PWM_Init(20, 0, 880);

//ADC_Init();

DAC_Init();

// Enable GPIO routines

GPIO_Init();

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

enable_interrupts();

while(1);

}

/*************************************************************/

void PWM_SYNC_ISR(int isr){

ADC_Update(u);

//IMPLEMENTAÇÃO DO MPPT P&O

if (w>4999){

Imedio=add(Imedio,(mult(u[2],divi)));

Vmedio=add(Vmedio,(mult(u[0],divi)));

if (z==5049)

{

w=0;

z=0;

P=L_mult(Imedio,Vmedio);

if(P>Pu)

{

if(Vmedio<Vu) Vref = sub(Vref,inc2);

if(Vmedio>Vu) Vref = add(Vref,inc1);

}

if (P<Pu)

{

if(Vmedio>Vu) Vref = sub(Vref,inc2);

if(Vmedio<Vu) Vref = add(Vref,inc1);

}

Vu = Vmedio;

Pu = P;

if (Vref<0) Vref=0;

if (Vref>Vmax) Vref=Vmax;

Imedio=0;

Vmedio=0;

}

}

y = df_fr16_iir(sub(Vref, u[0]), coeff, delay, 3); //Controlador

// Verifica se a razão cíclica não viola o limite

y=sub(0,y);

if(ylim < y) y = ylim;

dt = PWM_Duty(y, PWM_MaxDuty);

sysreg_write(sysreg_IOPG,PWM0_Page); //IOPG = PWM0_Page;

io_space_write(PWM0_SEG,0x003E);

ar = 0x0037;

IO(PWM0_SEG)= ar; // disable all, except AL

io_space_write(PWM0_CHC,dt);

io_space_write(PWM0_STAT, 0x0200); // W1C the interrupt

w=w+1;

z=z+1;

36

DAC_Put( 1 , u[0]);

DAC_Put( 4 , u[2] );

DAC_Put(10,P);

DAC_Update();

}

ANEXO II

/*************************************************************/



#include <stdio.h>





/*************************************************************/

#include "main.h"







/*************************************************************/



/*************************************************************/


fract16 coeff[6], delay[6], u[8], PWM_MaxDuty, ylim, dt, y, Vmedio=0, Imedio=0, P, Pu=0;

float passo, Vu, Iu, Vmedio2, Imedio2, dV, dI, Vref=60, ksv=0.011765, inc1=0.3, inc2=0.5,

Vmax=70, divi=0.02;

int k, z=0, w=0;

int main(void){

//Iniciando variaveis

inc1 = ksv*inc1;

inc2= ksv*inc2;

Vref = ksv*Vref;

Vmax=ksv*Vmax;




Vmax=float_to_fr16(Vmax);


Vref=float_to_fr16(Vref);



float b_coeff[3] = { 0.026082662511706, 0.000161652997826, -

0.025921009513880};

float a_coeff[2] = {-0.881050159669619, -0.118949840330381};


float Dmax = 0.85;




for(k=0; k<6; k++){

delay[k] = 0;

37

}







//ADC_Init();

DAC_Init();


GPIO_Init();

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


while(1);

}

/*************************************************************/


ADC_Update(u);

//IMPLEMENTAÇÃO DO MPPT IC

if (w>=4999){



}

if (z==5049)

{

z=0;

w=0;

dV = sub (Vmedio,Vu);

dI = sub (Imedio,Iu);

if (dV!=0)

{

if ((dI/dV)!=(-Imedio/Vmedio))

{

if (dI/dV > Imedio/Vmedio) Vref=add(Vref,inc1);

else Vref=sub(Vref,inc2);

}

}

else

{

if(dI!=0)

{

if (dI>0) Vref=add(Vref,inc1);

else Vref=sub(Vref,inc2);

}

}

Iu=Imedio;

Vu=Vmedio;

Imedio=0;

Vmedio=0;

if (Vref<0) Vref=0;

if (Vref>Vmax) Vref=Vmax;

}

y = df_fr16_iir(sub(Vref, u[0]), coeff, delay, 3); //Controlador


y=sub(0,y);



38

sysreg_write(sysreg_IOPG,PWM0_Page);

IOPG = PWM0_Page; //page of PWM0 block


ar = 0x0037;

IO(PWM0_SEG) = ar; // disable all, except AL



z=z+1;

w=w+1;

}

ANEXO III

/*************************************************************/



#include <stdio.h>





/*************************************************************/

#include "main.h"







/*************************************************************/



/*************************************************************/


fract16 coeff[6], delay[6], u[8], PWM_MaxDuty, ylim, dt, y, P, Pu=0,Iu=0, Imedio=0,

Vmedio=0;

float Iref=0, ksi=0.125, Imax=7.74, inc=0.01, divi=0.02;

float dI1=0.005, dI2=0.04; // incremento (dI1) e decremento (dI2) do PeO

unsigned int k, z=0, w=0;

int main(void){

///Iniciando variaveis

dI1= ksi*dI1;

dI2= ksi*dI2;

Iref=ksi*Iref;

Imax=ksi*Imax;


dI1=float_to_fr16(dI1);

dI2=float_to_fr16(dI2);

Imax=float_to_fr16(Imax);


Iref=float_to_fr16(Iref);



float b_coeff[3] = { 0.086501608750960, 0.003561529069080, -0.08294007968187};

float a_coeff[2] = {-0.920014181337998, -0.079985818662002};


float Dmax = 0.95;




for(k=0; k<6; k++){

39

delay[k] = 0;

}







//ADC_Init();

DAC_Init();


GPIO_Init();

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


while(1);

}

/*************************************************************/


ADC_Update(u);

//IMPLEMENTAÇÃO DO MPPT P&O

if (w>4999)

{



if (z==5049)

{

z=0;

w=0;

P=mult(Imedio,Vmedio);

if (P<Pu)

{

if(Imedio>=Iu) Iref = sub(Iref,dI2);

if(Imedio<Iu) Iref = add(Iref,dI1);

}

if(P>Pu)

{

if(Imedio>Iu) Iref = add(Iref,dI1);

if(Imedio<=Iu) Iref = sub(Iref,dI2);

}

Iu = Imedio;

Pu = P;

if (Iref<0) Iref=0;

if (Iref>Imax) Iref=Imax;

Imedio=0;

Vmedio=0;

}

}

y = df_fr16_iir(sub(Iref, u[2]), coeff, delay, 3); //Controlador




sysreg_write(sysreg_IOPG,PWM0_Page);


ar = 0x0037;




z=z+1;

w=w+1;

DAC_Put( 1 , u[0]);

40

DAC_Put( 2 , u[2] );

DAC_Update();

}

ANEXO IV

/*************************************************************/



#include <stdio.h>





/*************************************************************/

#include "main.h"







/*************************************************************/



/*************************************************************/


fract16 Iref=0, coeff[6], delay[6], u[8], PWM_MaxDuty, ylim, dt, y, P, Pu=0, Imedio=0,

Vmedio=0;

float passo, ksi=0.125, dI, dV, Imax=0.99, divi=0.02, Vmedio2, Imedio2, Iu=0, Vu=0;

float inc1=0.005, inc2=0.02; //incremento (inc1) e decremento (inc2) do IC

unsigned int k, z=0, w=0;

int main(void){

///Iniciando variaveis

inc1 = ksi*inc1;

inc2 = ksi*inc2;


inc1 =float_to_fr16(inc1);

inc2 =float_to_fr16(inc2);

Imax=float_to_fr16(Imax);




float b_coeff[3] = { 0.086501608750960, 0.003561529069080, -0.08294007968187};

float a_coeff[2] = {-0.920014181337998, -0.079985818662002};


float Dmax = 0.95;

41




for(k=0; k<6; k++){

delay[k] = 0;

}







ADC_Init();

DAC_Init();


GPIO_Init();

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


while(1);

}

/*************************************************************/


ADC_Update(u);

//IMPLEMENTAÇÃO DO MPPT IC

if (w>=4999){



if (z==5049)

{

z=0;

w=0;

Imedio2=fr16_to_float(Imedio);

Vmedio2=fr16_to_float(Vmedio);

dV=Vmedio2-Vu;

dI=Imedio2-Iu;

if (dI!=0)

{

if ((dV/dI)!=(-Vmedio2/Imedio2))

{

if ((dV/dI)>(-Vmedio2/Imedio2)) Iref=add(Iref,inc1);

else Iref=sub(Iref,inc2);

}

}

else

{

if(dV!=0)

{

if (dV>0) Iref=add(Iref,inc1);

else Iref=sub(Iref,inc2);

}

}

Iu=Imedio2;

Vu=Vmedio2;

42

Imedio=0;

Vmedio=0;

if (Iref<0) Iref=0;

if (Iref>Imax) Iref=Imax;

}

}

z=z+1;

w=w+1;

y = df_fr16_iir(sub(Iref, u[2]), coeff, delay, 3); //Controlador

// Verifica se a razão cíclica não viola o limit



sysreg_write(sysreg_IOPG,PWM0_Page); // IOPG = PWM0_Page;

//page of PWM0 block


ar = 0x0037;




DAC_Put( 1 , u[0]);

DAC_Put( 2 , u[2] );

DAC_Update();

}

Documents

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