UNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO NORTEFEDERAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E
DE COMPUTAÇÃO
Contribuições ao Método de Rastreamento deMáxima Potência Para Sistemas Fotovoltaicos
Rodrigo Lopes Barreto
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Lúcio de Araújo Ribeiro
Dissertação de Mestradoapresentada aoPrograma de Pós-Graduação em EngenhariaElétrica e de Computação da UFRN (área deconcentração: Automação e Sistemas) comoparte dos requisitos para obtenção do títulode Mestre em Ciências.
Natal, RN, 22 de Janeiro de 2014
Divisão de Serviços Técnicos
Catalogação da publicação na fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede
Barreto, Rodrigo Lopes.Contribuições ao Método de Rastreamento da Máxima Potênciaem Sistemas
Fotovoltaico/ Rodrigo Lopes Barreto - Natal, RN, 201370 f. : il.
Orientador: Ricardo Lúcio de Araújo Ribeiro
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Cen-tro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em EngenhariaElétrica e Com-putação.
1. Sistemas fotovoltaico - Dissertação. 2.Rastreamento damáxima potência- Dissertação 3. Energias renováveis - Dissertação 4. Eficiência - Dissertação5. Qualidade de energia - Dissertação. I. Ribeiro, Ricardo Lúcio de Araújo. II.Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título
RN/UF/BCZM CDU 621.472
Contribuições ao Método de Rastreamento daMáxima Potência em Sistemas Fotovoltaico
Rodrigo Lopes Barreto
Dissertação de Mestrado aprovada em 22 de Janeiro de 2014 pela banca examinadoracomposta pelos seguintes membros:
Prof. Dr. Ricardo Lúcio de Araújo Ribeiro (Orientador) . . . .. . . . . . . . . . UFRN
Prof. Dr. Valentim Obac Roda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . UFRN
Prof. Dr. Marcelo Cabral Cavalcanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . UFPE
Aos meus pais Lúcio Barreto e GildaMaria.
Agradecimentos
Ao professor Ricardo Lúcio de Araújo Ribeiro, pela orientação prestada ao longo dotrabalho de mestrado.
Aos amigos do LEPER, em especial, Cecílio Martins, Thiago deOliveira e Rômulo Lirapelo apoio prestado.
Aos meus irmão Selênia Ofélia, Sidney Barreto e Sávio Barreto.
Aos grandes amigos de infância que diretamente e indiretamente contribuíram nessa ca-minhada, Gilson Miguel, Daniella Alcoforado, João Paulo Bernardo, Bruno Augusto eFelipe Silva.
A Universidade Federal do Rio Grande do Norte por toda a estrutura disponibilizada.
Resumo
A escassez dos recursos naturais e a busca por fontes de energia alternativa promovem
uma rápida mudança na matriz energética mundial. Dentre as fontes de energia renováveis
a energia solar é a mais promissora, visto que ela apresenta amaior taxa de crescimento
na atualidade. Pesquisadores de todo o mundo têm buscado formas de viabilização do
seu progresso, desenvolvendo tecnologias com maior eficiência e menor custo. Como
forma de contribuir para o avanço mundial, neste trabalho é proposto o desenvolvimento
de uma estratégia de rastreamento da máxima potência, baseado no método perturbação
e observação, para sistemas fotovoltaicos. A estratégia decontrole proposta é baseada
no balanço de potência ativa do sistema e utiliza um número reduzido de sensores. Ela
também permite que o sistema fotovoltaico atue como regulador da qualidade de energia
no ponto de conexão, compensando assim a distorção harmônica das correntes da rede e
corrigindo o fator de potência. Resultados de simulação e experimentais são apresentados
para validar a estratégia proposta.
Palavras-chave: Sistema fotovoltaico, rastreamento da máxima potência, energias
renováveis , eficiência, qualidade de energia.
Abstract
Abstract: The scarcity of natural resources and the search for alternative energy sour-
ces promote a rapid change in the energy world. Among the renewable energy sources,
solar energy is the most promising, presenting technology of greatest growth rate nowa-
days. Researchers around the world are seeking ways to facilitate their progress, deve-
loping technologies with higher efficiency and lower cost. As a contribution to global
progress, this master thesis proposes the development of a strategy of maximum power
tracking based on perturbation and observation method for photovoltaic systems. The
proposed control strategy is based on active power balance of the system, with a reduced
number of sensors. It also allows the PV system to act as a regulator of the power qua-
lity at the point of commom coupling (PCC), compensating theharmonic distortion and
power factor of the current network. Simulation and experimental results are presented to
validate the proposed strategy.
Keywords: Renewable energy, solar energy, maximum power tracking, alternative
energy sources.
Sumário
Sumário i
Lista de Figuras ii
Lista de Tabelas v
Lista de Simbolos vii
Lista de Abreviaturas e Siglas viii
1 Introdução 1
1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Contribuições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Estado da Arte 7
2.1 Rastreadores de Máxima Potência em Sistema Fotovoltaico . . . . . . . . 7
2.2 Métodos Diretos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Perturbação e Observação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Condutância Incremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3 Realimentação da Tensão e Corrente . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.3 Métodos Indiretos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 Aproximação da Curva de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Análise de Tabela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.3 Observação de Circuito Aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.4 Observação de Curto - Circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Descrição do Método Proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2.4.1 Caracterização do Método de Perturbação e ObservaçãoTradicional 19
2.4.2 Descrição das Alterações no Método P&O . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Síntese do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
i
3 Estrutura de Controle e Modelagem 25
3.1 Modelagem do Conversor de Potência Conectado à Rede . . . .. . . . . 25
3.2 Diagrama de Blocos das Plantas PV Trifásica e Monofásica. . . . . . . . 27
3.3 Teoria das Potências Instantâneas PQ e DQ . . . . . . . . . . . . .. . . 29
3.4 Controle da Tensão do Barramento CC . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
3.4.1 Modelagem do Barramento CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.2 Projeto do Controlador do Barramento CC . . . . . . . . . . . .32
3.5 Controle Indireto das Correntes na Rede . . . . . . . . . . . . . .. . . . 33
3.6 Controlador de Dupla Sequência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
3.6.1 Projeto do Controlador de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . .34
3.7 Rastreador de Máxima Potência - MPPT . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
3.8 Phase Locked Loop - PLL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.9 Principio de Funcionamento do Módulo Fotovoltaico . . . .. . . . . . . 35
3.10 Modelagem do Módulo Fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 38
3.11 Síntese do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4 Estudos de Simulação Desenvolvidos 41
4.1 Descrição do Sistema Simulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
4.2 Resultados de Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Síntese do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5 Resultados Experimentais 48
5.1 Descrição do Sistema Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 48
5.2 Descrição dos Ensaios e Resultados Experimentais . . . . .. . . . . . . 50
5.3 Avaliação de Custo e Complexidade de Implementação . . . .. . . . . . 58
5.4 Conexão do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.5 Síntese do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6 Conclusões 62
6.1 Sugestões para Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 63
Referências bibliográficas 64
A Informações adicionais 68
A.1 Descrição dos Componentes Experimentais . . . . . . . . . . . .. . . . 68
Lista de Figuras
1.1 Perspectiva mundial de produção de energia fotovoltaica. . . . . . . . . . 1
1.2 Custo de implementação do Wp para painéis fotovoltaicos em 2012. . . . 2
1.3 Perspectiva do custo de implementação dos sistemas fotovoltaico completos. 2
2.1 Curva característica potência tensão (P-V) do módulo solar . . . . . . . . 8
2.2 Curva característica da potência tensão (P-V) e corrente tensão (I-V) do
módulo fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Conexão do sistema fotovoltaico. a) utilizando dois estágios b) utilizando
estágio único. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Comportamento da variação da potência para uma perturbação de tensão. 11
2.5 Diagrama de Blocos do MPPT perturba e observa (P&O) convencional. . 12
2.6 Diagrama de blocos P&O modificado com perturbação fixa. . .. . . . . 12
2.7 Diagrama de Blocos da estrutura de MPPT com tensão de referência. . . . 15
2.8 Curva corrente tensão do módulo com variação de temperatura . . . . . . 18
2.9 Curva corrente tensão do módulo com variação de irradiância. . . . . . . 19
2.10 Principais pontos de inserção da perturbação do métodoP&O. . . . . . . 20
2.11 Fluxograma do MPPT perturba e observa . . . . . . . . . . . . . . .. . 21
2.12 Balanço de potência do painel PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22
2.13 Diagrama de blocos do MPPT proposto . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
3.1 Circuito equivalente do sistema conectado à rede . . . . . .. . . . . . . 26
3.2 Diagrama de blocos da estratégia de controle da planta PVtrifásica. . . . 28
3.3 Diagramas de blocos da estratégia de controle da planta PV monofásica. . 29
3.4 a)-Transformada 123-αβ. b)-Transformadaαβ - DQ. . . . . . . . . . . . 30
3.5 Classificação dos materiais de acordo com as propriedades elétricas. . . . 37
3.6 Diagrama de uma junção PN operando como célula fotovoltaica. . . . . . 38
3.7 Circuito elétrico da modelagem do painel PV. . . . . . . . . . .. . . . . 39
4.1 Diagrama esquemático do sistema trifásico empregado nos estudos de si-
mulação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
iii
4.2 Gráfico da potência terminal do painel após variação da razão cíclica do
conversorboost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Gráfico da corrente de eixo direto da rede no referencial síncrono. . . . . 43
4.4 Dinâmica da máxima potência do painel para variação brusca de irradiância. 43
4.5 Sistema fotovoltaico fornecendo parte da demanda do sistema. . . . . . . 44
4.6 Sistema fotovoltaico fornecendo potência ativa para a rede trifásica. . . . 44
4.7 Espectro de harmônicos da corrente fornecida à rede. . . .. . . . . . . . 45
4.8 Sistema fotovoltaico compensando potência reativa. . .. . . . . . . . . . 45
4.9 Sistema fotovoltaico compensando harmônicos na rede. .. . . . . . . . . 46
4.10 Espectro de frequência das correntes da rede, após a conexão do sistema
fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.11 Corrente do sistema fotovoltaico, corrente da rede, e corrente na carga. . . 47
5.1 Descriçao da plataforma experimental. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 49
5.2 Curva I x V do painel para duas condições diferentes de irradiância. . . . 51
5.3 Curva de potência do painel para duas condições diferentes de irradiância. 51
5.4 Gráfico da potência de saída do painel em função da razão cíclica do
conversor boost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.5 Gráfico da corrente do eixo diretoiesd em função da potência de saída do
painel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.6 Gráfico da corrente de eixo diretoiesd em função da razão cíclica do con-
versor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.7 Gráfico das correntesiesd e iesq da rede, no referencial vetor tensão, para
variação da razão cíclica do conversor. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 55
5.8 Gráfico da corrente da redeiesd, no referencial vetor tensão e da razão
cíclica do conversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.9 Gráfico da potência de saída do sistema e da razão cíclica do conversor,
durante o procedimento de partida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
5.10 Comparação entre o método proposto e convencional. . . .. . . . . . . . 57
5.11 Gráfico da correnteiesd e da razão cíclica durante o experimento de som-
breamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.12 Correntes da rede antes da conexão . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 59
5.13 Correntes da rede apos conexão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60
5.14 Comparativo do espectro de frequência das correntes darede, após a co-
nexão do sistema fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
A.1 Array Fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
A.2 Bancada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
A.3 Carga Linear e não-linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
Lista de Tabelas
1.1 Listagem da eficiência e preço. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3
1.2 Listagem das contribuições. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 6
2.1 Visão geral do algoritmo perturba e observa (P&O). . . . . .. . . . . . . 11
2.2 Modificação no método P&O com perturbação adaptativa. . .. . . . . . 13
2.3 Análise do MPPT em função da condutância do sistema. . . . .. . . . . 14
2.4 Resumo comparativo das principais características dosMPPTs. . . . . . . 24
4.1 Resumo da descrição dos testes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47
5.1 Resumo da descrição dos experimentos. . . . . . . . . . . . . . . .. . . 61
vi
Lista de Símbolos
ISC Corrente de curto circuito do painel fotovoltaico
ICC Corrente de saída do barramento CC
IMP Corrente de máxima potência
IPV Corrente de saída dos módulos fotovoltaicos
IS Corrente de saturação reversa do diodo
Id Corrente característica do diodo
Iesd, Ie
sq Corrente do eixo direto e em quadratura no referencial vetortensão
I ssd, I s
sq Corrente do eixo direto e em quadratura no referencial estacionário
Is1, Is2 e Is3 Correntes de linha da rede
Ig1, Ig2 e Ig3 Correntes de saída do inversor
Ire f Corrente de referência
k Constante de Boltzamann
Ns Número de células em série
Np Número de células em paralelo
Q Carga elementar do elétron
Rs Resistência em série
Rp Resistência em paralelo
T Temperatura em kelvin
Vd, Vq Tensão de eixo direto e em quadratura da rede, respectivamente
VOC Tensão de circuito aberto
VMP Tensão na máxima potência
Vre f Tensão de referência
Wp Potência de pico
vii
Glossário de Termos
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
ACP Aproximação da curva de potência
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CC Complexidade computacional
CI Condutância incremental
DSP Digital Signal Processing
Dtp Dependente do tipo de módulo
EPE Empresa de Pesquisa Energética
FOCV Fractional Open-Circuit Voltage
IEA International Energy Agency
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers
LEPER Laboratório de Eletrônica de Potência e Energias Renováveis
MPPT maximum power point tracking
P&O Perturbação e observação
PI Controlador Proporcional Integral
PID Controlador Proporcional Integral Derivativo
PV Painel Photovoltaic
RTC Realimentação tensão corrente
TR Tempo de resposta
TS Tipo de sensor
viii
Capítulo 1
Introdução
Na última década se desencadeou uma busca por fontes de energia que sejam alter-
nativas às fontes convencionais, em decorrência da escassez das reservas energéticas dis-
poníveis e do aumento desenfreado da demanda energética. O IEA (do inglês,Interna-
tional Energy Agency) aponta um crescimento maior que 30% da demanda mundial até
2035. Esses acontecimentos têm estimulado o desenvolvimento de sistemas de energia
mais eficientes, com baixo custo e maior confiabilidade. Neste cenário, as fontes de ener-
gia renováveis têm ganhado mais espaço a cada dia. O crescente desenvolvimento das
energias eólica e solar consolidam a posição das energias renováveis como componente
indispensável da matriz energética global, o IEA calcula que em 2035 as fontes de energia
renováveis representarão um terço da produção mundial.
Entre as alternativas de energia disponível, a energia solar tem chamado atenção, por
ser limpa, gratuita e ser proveniente de uma fonte inesgotável. Segundo o IEA, a energia
solar cresce mais rapidamente do que qualquer outra fonte renovável. Na Figura 1.1 é
apresentado uma projeção do crescimento da energia fotovoltaica até 2020.
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
600
500
400
300
200
100
0
[Gw
p]
Figura 1.1: Perspectiva mundial de produção de energia fotovoltaica.
Apesar de apresentar grande perspectiva de crescimento, a tecnologia fotovoltaica
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 2
possui duas desvantagens que limitam o seu desenvolvimento. A primeira refere-se ao
custo efetivo de implantação dos sistemas fotovoltaicos. Mesmo com a atual redução do
custo dos módulos fotovoltaicos, esses sistemas apresentam custo elevado quando compa-
rados a outras tecnologias de geração de energia. Na Figura 1.2 é apresentado a variação
do custo de implementação do kWp para aplicações industriais no ano de 2012.
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.5Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov
0.8
Dez
Alemanha SC*Japão SC*China SC*Filme Fino
[€/k
Wp]
*SC- Silício Cristalino
Figura 1.2: Custo de implementação do Wp para painéis fotovoltaicos em 2012.
Fonte: IEA (2012).
No Brasil, essa tecnologia ainda exige grande investimentosendo considerada umas
das energias mais caras do mercado. Este custo tende a diminuir nos próximos anos.
Na Figura 1.3 é apresentado o estudo da perspectiva de custosrealizado por Breyer e
Gerlach (2013), que demostra a clara diminuição do custo para aplicações industriais e
residenciais.
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
3000
2500
2000
1500
1000
0
[€/k
Wp]
ResidencialIndustrial
Figura 1.3: Perspectiva do custo de implementação dos sistemas fotovoltaico completos.
A segunda desvantagem está associada à eficiência de conversão, o que torna necessá-
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 3
rio o uso de grandes áreas para a captação da energia em quantidade satisfatória. Mesmo
com o avanço tecnológico, associado à descoberta de novos materiais, o rendimento dos
sistemas fotovoltaicos está dentro de uma faixa considerada muito baixa (ver Tabela 1.1).
Por este motivo, o retorno do capital aplicado poderá demorar de 10 a 15 anos. Levando-
se em consideração a vida útil dos componentes fotovoltaicos (em média 20 anos para
painéis e conversores), pode-se concluir que esse tipo de investimento tem baixa taxa de
retorno.
Tabela 1.1: Listagem da eficiência e preço.
Tipo de célulaEficiência Custo
Teórico laboratório comercial ($/Wp)
Silício de cristal simples 30,0 24,7 12 a 14 1 a 2
Silício concentrado 27,0 28,2 13 a 15 0,5 a 0,7
Silício Policristalino 25,0 19,8 11 a 13 0,6 a 1,2
Silício Amorfo 17,0 4 a 7 3 a 5
Esses fatores, de certa forma, influenciam o desenvolvimento da tecnologia no Brasil.
Para alguns seguimentos, a implementação de parques fotovoltaicos torna-se economica-
mente inviável, devido aos seus custos de aquisição, implementação e manutenção. No
Brasil, em relação a implementação de sistema conectados emdomicilio e em empreen-
dimentos comerciais ou industriais, até bem pouco tempo, não havia regulamentação. As
primeiras formas de incentivo fiscal foram introduzidas pela Agência Nacional de Energia
Elétrica (ANEEL) em 2012 (resolução normativa no 482/2012). Esta resolução autoriza
a instalação da geração distribuída de pequeno porte. Ela define como micro-geração,
sistemas com até 100 kW de potência, e a mini-geração, de 100 kW a 1 MW. Com a
resolução, o consumidor de energia elétrica poderá instalar pequenos geradores em sua
unidade consumidora (por exemplo, painéis solares fotovoltaicos). A energia gerada é
usada para abater o consumo de energia elétrica da unidade consumidora.
Apesar dos elevados custos de implementação e baixa eficiência desse sistemas, em
Julho/2012 foi divulgado um estudo pela Empresa de PesquisaEnergética (EPE), do Mi-
nistério de Minas e Energia, afirmando que a produção residencial de energia solar já é
economicamente viável para 15% dos domicílios brasileiros. O estudo aponta ainda que
a produção de energia solar em grande escala ainda é inviável, mesmo com incentivos
governamentais. De acordo com a pesquisa da EPE, o custo da geração nas residências
brasileiras, a partir de um equipamento de pequena potência, é R$ 602 por megawatt-hora
(MWh), mais barato do que a energia vendida por dez das mais de60 distribuidoras de
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 4
energia do país. Por outro lado, o estudo mostra que a geraçãocentralizada, isto é, pro-
duzida em larga escala por usinas comerciais, ainda não é viável economicamente. Hoje,
o custo de produção da energia solar gira em torno de R$ 405 porMWh, enquanto a mé-
dia do preço de outras fontes de energia, nos últimos leilõesdo governo, foi R$ 150 por
MWh.
O grande empecilho para o desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos está relaci-
onado ao baixo rendimento da conversão de energia solar em elétrica. Neste aspecto,
podem-se citar três fatores principais que influenciam diretamente o rendimento dessas
estruturas: a estrutura molecular da célula fotovoltaica,ou seja, o tipo de material que
compõe o módulo; o rastreamento da máxima potência do módulofotovoltaico; a eficiên-
cia do sistema de interconexão dos painéis á rede elétrica.
A baixa eficiência na conversão de energia dos módulos fotovoltaicos tem estimu-
lado a busca de estratégias de controle que possibilitem um melhor rendimento destes
sistemas. No cenário atual, os módulos com melhores índicesconseguem converter em
energia elétrica algo em torno de 24% da energia que é irradiada sobre a superfície da es-
trutura (projetos teóricos convertem 30%). No entanto, nãoé garantido que toda a energia
disponível no módulo seja convertida em energia elétrica e possa ser injetada na rede, ou
consumida por uma carga em aplicações isoladas (stand-alone). Tradicionalmente, para
que o módulo trabalhe em torno de seu rendimento máximo é utilizado uma estratégia
de seguidor de máxima potência denominada MPPT (do inglês,maximum power point
tracking). O seu emprego é extremamente importante em sistemas de energia fotovol-
taica. Seu correto desempenho irá garantir o melhor aproveitamento da energia elétrica
convertida no módulo, e por este motivo, o MPPT é parte essencial de um sistema foto-
voltaico. O MPPT tem por função monitorar a todo o instante a energia que é convertida
no módulo, garantindo que seja entregue a máxima potência disponível para as condições
de temperatura e irradiância que o sistema está submetido. Desta forma, o MPPT é res-
ponsável por otimizar o desempenho de conversão da geração.Atualmente se dispõe de
uma grande variedade de métodos com diversas estratégias que variam em complexidade
do algoritmo, custo de implementação, número de sensores, velocidade de convergência
para se atingir a máxima potência e faixa de eficácia.
1.1 Objetivos
O presente trabalho propõe o desenvolvimento de uma estratégia de controle voltada
ao rastreamento da máxima potência em sistemas de energia solar. Diferentemente do
convencional, a estratégia proposta está baseada no balanço de potência do sistema fo-
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 5
tovoltaico. Neste sistema será priorizada o desenvolvimento de tecnologias com menor
custo de implementação. Neste aspecto, o sistema será implementado com um número
reduzido de sensores. O controle das correntes de saída do sistema fotovoltaico é feito
de forma indireta, analisando as correntes de saída da rede no referencial vetor tensão,
permitindo assim, além de injetar potência (caso a energia produzida seja maior que o
consumo), corrigir o fator de potência e as correntes harmônicas no ponto de acoplamento
comum (PAC) entre a rede e o sistema fotovoltaico.
Objetivos Específicos:
• fazer um detalhamento dos principais métodos de rastreamento de máxima potência
em sistemas fotovoltaicos;
• propor algorítimo de rastreamento de simples implementação baseado no método
Perturbação e Observação;
• avaliação do sistema proposto mediante ensaios em plataforma de simulação;
• desenvolver uma plataforma experimental fotovoltaica de 10 kW (trifásica) e duas
plataformas monofásicas de 1 kW;
• implementar o algoritmo de seguidor da máxima potência (MPPT) e
• avaliação do desempenho experimental, mediante comparações com métodos con-
vencionais.
1.2 Contribuições
As principais contribuições desenvolvidas neste trabalhosão:
• obtenção de um método para rastreamento da máxima potência baseado no balanço
de potência do sistema;
• proposição de uma estrutura de rastreamento com menor custo, e número reduzido
de sensores.
Os resultados obtidos no trabalho de dissertação são apresentados na Tabela 1.2.
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 6
Tabela 1.2: Listagem das contribuições.
Evento/Periódico Título Autores
CBA Estratégia não Convencional
para Controle de Sistemas de
Interconexão de Fontes de Ge-
ração Renováveis com a Rede
Elétrica Monofásica
R.L.A. Ribeiro, F.H. Nasci-
mento, R.L. Barreto,T.O.A.
Rocha, C.S. Azevedo
IECON Non-standard Control Strategy
for Grid-tied Single Phase Sys-
tems with Power Quality Com-
pensation
R.L.A. Ribeiro, R.L. Bar-
reto,T.O.A. Rocha, C.S.
Azevedo
APEC Enhanced Power Quality Com-
pensation in PV Single-Phase
Grid-Tied Systems
R.L.A. Ribeiro, T.O.A. Ro-
cha, R.L. Barreto, C.S.
AzevedoCOBEP Wavelet-Based Fault Detection
in Grid-Connected Photovoltaic
Systems
R.L. Barreto, T.O.A. Ro-
cha, C.M.S. Neto, F.B.
Costa and R.L.A. Ribeiro
1.3 Organização do Trabalho
O trabalho é apresentado em 6 capítulos:
• Capítulo 1: Apresenta-se o panorama da energia fotovoltaica no Brasil e no mundo,
demostrando a motivação para o desenvolvimento do trabalho;
• Capítulo 2: É apresentado o estado da arte dos sistemas de rastreamento de máxima
potência, a divisão dos métodos e a tendência de desenvolvimento desses sistemas,
assim como o detalhamento do método proposto;
• Capítulo 3: Apresenta-se a descrição detalhada do sistema de controle proposto,
empregado no sistema fotovoltaico, o princípio de operação, as tecnologias envol-
vidas e a modelagem dinâmica do painel fotovoltaico;
• Capítulo 4: São apresentados os resultados de simulação obtidos a partir da plata-
forma PSIM;
• Capítulo 5: São descritos os resultados experimentais desenvolvidos no núcleo LE-
PER/UFRN.
• Capítulo 6: Apresentam-se as conclusões do trabalho, os aspectos positivos, nega-
tivos e sugestões de estudo.
Capítulo 2
Estado da Arte
A busca de extração da máxima potência em sistemas de geraçãofotovoltaica tem
sido alvo de estudos desde o seu surgimento. As primeiras pesquisas foram desenvolvidas
pela NASA e visavam a utilização desses sistemas para geração de energia em satélites e
sondas espaciais. O avanço da tecnologia, junto ao desenvolvimento teórico do modelo
dos módulos proporcionaram o desenvolvimento de novas técnicas. Neste capítulo, são
abordados as principais técnicas de seguidores de máxima potência, com o objetivo de
mapear seus avanços para os sistemas fotovoltaicos.
2.1 Rastreadores de Máxima Potência em Sistema Foto-
voltaico
O modelo do módulo fotovoltaico é descrito por equações não lineares e exponenciais
de ordem elevada. Estas equações relacionam a corrente e a tensão do módulo em função
das condições de irradiância, temperatura e de suas características físicas construtivas,
provenientes da dopagem do material. Das características do módulo, observa-se que
quanto maior a corrente terminal, a tensão do módulo tende a diminuir, até que a corrente
circulante seja máxima (corrente de curto circuitoICC). Para cada condição de operação
(temperatura e irradiância) do módulo, existe uma região detrabalho (tensão e corrente)
na qual a potência extraída é a máxima possível. Esse ponto é denominado de MPP (do
inglês maximum power point).
Na Figura 2.1, é apresentada a curva da potência de saída do módulo fotovoltaico, em
função da variação da tensão terminal. Neste gráfico existe uma tensão específica em que
o módulo fotovoltaico fornece a máxima potência. Esta tensão é denominada de tensão
de máxima potênciaVMP (do inglês,voltage o f maximum power). O VMP não é fixo e
seu valor pode variar em função da irradiância e da temperatura que o módulo é subme-
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 8
tido. Por isso, pequenas mudanças de radiação, da temperatura ambiente, ou mesmo da
temperatura do módulo PV, pode fazer com que o ponto de operação se distancie do MPP,
levando o sistema a ter perda de rendimento. Módulos com diferentes tecnologias, subme-
tidos às mesmas condições de operação, podem terVMP distintos, pois essa característica
está ligada ao material utilizado na construção da célula fotovoltaica.
40
50
20
30
0
10
Potê
nci
a [W
]
60MPP
VMP 2520151050
Tensão [V]
30
Figura 2.1: Curva característica potência tensão (P-V) do módulo solar
O efeito da não-linearidade no comportamento dinâmico da célula fotovoltaica pode
ser observado nos gráficos de potência e Corrente X Tensão. NaFigura 2.2, observa-
se que a operação na vizinhança da corrente de curto circuitoICC resulta em pequenas
oscilações da corrente. Nesta condição de operação o módulocomportasse como fonte de
corrente. De forma similar, quando trabalha com tensões próximas aVOC, o módulo opera
como uma fonte de tensão. Desta forma, a obtenção da máxima potência pode ser obtido,
alterando-se a tensão terminal, ou regulando-se a correnteterminal. Isso demonstra que o
ponto de máxima potência esta associado a uma corrente de máxima potênciaIMP e uma
tensão de máxima potênciaVMP.
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 9
100
125
50
75
0
25
Potê
nci
a [W
]150
MPP
2520151050Tensão [V]
30VMP VOC
IMP
ICC
4
5
2
3
0
1
Corr
ente
[A
]
6
Figura 2.2: Curva característica da potência tensão (P-V) ecorrente tensão (I-V) do mó-
dulo fotovoltaico
O controle sobre o ponto de operação do módulo pode ser viabilizado de duas formas:
(i) por meio do uso de um conversor CC-CC conectado aos terminais do painel, como
ilustrado na Figura 2.3.a, ou (ii) por intermédio de um conversor CC-CA (Figura 2.3.b).
Os sistemas fotovoltaicos que utilizam dois conversores para a conexão do painel à rede
são denominados sistemas com dois estágios. Neste caso, o conversor CC-CC é respon-
sável por realizar o MPPT, o conversor CC-CA injeta a energiagerada na rede elétrica.
Quando o sistema fotovoltaico utiliza apenas um conversor CC-CA denomina-se sistema
fotovoltaico de estágio simples, o conversor é responsávelem realizar o MPPT e injetar a
energia gerada na rede.
CC/CC
Conversor
CC/CA
Conversor
Painel Controledo MPPT
Injeçãode Potência
Rede
a)
CC/CA
Conversor
Painel Controle do MPPTe Injeção de Potência
Rede
b)
Figura 2.3: Conexão do sistema fotovoltaico. a) utilizandodois estágios b) utilizando
estágio único.
A variação do ponto de operação do módulo para o sistema de dois estágios está
diretamente ligada à mudança do ciclo de trabalho (duty cycle) do conversor CC-CC,
enquanto que a mudança do ponto de operação do módulo para o sistema de estagio
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 10
único é dependente da variação do valor do barramento CC.
2.2 Métodos Diretos
As técnicas MPPTs são classificadas em dois grupos: (i) métodos diretos e (ii) mé-
todos indiretos. Nesta seção serão abordados os principaismétodos diretos. Neste grupo
estão incluídos os sistemas de seguidores da máxima potência que utilizam a medição de
grandezas elétricas sem a necessidade do conhecimento das características físicas do mó-
dulo, denominados busca direta. Nesta abordagem, o melhor ponto de operação se torna
independente das condições de operação do sistema fotovoltaico. Por esse motivo, esses
métodos são mais eficientes e permitem uma melhor aproximação do rendimento máximo
do módulo PV. São classificados como métodos diretos: (i) perturbação e observação, (ii)
condutância incremental, (iii) realimentação de tensão e (iv) realimentação de corrente
(V.SALAS E.OLIAS, 2006).
2.2.1 Perturbação e Observação
O método da perturbação e observação é a técnica mais utilizada em sistemas foto-
voltaicos, devido a sua simplicidade e desempenho satisfatório. Nos últimos anos, esse
método tem se tornado alvo de pesquisas, incorporando por exemplo: perturbações não
lineares, lógica fuzzy e algoritmos de adaptabilidade em sua estrutura de controle. O
método consiste em aplicar uma perturbação no sistema e monitorar sua resposta. Na
Figura 2.4 apresenta-se a resposta do sistema para uma perturbação negativa e positiva
a partir de dois pontos de operação distintos. Caso uma perturbação positiva resulte em
um acréscimo positivo de potência fornecido pelo módulo, significa que o sistema está
caminhando na direção do ponto de máxima potência. Caso contrário, ou seja, uma per-
turbação positiva resulte em um decréscimo de potência, o sistema caminhará no sentido
oposto, o que fará com que na próxima perturbação ele tenha uma trajetória no sentido
contrário. Na Tabela 2.1 pode-se observa o resumo da descrição do método.
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 11
40
50
20
30
0
10
Potê
nci
a [W
]60
2520151050
Tensão [V]
30
(+)(-)
Aumento
Redução
Sentido da Perturbação
Aumento
Redução
(+)(-)
Sentido da Perturbação
Figura 2.4: Comportamento da variação da potência para uma perturbação de tensão.
Tabela 2.1: Visão geral do algoritmo perturba e observa (P&O).
Sentido da Perturbação atual Variação de Potência Sentido da Próxima Perturbação
Positiva Positiva Positiva
Positiva Negativa Negativa
Negativa Positiva Negativa
Negativa Negativa Positiva
O sistema com o seguidor P&O sempre convergirá para a proximidade do ponto de
máxima potência. Como o processo é repetido periodicamente, a existência da pertur-
bação persistente proveniente do método, sempre causará uma oscilação indesejada em
torno do MPP. De uma forma geral, espera-se que a busca ao ponto de máxima potência
se estabilize sem oscilações. Pode-se conseguir menores oscilações reduzindo o tama-
nho do incremento da perturbação. Porém, existe uma relaçãode dependência entre o
tempo de rastreamento (velocidade de convergência) e a oscilação da potência em regime
permanente.
O método de perturbação e observação é proposto inicialmente alterando-se o refe-
rencial de tensão ou corrente do sistema, essa referência recebe um incremento ou decre-
mento fixo (perturbação), a partir da análise do comportamento da potência fornecida pelo
módulo. A tensão de referência é regulada por uma malha de controle interna, utilizando
um controlador proporcional-integral (PI) ou histerese ( ver Figura 2.5), esta técnica de
MPPT é denominada P&O convencional com perturbação fixa.
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 12
PI PainelBoost
Micro controlador Estrutura Física
VREF +
-
Dutycicle
+-MPPT
VPAINEL
IPAINEL
Figura 2.5: Diagrama de Blocos do MPPT perturba e observa (P&O) convencional.
O método Hill Climbing é uma modificação na estrutura de controle do P&O con-
vencional. A perturbação passa a ser inserida no ciclo de trabalho do conversor que esta
conectado ao módulo (estrutura de dois estágios). Desta forma, o incremento resulta di-
retamente na modificação do ponto de operação do sistema. O diagrama de blocos desse
método é apresentado na Figura 2.6. O método de Hill Climbingintroduziu uma simplifi-
cação no método P&O convencional a partir da eliminação da malha de controle interna.
Esse método tornou-se conhecido na literatura como P&O modificado com perturbação
fixa.
PainelBoost
Micro controlador Estrutura Física
VPAINEL
Dutycicle
+-
MPPT IPAINEL
Figura 2.6: Diagrama de blocos P&O modificado com perturbação fixa.
Na maioria dos casos, são utilizados dois sensores para as medições da tensão e da
corrente terminal. A potência é computada e analisada por meio de microcontrolado-
res (VEERACHARY; SENJYU; UEZATO, 2001;WOLFS; TANG, 2005a). Em ambos os méto-
dos convencional e modificado, o incremento é pré-determinado por estudos dirigidos ao
grupo de painéis a ser utilizado. Essa análise é feita visando um melhor aproveitamento
da estrutura de controle. A determinação do melhor valor de incremento é crucial para o
correto dimensionamento do projeto. Um incremento de valorelevado terá uma rápida di-
nâmica com melhor convergência, entretanto, resultará em grandes oscilações em regime
permanente. Um menor incremento levará um maior tempo de acomodação e ao atingir
o ponto de máxima potência, terá menores oscilações, contudo, devido às características
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 13
não lineares do módulo, uma pequena perturbação poderá não garantir que a potência
varie consideravelmente para produzir o efeito comparativo requerido, podendo levar o
sistema a instabilidade. Por este motivo, surgiram os primeiros trabalhos incorporando
técnicas de controle adaptativo para geração do valor de incremento do P&O. A ideia é
obter rápidas saídas de buscas e menores oscilações para os pontos próximos a região de
máxima potência. Al-Amoudi e Zhang (1998) propuseram um método para variar o valor
do incremento na busca ao MPP. O valor inicial da tensão de referencia parte de 10% da
tensão de circuito aberto. Desta forma, a medida que o controle se aproxima do MPP é
gerado a cada incremento, um decréscimo de 50% de seu valor atual, até que o valor do
incremento atinja 0,5% do valor da tensão em circuito aberto. Com isso, as características
não-lineares do módulo passam a ter representatividade significativa. A coleta da tensão
de circuito aberto está diretamente relacionada com a irradiância e a temperatura do meio.
Zhang, Al-Amoudi e Bai (2000) incluíram a variação do incremento de corrente ou tensão
a partir da medição da irradiância e temperatura do ambiente. Nesse trabalho o valor do
incremento é função das grandezas medidas em tempo real. Desta maneira, adaptou-se
o sistema nas condições em que está submetida. Patel e Agarwal (2009) optaram em va-
riar o incremento em função de uma faixa de operação. A potência total que é fornecida
pelo sistema é dividida em quatro faixas de operação, cada faixa corresponde a um valor
pré-determinado de incremento. Logo, as características de não-linearidade são também
incluídas no modelo. Esses métodos são denominados de convencionais com perturbação
variável. Visando melhor convergência e menor oscilação emregime permanente, o mé-
todo de Hill Climbing também passou por modificações. Nesta abordagem, foi inserida
a adição de um incremento adaptativo, que se mostra bastanteeficiente. Porém, o fato de
incluir nos cálculos, variações de potência, torna o métodosensível às escolhas das cons-
tantes iniciais, principalmente quando o algoritmo é submetido a sistemas com grande
carga. Na Tabela 2.2 são exemplificadas algumas das modificações adaptativas propostas
(ABDELSALAM et al., 2011).
Tabela 2.2: Modificação no método P&O com perturbação adaptativa.
Referência Perturbação Conversor Processador
Chiang, Hua e Lin (2002) d(k+1)=d(k)±[∆p/∆d]
P/dBoost TMS320F240
Xiao e Dunford (2004) d(k+1)=d(k)±M[∆p]d(k)
Buck TMS320LF2407
Wolfs e Tang (2005a) d(k+1)=d(k)+ Mdpdv
Buck MSP430
Wolfs e Tang (2005b) d(k+1)=d(k)+ Mdpdv
Buck ADuC831
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 14
O método P&O modificado também se encontra na literatura utilizando técnicas de
controle moderno. Jain e Agarwal (2004) utilizam equações não-lineares para a adap-
tação do ciclo de trabalho do conversor. D’Souza, Lopes e Liu(2005) propuseram a
utilização de lógica fuzzy para a busca do MPP. Em ambos os casos, obteve-se ganho
quando comparado com as técnicas convencionais. No entanto, a desvantagem do uso de
controle moderno está relacionado a alta complexidade dos algoritmos e a necessidade de
um alto processamento, o gasto com a implementação de processadores mais poderosos
pode tornar o método inapropriado para aplicações de baixo custo.
2.2.2 Condutância Incremental
Hussein et al. (1995), propuseram um método alternativo ao P&O, também baseado
em amostragem sucessiva de tensão/corrente e curva de potência. A idéia surgiu a partir
da análise gráfica da curva P-V do módulo fotovoltaico. Caso osistema esteja atuando no
lado esquerdo do ponto de máxima potência, a resposta a um incremento de tensão resulta
em uma derivada positiva, caso esteja no lado direito a derivada passa a ser negativa. Se
estiver na região de máxima potência essa derivada é zero. Aosubstituir e expandir a
potência pelo produto cruzado da tensão pela corrente, obtém-se uma equação dependente
da condutância e da variação da condutância do sistema. Na Tabela 2.3 é apresentado o
resumo da ideia geral do método.
Tabela 2.3: Análise do MPPT em função da condutância do sistema.
Análise Localização
∆I/∆V = -I/V no MPPT
∆I/∆V > -I/V lado esquerdo MPP
∆I/∆V < -I/V lado direito MPP
Caso exista uma mudança de radiação ou temperatura, essa será observada a partir
da leitura da variação de condutância. Com isso, o sistema calculará uma nova tensão
de referência, baseada na posição em que o sistema está atuando. A tensão de referência
passa por uma malha de controle interno utilizando um controlador PI ou por histerese.
Igualmente ao método P&O, o valor de projeto para o incremento é de suma importância.
O seu correto dimensionamento define a velocidade do rastreamento. Para a medição da
tensão e da corrente são necessários dois sensores para cadapainel, além de um rápido
processador de dados para realizar com maior precisão os cálculos numéricos envolvidos.
Esse método é bastante semelhante ao P&O convencional, a diferença está centrada na
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 15
análise da resposta á perturbação.
2.2.3 Realimentação da Tensão e Corrente
A primeira utilização da realimentação da tensão (corrente) em uma malha de con-
trole surgiu junto ao método convencional P&O, a ideia foi então expandida para alguns
métodos posteriores, como da condutância incremental. Atualmente, a malha de controle
de tensão ou corrente é parte funcional da maioria dos MPPTs.A realimentação da tensão
passa por um controlador convencional do tipo PI ou de estrutura mais simples, tal como
o controlador por histerese. A saída do controlador atua no ciclo de trabalho do conversor
para manter a saída do módulo (tensão ou corrente) próximo dareferência, como ilustrado
na Figura 2.7.
PI PainelBoost
Micro controlador Estrutura Física
VREF VPAINEL+
-
Dutycicle
+-
Figura 2.7: Diagrama de Blocos da estrutura de MPPT com tensão de referência.
O uso desse seguidor é encontrado em sistemas de baixo custo que necessitam de
maior simplicidade. O método pode ser implementado utilizando componentes eletrô-
nicos simples. Maheshappa J. Nagaraju (1998), desenvolveram um circuito de controle
fixando uma tensão e exemplificando o método da realimentação. Hua e Shen (1998),
no mesmo ano propuseram uma estratégia de controle, no qual édefinida um valor para
a tensão de referência que pode variar em função do circuito equivalente da carga e da
potência instantânea fornecida pelo módulo. A simplicidade desse método resulta em um
rastreamento pouco eficiente, além de não contar com auxílios de baterias para o armaze-
namento de energias.
2.3 Métodos Indiretos
Nos métodos indiretos, o monitoramento da máxima potência disponível só é possí-
vel se existir um conhecimento prévio de algumas das características físicas do módulo.
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 16
Por esse motivo, eles são denominados métodos indiretos. Emalguns métodos indiretos,
as características físicas necessárias já são informadas pelo fabricante, em outros existe
a necessidade da realização de um ensaio para a obtenção das constantes e das caracte-
rísticas das curvas PV, não informada pelo fabricante. As características relacionam as
variáveis de controle (tensão, corrente, irradiância e temperatura) à eficiência do sistema
de geração. Por este motivo, os métodos indiretos restringem a estimação ao grupo de
módulo ensaiados e não podem ser expandida a outro grupo com características distintas.
Os métodos indiretos determinam uma aproximação do ponto demáxima potência para
uma irradiância e temperatura, por isso não é possível determinar com precisão o MPP
para uma condição de operação distinta. Os principais método indireto são: (i) aproxima-
ção da curva de potência, (ii) análise de tabela, (iii) observação de circuito aberto e (iv)
observação de curto-circuito.
2.3.1 Aproximação da Curva de Potência
Villalva, Gazoli e Filho (2009) propuseram a modelagem simplificada das característi-
cas não lineares do módulo PV, utilizando uma nova abordagemcomposta pela associação
de fontes de corrente, diodos e resistência. Apesar de menoscomplexo, o resultado do
modelo proposto já é consolidado na literatura atual, se assemelhando ao trabalho desen-
volvido por Kennerud (1969), onde surgiu um dos primeiros modelos para os módulos
fotovoltaicos. De uma forma geral, a modelagem composta porequações exponenciais e
aproximações matemáticas torna seu uso inadequado em aplicações de tempo real. Isso
é decorrente da necessidade de resolução dos cálculos numéricos, que exigem bastante
processamento. Hamdy (1994) propôs obter a aproximação para a curva de potência com
equações simplificadas do modelo módulo. A vantagem da aproximação da curva está as-
sociada a um menor custo computacional. A curva é baseada na tensão de circuito aberto,
na corrente de curto circuito e nos valores de tensão e corrente para o ponto de máxima
potência fornecido pelo fabricante. Em função da equação dacurva de potência, obtêm-se
o valor de tensão correspondente ao MPPT. Neste método, as condições de temperatura e
irradiância estão diretamente ligadas aos valores instantâneos da corrente de curto circuito
e da tensão de circuito aberto, o que torna a aproximação bastante eficaz. Takashima et
al. (2000) propôs a aproximação da curva P-V por uma equação de terceira ordem. Nesta
equação, os coeficientes são obtidos através de uma sequência de amostragens da tensão
e da potência. Ao definir a equação característica da curva, pode-se determinar o valor
da tensão que gera a máxima potência. Este método pode ser utilizado sem a necessidade
de um estudo prévio do módulo. O método da aproximação por curvas pode também ser
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 17
realizado medindo-se apenas a temperatura ambiente e a irradiância (KHATIB A. MOHA-
MED; SOPIAN, 2010). Ele propõe uma relação de quarta ordem entre a tensãoe a potência,
onde os coeficientes são determinados em função da irradiância e da temperatura por uma
equação de terceira ordem. A relação entre os coeficientes e atemperatura é feita por
meio de análises físicas, o que torna o método apropriado para um grupo específico de
módulos, já que o controle é realizado em malha aberta. Pode-se obter uma eficiência de
89,9% da máxima potência disponível no módulo.
2.3.2 Análise de Tabela
Ibrahim et al. (1999), propõe a análise de tabela para rastrear o MPP, esse sistema
de controle faz uso de uma tabela armazenada dentro da memória do processador digital
de sinais. A tabela é montada, comparando-se a tensão de circuito aberto do módulo,
com a tensão de referência da máxima potência. Os dados são obtidos para diversas
condições de irradiância. Desta forma, o sistema de monitoramento auxilia na decisão
da tensão de referência, com base nos dados de tensão do circuito aberto. A tensão de
referência é imposta por uma malha de controle interno implementada por um controlador
PI convencional. A saída do controlador altera o valor do ciclo de trabalho do conversor
rastreando o MPP. Apesar do baixo custo de implementação, o MPPT necessita de uma
maior quantidade de memória para armazenar o vetor com as informações. O sistema deve
ser projetado para um grupo específico de módulos, o que pode tornar seu uso impróprio
para aplicações em dispositivos existentes no mercado.
2.3.3 Observação de Circuito Aberto
O rastreamento do ponto de máxima potência pode ser realizado com base em uma
aproximação linear entre a tensão de circuito aberto e oVMP. Isso porque a tensão de
circuito aberto varia basicamente quando ocorre uma variação de temperatura, como pode
ser visualizado na Figura 2.8. Neste caso, o estudo é realizado levando em consideração
uma irradiância fixa.
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 18
4
5
2
3
0
1
Corr
ente
[A
]6
Aumento da Temperatura
120ºC 75ºC 25ºC 2ºC
Diminuição do VOC
2520151050Tensão [V]
30
IMP
Figura 2.8: Curva corrente tensão do módulo com variação de temperatura
Ibrahim et al. (1999), realizou um experimento em que a tensão de referência é fixada
em um percentual da tensão de circuito aberto do módulo. Paraa utilização deste método,
é necessário um estudo prévio, onde é determinada a constante de proporcionalidade entre
VOC e VMP. Essa constante pode variar em função da característica física do módulo.
O monitoramento da tensão de circuito aberto pode ser realizado diretamente no painel.
Porém é comum o uso de uma célula piloto, evitando assim perdas de potência no sistema.
A célula piloto guiará o sistema de controle no estabelecimento da tensão terminal no
painel. As suas características físicas devem ser iguais aogrupo de módulo utilizado.
Como a tensão de máxima potência é uma fração da tensão de circuito aberto, esse método
é conhecido comoFractional Open−Circuit Voltage(FOCV).
2.3.4 Observação de Curto - Circuito
De forma similar ao método da observação de Circuito-aberto, a corrente de referência
que resulta no ponto de máxima potência pode ser aproximada por uma fração da corrente
de curto-circuito (MASOUM; DEHBONEI; FUCHS, 2002). Essa relação de linearidade é fun-
ção da característica física do módulo. A corrente de máximapotência varia entre 78
e 92% da corrente de curto-circuito. Pode-se observar na Figura 2.9 que a variação de
irradiância modifica oICC, mantendo a tensão basicamente constante.
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 19
4
5
2
3
0
1
Corr
ente
[A
]6
2520151050Tensão [V]
30
Red
uçã
o d
a Ir
radia
ção
Red
uçã
o d
e IC
C
1000 W/m²
800 W/m²
500 W/m²
250 W/m²
Figura 2.9: Curva corrente tensão do módulo com variação de irradiância.
A maior dificuldade para a utilização desse método é a necessidade de provocar o
curto-circuito do arranjo dos módulos. Além da perda de potência, o método é pouco
eficiente pois resulta em um ponto de operação incerto. A maioria das aplicações en-
volve o uso de processadores de sinais, com uma simples malhade controle de corrente,
utilizando-se controladores convencionais do tipo PI ou Histerese. Na Tabela 2.4, é apre-
sentado um resumo dos MPPT’s, comparando-se as suas características de operação.
2.4 Descrição do Método Proposto
O método proposto é uma contribuição ao algoritmo convencional de rastreamento
P&O. Tradicionalmente, o referido método é desenvolvido observando-se a resposta da
potência fornecida pelo sistema fotovoltaico. Para isso, são mensuradas, a todo o instante,
a corrente e a tensão terminal do módulo fotovoltaico. A técnica proposta visa determinar
o ponto de máxima potência de forma indireta, a partir do balanço de energia, obtido pela
observação das grandezas elétricas da rede primária.
2.4.1 Caracterização do Método de Perturbação e ObservaçãoTra-
dicional
Para rastrear o ponto de máxima potência do módulo, o sistemade controle MPPT
gera uma perturbação no sistema fotovoltaico. Essa perturbação pode ser inserida na
referência de tensão, de corrente, ou na razão cíclica do conversor CC-CC existente na
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 20
estrutura composta por dois estágios de conversão. Esta perturbação consiste na alte-
ração do ponto de operação do painel fotovoltaico, incrementando ou decrementando a
referência de tensão, corrente ou razão cíclica que determinam o seu ponto de operação.
Na Figura 2.10 são apresentadas algumas das opções clássicas de implementação destas
técnicas. Na Figura 2.10.a, a perturbação é inserida na malha de controle que define a
corrente de referencia do painel, na Figura 2.10.b, a pertubação é inserida na referência
de tensão terminal do painel, já na Figura 2.10.c, a pertubação se encontra na razão cíclica
do conversor CC. A alteração destas referências modifica a região de operação do sistema
fotovoltaico, podendo aumentar ou diminuir o fornecimentode potência proveniente do
painel.
Micro controlador Estrutura Física
Dutycicle
Micro controlador Estrutura Física
Dutycicle
Micro controlador Estrutura Física
Dutycicle
Perturbação
Perturbação
Perturbação
PWM
PWM
PWM
+-
+-
+- Boost
Boost
Boost Painel
Painel
PainelPI
PI
IPainel
VpainelVref
Iref +
+
+
+
-
-
d
d
d
(a)
(b)
(c)
Figura 2.10: Principais pontos de inserção da perturbação do método P&O.
Como a relação entre a corrente e a tensão terminal do painel énão-linear, após inser-
ção da perturbação, o sistema pode aumentar ou diminuir a tensão e a corrente terminal,
em função das condições de temperatura e irradiância. Destaforma, caberá ao sistema de
controle de MPPT avaliar se a nova referência irá proporcionar um acréscimo no forne-
cimento de potência do painel. Caso isso não ocorra, na interrupção seguinte, o sistema
mudará o sentido da perturbação inserida. Na Figura 2.11 é apresentado um fluxograma
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 21
do algoritmo de rastreamento, P&O.
Decremento daPerturbação
Incremento daPerturbação
Análise daPotência
Análise daPotência
A potênciaAumentou?
A potênciaAumentou?
Sim
SimNão
Não
Figura 2.11: Fluxograma do MPPT perturba e observa
No algoritmo de rastreamento P&O, quando a perturbação é inserida na malha de
controle (tensão ou corrente de referência) esse algoritmoé denominado perturbação e
observação convencional. Caso a perturbação seja inseridana razão cíclica do conversor,
esse algoritmo passa a ser denominado P&O modificado. A grande vantagem da utili-
zação do método P&O modificado é a redução da malha de controleinterna, utilizada
para regular a corrente ou tensão. Porém, esta técnica é destinada a aplicações de siste-
mas fotovoltaico com dois estágios, podendo ser adaptada para sistemas de estágio único
inserindo uma pertubação equivalente nas leis de controle do PWM.
2.4.2 Descrição das Alterações no Método P&O
O sistema de controle proposto neste trabalho considera a estrutura de conversão com
dois estágios. Nesta estrutura, o primeiro estágio é composto por um conversor CC-CC do
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 22
tipo boost, responsável pelo rastreamento do MPPT no painelfotovoltaico. O algoritmo
de rastreamento proposto neste trabalho é do tipo P&O modificado. A perturbação é
inserida na razão cíclica do conversor CC-CC.
A estrutura de conversão com dois estágios foi escolhida em função da sua maior
flexibilidade de controle. Ademais, a utilização do sistemacom estágio único, também
traduz-se em um baixo desempenho. Isto ocorre porque esses sistemas utilizam a malha
de controle do barramento CC para implementação do MPPT do painel. Esse rastrea-
mento é feito alterando-se a referência de tensão do barramento CC. Quando a referência
de tensão do barramento CC é alterada, a variação da condiçãode operação do inver-
sor pode resultar em distorção harmônica nas correntes de saída. Assim, o emprego do
método P&O nesta estrutura de controle, tem se mostrado desfavorável.
Diferentemente do P&O convencional, o método proposto não analisa a potência for-
necida pelo painel fotovoltaico, analisando sua tensão e corrente terminal. Ao contrário,
essa análise é feita de forma indireta por meio do balanço de potência do sistema. Assim,
torna-se desnecessário o uso de sensores de tensão e corrente no terminal do painel. Para
o entendimento desta técnica, considere um sistema padrão,composto por uma rede elé-
trica, um conversor CC-CA, que interliga os painéis fotovoltaicos ao PAC e, uma carga
que representa o consumo de energia do sistema. Na Figura 2.12 pode-se visualizar este
sistema para 4 casos de fornecimento de potência. No primeiro caso, a energia da carga
é fornecida em sua totalidade pela rede ou seja, o painel fotovoltaico não injeta potên-
cia no sistema (Figura 2.12, 1o caso). Na situação seguinte, o painel fornece potência
ao sistema e a energia elétrica consumida pela carga, provémsimultaneamente das duas
fontes, conforme a Figura 2.12 (Caso 2). No terceiro caso a potência fornecida pelo pai-
nel é suficiente para abastecer a carga. Neste caso, não há fornecimento de potência pela
rede elétrica. Por fim, pode ocorrer do sistema fotovoltaicoter potência suficiente para
alimentar a carga e ainda injetar potência na rede elétrica (caso 4).
PVCar
ga
Rede
PVCar
ga
Rede
PVCar
ga
Rede
PV
Carga
Rede
Potê
nci
a in
jeta
da
1º Caso 2º Caso 3º Caso 4º Caso
Figura 2.12: Balanço de potência do painel PV
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 23
Para o desenvolvimento do algoritmo de rastreamento P&O é essencial que o controle
tenha informações referentes ao comportamento do sistema fotovoltaico após a pertur-
bação. Na técnica proposta, essa informação é obtida de maneira indireta, analisando a
potência fornecida pela rede elétrica. Caso a perturbação positiva, resulte em um decrés-
cimo de potência da rede, significa que após a perturbação o painel passou a injetar uma
potência maior na carga. O MPPT monitora, a todo instante, a potência que a rede for-
nece para a carga, através da medição das correntes da rede. Essas correntes passam por
uma transformação (123-dq) e são analisadas no referencial vetor tensão. O diagrama de
blocos simplificado do método é apresentado na Figura 2.13.
Transformada123-dqSensor
Is1
Vs
MPPTIsd
PWMConversor
CC-CC
d
Processamento de sinal
e
Is2Is3
Figura 2.13: Diagrama de blocos do MPPT proposto
De acordo com a Figura 2.13 o controle de MPPT atua minimizando a componente
Iesd da rede. Assim, considerando o balanço de potência, significa que o módulo está
fornecendo a maior potência disponível para o sistema.
A estratégia de controle P&O proposta, poderia ser implementada de forma direta,
analisando as correntes de saída do conversor CC-CA. Essas correntes também seriam
analisadas no referencial vetor girante, igualmente como descrito para o controle indireto.
A grande vantagem de se fazer o controle indireto está relacionada a compensação de
harmônicos e a elevação do fator de potência no ponto de acoplamento comum, essas
descritas no Capítulo 3. Esta estratégia possibilita ganhos no caso em que o consumidor
apresente cargas com baixo fator de potência e elevado índice de distorção harmônica.
2.5 Síntese do Capítulo
Neste capítulo foram apresentadas as principais técnicas de extração da máxima po-
tência em sistemas PVs, é feita de forma detalhada a topologia de integração do sistema à
rede para os diferentes métodos. Na Tabela 2.4 é apresentadoa comparação dos métodos
de rastreamento de máxima potência descritos (SUBUDHI; PRADHAN, 2013).
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 24
Tabela 2.4: Resumo comparativo das principais características dos MPPTs.
MPPT Analógico Digital Dtp TR Efic. CCom TS
P&O Sim Sim Não Variada Alta Baixa Tensão/Corrente
CI Não Sim Não Variada Alta Média Tensão/Corrente
RTC Sim Sim Não Rápido Baixa Baixa Tensão ou corrente
Tensão Aberta Sim Sim Sim Média Baixa Baixa Tensão
Curto Circuito Sim Sim Sim Média Baixa Baixa Corrente
Análise de Tabela Não Sim Sim Rápido Baixa Baixa Tensão
ACP Não Sim Sim Rápido Média Baixa Radiação/temperatura
P&O- Perturbação e observação; CI- Condutância incremental; RTC - Realimentação tensão corrente;
ACP- Aproximação da curva de potência, Dtp- Dependente do tipo de módulo; TR- Tempo de resposta;
CCom- Complexidade computacional; TS- Tipo de sensor.
Foi apresentada a estrutura de controle convencional do método perturbação e obser-
vação, tradicionalmente utilizado nos sistemas fotovoltaicos, as alterações propostas ao
sistema convencional e as implicações da utilização do controle direto e indireto. O algo-
ritmo de rastreamento da máxima potência proposto é detalhado por meio de diagrama de
blocos.
Capítulo 3
Estrutura de Controle e Modelagem
Genericamente, o sistema de controle utilizado nas duas topologias (monofásica e
trifásica) é composto por duas malhas em cascata. A malha interna é responsável pela
regulação da corrente injetada na rede elétrica, a malha externa é responsável pela regula-
ção da tensão no barramento CC. Sobre o controle de tensão do barramento CC, também
se efetua indiretamente o rastreamento da máxima potência,comumente denominado de
MPPT . Em relação aos controladores, na sua forma convencional, eles são basicamente
utilizados para impor um fluxo de potência à rede elétrica. Noentanto, esquemas de
controle alternativos têm sido propostos, nos quais, além da injeção de potência, também
controlam a qualidade de energia no PAC. Esta nova filosofia tem contribuído para garan-
tir a estabilidade global do sistema de potência. Neste trabalho, o controle de corrente é
implementado levando-se em conta esta abordagem.
3.1 Modelagem do Conversor de Potência Conectado à
Rede
O comportamento dinâmico do conversor de potência ligado a rede elétrica é de
grande utilidade para o dimensionamento dos ganhos dos controladores de tensão e cor-
rente. Sua análise pode ser obtida a partir do modelo equivalente. Na Figura 3.1 a fonte
vg representa a tensão chaveada gerada pelo inversor de tensão, i l a corrente de carga,vs
a tensão da rede.
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 26
P CA
n
isig
il
rg rslg ls
vsvg
Figura 3.1: Circuito equivalente do sistema conectado à rede
Aplicando-se a lei das tensões de Kirchoff a este circuito, obtém-se a seguinte equação
dinâmica:
vg−vs−vl =−(rg+ rs)is− (lg+ ls)disdt
(3.1)
onde a tensãovl pode ser dada por:
vl = rgi l + lgdildt
(3.2)
Considerando-se que os termosvs evl da Equação 3.1 são perturbações a serem compen-
sadas pela estratégia de controle, o modelo do sistema pode ser reescrito como:
v′
g =−rt is− ltdisdt
(3.3)
onde:rt = rg+ rs e lt = lg+ ls. A função de transferência apresentada na Equação (3.3) é
portanto:
Is(s)
v′
g(s)=−
1/lts+ rt/lt
=bs
s+as(3.4)
ondeas= rt/lt ebs=−1/lt . Estes parâmetros do modelo do sistemart e lt podem variar
em função do comportamento aleatório da carga não-linear. Além disso, o modelo do
conversor de potência conectado à rede tem ainda distúrbiosnão modeladosvs e vl cujas
dinâmicas são impostas pela carga ou pela rede elétrica.
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 27
3.2 Diagrama de Blocos das Plantas PV Trifásica e Mo-
nofásica
Na Figura 3.2 é apresentado o diagrama de blocos do esquema decontrole para a
planta fotovoltaica trifásica. Nesse diagrama, a tensão dobarramento CC é regulada por
um controlador proporcional integral (PI) comanti−windup. Ele gera o valor da am-
plitude da corrente de referênciaIesd no referencial do vetor tensão, que corresponde a
potência ativa do sistema. O ângulo de fase do vetor tensão noponto do acoplamento
comum é determinado com uso de um PLL. As correntes de fase de referência da rede
são obtidas com o auxílio da transformação 123-αβ. Com o intuito de evitar novas trans-
formações de referencial, são utilizados dois controladores com três graus de liberdade,
nos quais é empregado o princípio do modelo interno.
A função de transferência do controlador DSC é descrita na Equação 3.5 (JACOBINA et
al., 2001, 2000). Na função de transferência observa-se o princípio do modelo interno, de-
vido ao par de polos complexos, no denominador, além de outros dois graus de liberdade,
devido aos dois zeros, no numerador.
G(s) =P2s2+P1s+P0
s2+ω2s
(3.5)
O uso do controlador de dupla sequência associado ao controle indireto proporciona a
compensação de distúrbios no PAC. O ciclo de trabalho das chaves do conversor é obtido
com base na tensão de referência da saída do controlador. O PWM é gerado após a trans-
formação do referencial referencialαβ-123. A correnteIesd, que representa a componente
de potência ativa do sistema, é a base para a implementação doMPPT. A referência para
o controle do conversor CC é feita com base no método P&O.
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 28
-
-
vCC
*
vCC
-
PLLv
s1
sd
s*i
sq
si
PI
X
sq
s*
i
sds
i
senqs
qscos
123/
PWM
VSI+
vg1*
vg3*
vg2*Vdq
s
vsq
s*
vsds*
S
S
S
DSC
DSC
isde*
X
isde*
MPPTPWM
CC-CC+Filtro
sde*
i
Figura 3.2: Diagrama de blocos da estratégia de controle da planta PV trifásica.
No caso do sistema monofásico, o diagrama de blocos é apresentado na Figura 3.3.
Neste esquema, não é utilizada a transformação ortogonal 123-αβ, empregada comu-
mente nos sistemas trifásicos. A componente de referência do eixo direto no referencial
síncronoI ssd é sincronizada com a corrente de fase da rede elétrica. Através de um defa-
sador de 90 graus, gera-se um vetor de corrente imaginário, em quadratura com esta (I ssq).
A corrente defasada é a corrente beta no referencial estacionário. As correntes no refe-
rencial estacionário são transformadas para o referencialsíncrono, utilizando o ângulo de
referência do vetor tensão do PAC. Desta forma são geradas ascorrentesIesd e Ie
sq.
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 29
vCC
*
vCC
-
PLL
X
S
S
PI
isde*
Filtro
vs1
cos qs( )
isds*
isds
+-
s2+ ws2
s2 p1
p2
p0+ s+
PWM
HB-VSI
Grid-Tied
vg1s*
+
MPPT
PWM
CC-CC+ vg2
s* vg3s*
; ;
Figura 3.3: Diagramas de blocos da estratégia de controle daplanta PV monofásica.
3.3 Teoria das Potências Instantâneas PQ e DQ
Akagi, Kanazawa e Nabae (1984) propuseram os novos conceitos de potência ins-
tantânea ativa e reativa, válidos para regimes permanente etransitório, assim como para
formas de ondas genéricas de tensão e corrente. Esta teoria foi desenvolvida original-
mente para sistemas trifásicos a três fios com uma pequena menção a sistemas com neutro.
Posteriormente, ela foi estendida para sistemas trifásicos a quatro fios. Resumidamente,
esta teoria é baseada na transformação ortogonal de coordenadas de 123 paraαβ0, que
gera um sistema bifásico equivalente no referencial estacionário. Esta transformação é
também conhecida como Transformação de Clarke, em homenagem a sua propositora,
Engenheira Edith Clarke, (1943). Uma das vantagens desta transformação é a separação
de sua componente de sequência zero (v0 e i0). Além disso, é possível calcular direta-
mente as potências ativas e reativas (P e Q), em termos das componentesαβ0, bem como,
entender o fator de potência do sistema. Por exemplo, se o valor médio de Q for positivo
as correntes estão atrasadas (corrente indutiva) em relação às tensões de sequência posi-
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 30
tiva. As expressões das potências em termos deαβ0, são similares a forma tradicional
de cálculo das potência ativa e reativa no sistema trifásico, diferenciando-se apenas pelo
uso de valores instantâneos. A partir desta, Soares, Verdelho e Marques (2000) fizeram
uma adaptação, utilizando a transformação ortogonal de Park (AKAGI; KANAZAWA; NA-
BAE, 1984) no referencial vetor tensão, que resultou em variáveis superpostas em dois
eixos girantes, batizados de dq. A partir deste novo referencial, também foram calculadas
as potências ativa e reativa, com a vantagem de se trabalhar com grandezas constantes.
Neste novo modelo, foi demonstrado que para um sistema elétrico trifásico a três fios,
ou para um sistema elétrico trifásico balanceado a quatro fios, a parcela de potência ativa
instantânea do sistema está diretamente ligada à corrente no eixo D (Iesd) e que a parcela
de componente da potência instantânea reativa esta diretamente ligada à corrente do eixo
Q (Iesq). Os diagramas vetoriais relativos às referidas transformações são apresentados na
Figura 3.4. Com base nestas conclusões, vários métodos de controle têm sido propostos
para regulação das potências ativas e reativas em sistemas de potência e aplicações de
eletrônica de potência. O esquema de controle implementadoneste trabalho é também
baseado nestas teorias.
Is1
Is2
Is3
θ1
Ialfa /
Ibeta/
Isd
Isq
θ1
a) b)
e
e
Isds
Isqs
Ibeta/Isqs
Ialfa / Isds
Figura 3.4: a)-Transformada 123-αβ. b)-Transformadaαβ - DQ.
3.4 Controle da Tensão do Barramento CC
A tensão do capacitor é determinada pela diferença entre a corrente proveniente do
painel fotovoltaico (IPV, por intermédio do conversorboost) e a corrente de entrada do in-
versor (Icc). Para que a corrente que flui pelos capacitores do barramento CC tenha média
nula, essa diferença, em regime permanente, deve ser igual azero. Desta forma, a tensão
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 31
do barramento CC apresentará valor médio constante. Isto significa que a tensão dos ca-
pacitores do barramento CC pode ser controlada regulando-se a correnteIesd. Esta por sua
vez determina as amplitudes das correntes do lado CA do inversor, que por sua vez são
injetadas na rede. Assim sendo, pode-se dizer que a tensão dobarramento CC é regulada
indiretamente pela corrente de saída, baseado no balanço depotência ativa do sistema.
Como a lógica de controle é baseada no balanço de potência, o correto desempenho do
controlador de tensão se torna determinante para o sistema.Para conseguir impor um
fluxo de corrente, o valor da tensão do barramento CC deverá ser de no mínimo duas ve-
zes a tensão de pico da rede somada às quedas de tensões na impedância de acoplamento.
Considerando-se que as referidas restrições são atendidas, a correnteIesd corresponde à
amplitude das correntes do lado CA do inversor. No entanto, para que os controladores
de corrente consigam injetar essa potência na rede elétrica, há a necessidade de mudar
a natureza desta corrente, que sai do barramento CC como uma grandeza CC para uma
grandeza CA. Isto é feito, tomando-se como base o referencial determinado pelo vetor
tensão do PAC (Vs1).
3.4.1 Modelagem do Barramento CC
A função de transferência do barramento CC do sistema proposto é dada por:
VC(s)IC(s)
=1sC
(3.6)
ondeC é o capacitor do barramento CC. Para reduzir as flutuações presentes na medição
de tensão do barramento CC, utiliza-se um filtro passa baixa de primeira ordem, cuja
função de transferência é dada pela Equação 3.7:
Gv(s) =1
1+sτv(3.7)
ondeτv é a constante de tempo do filtro passa baixa. Desta forma o modelo dinâmico
resultante para o barramento CC do sistema pode ser representado como:
Vec (s)
Iesd(s)
=1
sC(1+sτv)(3.8)
A equação 3.8 tem um comportamento dinâmico de segunda ordem. Isso deve ser le-
vado em consideração nos critérios de projeto, pois a tensãodo barramento CC do sistema
apresenta uma componente harmônica de segunda ordem.
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 32
3.4.2 Projeto do Controlador do Barramento CC
O projeto do controlador do barramento CC é determinado pelouso doSymmetri-
cal Optimum Tuning Optimization(SOTO) (ASTROM; HAGGLUNG, 1995). Utilizando um
controlador proporcional integrativo, cuja função de transferência é mostrada na equação
3.9,
Gpi(s) =K(1+sτi)
sτi(3.9)
tem-se a função de transferência resultante, em malha aberta, mostrada na Equação 3.10
para o caso do barramento CC ser regulado pelo controlador PI.
Gor(s) =K(1+sτi)
Cτis2(1+sτv)(3.10)
O método SOTO é baseado na ideia de projetar um controlador cuja resposta em
frequência do ponto de operação da planta, em malha aberta, seja o mais próximo de 0 dB
para as baixas frequências. A função de transferência para ométodo de ajusteSOTO, para
um controlador com dois graus de liberdade é portanto (ASTROM; HAGGLUNG, 1995):
Gso(s) =w2
o(2s+wo)
s2(s+2wo)(3.11)
Ondewo é a resposta em frequência deGso(s). Observa-se que o diagrama de Bode
desta função de transferência é simétrico em torno da frequênciaw= wo. Portanto, para
que a função de transferênciaGor(s), Equação 3.10 seja idêntica a do symmetrical Optium
Gso(s) (Equação 3.11), é necessário que:
wo =1
2τv(3.12)
com o ganho do controlador dado por:
K =C
2τv(3.13)
consequentemente:
τi = 4τv (3.14)
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 33
3.5 Controle Indireto das Correntes na Rede
Nas estruturas convencionais, as correntes injetadas na rede elétricaIg1, Ig2 e Ig3 são
controladas de forma direta, com base do referencial de corrente, que pode ser gerado
segundo as teorias PQ ou DQ. Este tipo de controle garante a imposição das referidas
correntes a partir da geração das tensões de polo do inversor, Vg1, Vg2 eVg3 (Vg no caso do
sistema monofásico). Este sistema só permite injeção de potência ativa na frequência fun-
damental. Como a tendência atual é a adoção de um sistema que além de injetar potência
ativa, também controle a qualidade da energia no PAC, a saídaseria utilizar detectores de
harmônicos e implementar uma estrutura de filtro ativo de potência. Para simplificar a es-
trutura de controle, uma estratégia diferente foi implementada neste trabalho, denominada
de controle indireto. Neste esquema, as correntes da redeIs1, Is2 e Is3 (ou Is para sistema
monofásico) são reguladas indiretamente a partir da imposição das tensões de polo do
inversorVg1, Vg2 e Vg3 (Vg no caso do sistema monofásico). A adoção desta estratégia,
associada à utilização de um controlador não convencional,onde o princípio do modelo
interno é empregado, permite regular as correntes do PAC, deforma que estas sejam se-
noidais e em fase com suas respectivas tensões. Isso permitea compensação da distorção
harmônica e correção do fator de potência do PAC.
3.6 Controlador de Dupla Sequência
O controlador de corrente utiliza o princípio do modelo interno é denominado de
controlador de dupla sequência (DSC). Ele é composto por dois controladores, um para
a componente de sequência positiva e outro para a componentede sequência negativa.
Ambos os controladores atuam simultaneamente e suas saídassão somadas. O objetivo
desta estrutura não convencional é evitar a transformação ortogonal, garantir erro nulo em
regime permanente, para grandezas senoidais, e compensar eventuais desbalanceamentos
de corrente no sistema. Ele foi proposto inicialmente por Jacobina et al. (2001, 2000) e
em decorrência de sua confiabilidade e robustez, foi escolhido para a implementação das
malhas de correntes dos sistemas de geração monofásico e trifásico.
Genericamente, o modelo em espaço de estados do controladorde dupla sequência
pode ser dado por (JACOBINA et al., 2001, 2000):
dxsdqi
dt= 2kii εs
idq+xsdqi (3.15)
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 34
dxs′dqi
dt=−ω2
sxsdqi (3.16)
vs∗f dq = xs
dqi+2kpiεsidq (3.17)
ondekpi ekii são os ganhos do controlador eωs é a frequencia fundamental do sistema de
potência. A função de transferência do controlador de corrente no referencial estacionário
pode ser dada por:
Gc(s) =p2s2+ p1s+ p0
s2+ω2s
(3.18)
no qual, os ganhos do controlador são:p2 = 2kpi, p1 = 2kii e p0 = 2kpiω2s.
3.6.1 Projeto do Controlador de Corrente
O projeto do controlador de corrente dado pela função de transferência da Equação
3.18, pode ser realizado a partir da função de transferênciada Equação 3.4, por meio
do método tradicional do cancelamento de polos e zeros. Portanto, considerando que o
parâmetroas do sistema pode ser associado aos ganhoskpi ekii do controlador de corrente,
como:
as=kpi
kii(3.19)
Admitindo-se que a banda-passante do controlador de corrente pode ser dada por
ωc = bskpi, é possível determinar os ganhos do controlador em função dos parâmetros
do sistema (as ebs), o que resulta em:
kpi =ωc
bs(3.20)
e
kii =asωc
bs(3.21)
Diferentes metodologias de projeto podem ser empregadas para determinar os ganhos
do controlador de corrente. Aqui, a aproximação proposta para o projeto dos ganhos
obteve um bom desempenho para a malha de controle de corrente.
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 35
3.7 Rastreador de Máxima Potência - MPPT
Este bloco é responsável em determinar a razão cicla que o conversor CC-CC deverá
atuar para que o sistema fotovoltaico possa fornecer a máxima potência disponível para
a rede. Para a extração da máxima potência do painel fotovoltaico é proposta a técnica
de perturbação e observação (P&O) modificada, com incremento fixo. A saída do bloco
de controle atuará diretamente na razão cíclica do conversor boost. O rastreamento da
máxima potência do painel é implementado com base no balançode potência do sistema,
monitorando a componente do eixo direto das correntes no vetor tensão. Essa componente
corresponde a potência ativa instantânea que a rede está fornecendo à carga. O método
foi descrito em maiores detalhes no capitulo 4.
3.8 Phase Locked Loop - PLL
Para que se possa controlar o fator de potência do PAC e inserir a energia proveniente
das fontes fotovoltaicas, é necessário identificar o ângulode fase da tensão no PAC. A
identificação do ângulo é feita continuamente através de umaestrutura de controle deno-
minada PLL (do inglês, Phase locked loop). Existem duas técnicas tradicionais para a
obtenção do ângulo de fase das tensões. A primeira extrai o ângulo de fase através do
cruzamento da tensão por zero. A segunda técnica, amplamente empregada, detecta o
ângulo através de uma malha de controle utilizando um controlador PI. Esse rastreamento
pode ser baseado na geração de sinais em quadratura, utilizando a transformada de Clark
e Park.
3.9 Principio de Funcionamento do Módulo Fotovoltaico
O efeito fotoelétrico foi descoberto por Edmond Bequerel em1839. Em 1941, Russel
Ohl impulsionou o desenvolvimento da transformação da energia luminosa em elétrica
com a construção de células fotovoltaicas utilizando semicondutores de silício. A capaci-
dade de transformação luminosa em energia elétrica está diretamente associada à estrutura
atômica do material e consequentemente, a capacidade de condução da corrente elétrica.
O átomo é composto por elétrons localizados em orbitais. Os orbitais são divididos em
níveis de energia. Os elétrons que possuem maior energia estão localizados em orbitais
de maior energia. Quando, por interversão externa, o elétron deixa um orbital de maior
energia para o orbital de menor energia este desprende energia sob a forma de luz. Para
que o elétron possa se elevar à um orbital superior, este devereceber energia de uma
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 36
fonte externa, como a energia térmica ou luminosa. Quando umátomo passa a participar
da formação de um cristal (distância entre os átomos relativamente pequena), os elétrons
passam a ter interação com os átomos vizinhos, seja com as nuvens eletrônicas (forma de
repulsão entre cargas de mesmo sinal), ou com os núcleos (formas de atração), modifi-
cando a configuração dos níveis de energia. Para explicar o funcionamento da estrutura
atômica, após diversos modelos e teorias, a física quânticachegou à teoria das bandas de
energia, onde se estabelece que os elétrons da última camadado átomo possuem ener-
gias estáveis em determinadas bandas de energia, sendo a última banda denominada de
valência. A banda de valência representa as energias de valência permissíveis para que os
elétrons completem as ligações covalentes com os átomos vizinhos. A banda de condu-
ção representa os níveis de energia dos elétrons que receberam alguma forma de energia
(luminosa no caso das células fotovoltaicas) e não mais estejam ligados aos átomos, mas
sejam elétrons livres do material. Entre as bandas de valência e de condução existe uma
banda não habitada pelos elétrons, denominada banda proibida. A largura desta banda
proibida é quem determina a natureza do comportamento elétrico do material, que pode
ser condutor (banda proibida nula), semicondutor (banda proibida pequena, menor que 1
eV) e isolante (banda proibida grande, maior que 10 eV).
Os materiais podem ser classificados em função do comportamento elétrico nos con-
dutores, semicondutores e isolantes, tal como ilustrada naFigura 3.5. Condutores são
compostos moleculares onde a compactação da estrutura cristalina é grande o suficiente
para fazer entrelaçar as bandas de valência e de condução. Alguns elétrons de valência se
situam também na banda de condução, são os chamados elétronslivres. Semicondutores
são materiais onde a banda proibida é pequena (da ordem de 1 eV). Os elétrons saltam
para a banda de condução com relativa facilidade. A banda de condução só está vazia a
0 K (estado fundamental). As temperaturas mais altas fornecem energia para os elétrons
saltarem para a banda de condução. Os principais materiais semicondutores são o Silício
(Si) e o Germânio (Ge). Os materiais isolantes possuem uma banda proibida grande. Os
elétrons não conseguem normalmente passar da banda de valência para a banda de con-
dução. Somente campos elétricos muito altos podem remover os elétrons da banda de
valência, quando ocorre a ruptura do isolante.
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 37
Nível de energiaIsolante
Valência
Proibida
Condução
Valência
Condução
Valência
Condução
SemicondutorCondutor
Proibida
Figura 3.5: Classificação dos materiais de acordo com as propriedades elétricas.
O cristal de silício puro, também chamado material intrínseco, possui uma estrutura
com organização atômica regular, na qual os átomos são mantidos em suas posições por
ligações covalentes, formadas por quatro elétrons de valência associados a cada átomo de
silício. A temperaturas superiores ao zero absoluto, incluindo a temperatura ambiente,
algumas ligações covalentes são rompidas (fenômeno conhecido por ionização térmica)
e elétrons são liberados, passando para a faixa de condução,deixando uma vacância cha-
mada de lacuna. Os elétrons e as lacunas são os principais portadores de carga nos se-
micondutores. Nos semicondutores, o número de portadores de carga é pequeno sua
condutividade é da ordem de 50x103 Ω/cm para o silício. O aumento da condutividade
dos semicondutores pode ser conseguido por meio de um processo chamado de dopagem,
no qual são introduzidos átomos de outros elementos, tambémchamados de impurezas.
Quando são introduzidas impurezas de átomos pentavalentes(valência 5) como o An-
timônio (Sb), o Fósforo (P) ou Arsênio (As), um dos elétrons da impureza não se liga aos
átomos do semicondutor e passa a constituir um elétron livre. Dessa maneira, consegue-se
aumentar substancialmente o número de elétrons livres do material e, consequentemente,
aumentar sua condutividade. O material formado desta maneira passa a ter um excesso
de elétrons livre e é chamado semicondutor extrínseco do tipo n. De maneira similar, se
forem introduzidas ao semicondutor extrínseco, impurezastrivalentes (valência 3), como
o Boro (B), o Gálio (Ga) e o Índio (In), o semicondutor passa a ter excesso de lacunas e é
chamado semicondutor extrínseco do tipo p.
Na junção de um material semicondutor do tipo p com um material semicondutor do
tipo n forma-se um campo elétrico devido aos elétrons que migram da região n para a
região p e lacunas que migram da região p para a região n e criamíons na região de
interface dos dois materiais. Dispositivos formados a partir de junções p-n apresentam
propriedades de conduzir só em um determinado sentido, constituindo dispositivos cha-
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 38
mados diodos.
O princípio de operação das células fotovoltaicas se baseiana absorção de energia
luminosa por um material semicondutor na forma de uma estrutura do tipo diodo, cons-
truída com uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material
tipo P (ver Figura 3.6). Ao incidir luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons incidentes
transferem energia para elétrons do material absorvente e se o valor da energia desses fó-
tons for maior do que a energia da função de trabalho dos elétrons, o fóton pode aumentar
o estado de energia do elétron ou mesmo liberar um elétron.
Luz
Jun
ção
PN (-)
(+)
Camada Tipo N
Camada Tipo P
Célula Fotovoltáica
Figura 3.6: Diagrama de uma junção PN operando como célula fotovoltaica.
Devido ao campo elétrico gerado pela junção P-N, os elétronssão orientados e fluem
da camada "P"para a camada "N". Por meio de condutores externos ligados às camadas P-
N ocorre a circulação de uma corrente devido ao fluxo de elétrons. A corrente elétrica que
flui através do dispositivo se mantém enquanto houver incidência de luz sobre a célula,
variando a sua intensidade proporcionalmente a esta incidência. Uma célula fotovoltaica
não armazena energia elétrica. Apenas mantém um fluxo de elétrons estabelecidos num
circuito elétrico enquanto houver incidência de luz sobre ela.
3.10 Modelagem do Módulo Fotovoltaico
Por se tratar de um dispositivo físico formado pela junção desemicondutores, as equa-
ções matemáticas que o descrevem são provenientes da físicaquântica e estão diretamente
relacionadas ao tipo de material, dopagem, temperatura, radiação e pressão atmosférica.
As equações que descrevem o modelo dos painéis solares são decaracterística não linear.
Os painéis solares são constituídos da associação série-paralela de células fotovoltai-
cas. Para o desenvolvimento da modelagem do painel solar, inicialmente é considerado
o modelo ideal de uma célula fotovoltaica. Este modelo é caracterizado pela associação
em paralelo de uma fonte de corrente com um diodo. A associação pode ser visualizada
na Figura 3.7. Neste caso, a célula fotovoltaica pode ser considerada basicamente como
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 39
um diodo semicondutor de junção p-n. A célula fotovoltaica ideal irá gerar uma corrente
proporcional a radiação. Na Figura 3.7 é indicado o sentido da corrente gerada pela in-
cidência de luzIpv. A dedução dos modelos matemáticos que se seguem está baseado no
trabalho de Villalva, Gazoli e Filho (2009).
Idipv
I
rs
rp
Célula PV ideal
Célula PV real
V
Figura 3.7: Circuito elétrico da modelagem do painel PV.
A lei matemática que descreve o comportamento físico dos diodos semicondutores, é
descrita por:
Id = Is(
eqvakt −1
)
(3.22)
no qual,Is é a corrente de saturação reversa,q é a unidade de carga elétrica (1,6x10−19
C), k é a constante de Boltzamann 1,38x10−23 J/K, T é a temperatura em kelvin ea é
uma constante relacionada ao tipo do material. A característica tensão corrente da célula
ideal é descrita por:
I = Ipv− Id (3.23)
I = Ipv− Is(
eqvakt −1
)
(3.24)
Modelando o circuito equivalente do módulo fotovoltaico ilustrado na Figura 3.7, tem-
se uma equação que descreve a curva característica do módulofotovoltaico:
I = Ipv− I0
[
exp
(
V +RsIVta
)
−1
]
−V +RsI
Rp(3.25)
no qual se tem:
Vt =NsKT
q, (3.26)
e
CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DE CONTROLE E MODELAGEM 40
Io = NpIcelula, (3.27)
SendoNs o número de células em série que constitui o painel solar,Np o número de
células em paralelo que constitui o painel solar eRs a resistência equivalente em série do
painel. A resistência série pode ser calculada pela soma dasdiversas resistências presentes
no dispositivo. Ela é basicamente dependente da resistência de contato do material, da
resistência entre as camadas p e n do semicondutor e da resistência da camada n com
o metal. Rp é a resistência equivalente em paralelo do arranjo. Essa resistência existe
devido as correntes que transitam entre as junções PN do material semicondutor, e são
diretamente associadas ao tipo de dopagem. Por apresentar valores de ordem elevada,
muitos autores a desconsideram.
Do ponto de vista operacional, normalmente os geradores de energia elétrica são clas-
sificados como fonte de corrente ou de tensão. Os módulos fotovoltaicos, por sua vez,
podem apresentar um comportamento híbrido. Dependendo do ponto de operação, estes
dispositivos podem operar como fonte de corrente ou de tensão. Caso o módulo esteja
operando como fonte de tensão, a resistênciaRs irá influenciar fortemente no seu desem-
penho. Caso o painel esteja operando em uma região que o caracterize como fonte de
corrente, este será fortemente influenciado pela resistência Rp.
3.11 Síntese do Capítulo
Neste capítulo foi apresentada em detalhes toda a estruturade controle do sistema
fotovoltaico. É apresentado o diagrama de blocos detalhadodo sistema de controle, assim
como o embasamento teórico que o envolve. São apresentadas ateoria das potências
PQ e explicada a estratégia do balanço de potência e rastreamento da máxima potência
(controle indireto das correntes).
Capítulo 4
Estudos de Simulação Desenvolvidos
O estudo de simulação é essencial para a caracterização do sistema real, sendo pos-
sível avaliar o comportamento deste sistema sob diversas condições de operação. Para
esse estudo foi utilizado o software PSIM. Este além de possuir ferramentas matemáticas
voltadas para a análise de eletrônica de potência, possui conexão com outros softwares
de aplicações industriais que poderão ser utilizados posteriormente para a implementação
física dos sistemas propostos. Toda a rotina de controle foiescrita usando a linguagem
de programação C++. As estruturas propostas são detalhadaspor um diagrama elétrico,
demonstrando a conexão dos estágios e a interconexão à rede elétrica.
4.1 Descrição do Sistema Simulado
A geração fotovoltaica foi simulada utilizando uma associação em série de 8 módulos,
totalizando uma potência de 2,2 kWp, o sistema é conectado a uma rede trifásica de
120 V que alimenta uma carga não-linear. O inversor de tensão, VSI (do inglês,Voltage
Source Inverter) trifásico é conectado ao PAC por meio de indutores de 1 mH. A tensão
nominal do barramento CC é 400 V. A carga não-linear é implementada por um retificador
trifásico, não controlado, que alimenta uma carga compostapor um indutor de L=30 mH
e um resistor de R= 10Ω. O diagrama elétrico pode ser visualizado na Figura 4.1. A
simulação foi executada com um período de amostragem de 100µs. As medições das
correntes e tensões são realizadas utilizando filtros passa-baixa de 2,5 kHz.
CAPÍTULO 4. ESTUDOS DE SIMULAÇÃO DESENVOLVIDOS 42
VSI
C
PAC
rg rslg ls
Boost
CC
CC
PV
va
vb
vc
rg rslg ls
rg rslg ls
n
V1VC
CC-CC CC-CA
SubstaçãoICCIPV
Ig1
Ig2
Ig3
Is1
Is2
Is3
Figura 4.1: Diagrama esquemático do sistema trifásico empregado nos estudos de simu-
lação.
4.2 Resultados de Simulação
Para caracterizar o fornecimento de potência do painel, é aplicada uma variação na
razão cíclica do conversorboost. A perturbação tem por objetivo exemplificar a variação
de potência fornecida pelo painel, e consequentemente a variação na corrente da rede
(Iesd).
Na Figura 4.2 é apresentado o gráfico da potência do painel durante a variação da
razão cíclica do conversor ser alterada de 0,5 para 0,51. Analisando o referido gráfico,
observa-se que o comportamento dinâmico da potência do painel se assemelha a uma
função de transferência de primeira ordem.
400
380
360
340
320
3001,95 2 2,05 2,1 2,15 2,2
Tempo (s)
420
440
Po
tên
cia
(W)
Figura 4.2: Gráfico da potência terminal do painel após variação da razão cíclica do
conversorboost.
CAPÍTULO 4. ESTUDOS DE SIMULAÇÃO DESENVOLVIDOS 43
Todo o processo é dinâmico, ou seja, a medida que o painel fornece maior potência,
a corrente que está sendo injetada no barramento CC se eleva eo controle do barramento
CC eleva a corrente de saída do inversor a fim de manter a tensãodo barramento constante.
Para obter uma equivalência no balanço de potência, caso a corrente do inversor se eleve,
a corrente da rede é reduzida. Esse efeito pode ser observadona correnteIesd da rede,
apresentado na Figura 4.3.
1,95 2 2,05 2,1 2,15 2,2Tempo (s)
1,9
1,8
1,6
1,7
1,5
1,4
2
2,1
Corr
ente
(
A)
1,2
1,3
1,1
Isde
Figura 4.3: Gráfico da corrente de eixo direto da rede no referencial síncrono.
A eficácia do algoritmo MPPT proposto foi verificada simulando uma variação brusca
na irradiância que incide no painel fotovoltaico. A irradiância passou de 300W/m2 para
1000W/m2 no instante t=20 s. Na literatura, observa-se que ao longo dodia, mesmo com
a passagem de nuvens, a irradiância não varia instantaneamente como imposto na simula-
ção (TINA; VENTURA; FIORE, 2012). Na Figura 4.4 apresenta-se o gráfico da potência do
painel durante a ocorrência da variação de irradiância.
0 5 10 15 20 25 30 35 40Tempo (s)
2500
2000
1500
1000
500
0
Maxima Potência para 300W/m²Irradiância (W/m²)Potência Fornecida pelo Painel
Maxima Potência para 1000W/m²
Potê
nci
a (W
)
Figura 4.4: Dinâmica da máxima potência do painel para variação brusca de irradiância.
O sistema fotovoltaico foi simulado para a condição em que a potência disponível do
CAPÍTULO 4. ESTUDOS DE SIMULAÇÃO DESENVOLVIDOS 44
painel consegue suprir apenas parte da demanda da carga. Para este caso é utilizado uma
carga linear de 60Ω e 5 mH. Os gráficos das correntes antes e após a conexão do sistema
são mostrados na Figura 4.5. Antes da conexão do sistema, as correntes da rede possuem
THD = 0%. Após a conexão do sistema, as correntes apresentaram um THD = 3,75%,
isto em grande parte, deve-se ao chaveamento do inversor de tensão. Para este caso, o
sistema injeta basicamente potência ativa à rede elétrica,pois a configuração de carga
utilizada, demanda baixa potência reativa (FP=0,99). Ainda em relação a Figura 4.5,
pode-se visualizar após a conexão do sistema uma redução nasamplitudes das correntes
da rede, pois parte das correntes na carga é então suprida pelo sistema fotovoltaico.
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2Tempo (s)
Co
rren
te (
A)
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
5
-5
Corrente da rede antes da conexãoCorrente da rede após conexão
THD= 3.75%
Figura 4.5: Sistema fotovoltaico fornecendo parte da demanda do sistema.
No instante t=20 s, o sistema fotovoltaico passa a suprir toda a demanda da carga
e injetar potência na rede elétrica. Esta condição de operação pode ser visualizada na
Figura 4.6 em que ocorre uma inversão nas fases das correntesda rede. Neste caso, o
painel injeta potência na rede e o fluxo de potência da rede inverte seu sentido.
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
5
-50 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2
Tempo (s)
Corrente ; Tensão1A/div, THD= 3,75% 100V/div
Corrente da rede antes da conexãoCorrente da rede após conexãoTensão no PAC
Figura 4.6: Sistema fotovoltaico fornecendo potência ativa para a rede trifásica.
CAPÍTULO 4. ESTUDOS DE SIMULAÇÃO DESENVOLVIDOS 45
O espectro de frequência das correntes da rede elétrica, após a conexão do sistema
fotovoltaico, é apresentada na Figura 4.7.
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Harmonico
Corr
ente
(A
)
Figura 4.7: Espectro de harmônicos da corrente fornecida à rede.
Para avaliar o desempenho do sistema quando a correção do fator de potência é re-
querida, foi inserida uma carga composta pela associação série de indutor (200 mH) e
resistor (20Ω). Antes da conexão do sistema o PAC apresenta fator de potência (FP) =
0,62 (indutivo). Após a conexão do sistema, houve compensação e o fator de potência
no PAC passa ser (FP) = 0,99 (indutivo), o que demonstra o funcionamento da proposta.
Na Figura 4.8 observa-se o deslocamento da corrente após a conexão do sistema. Após a
conexão do sistema fotovoltaico as correntes apresentam umTHD = 3,48%.
3
2
1
0
-1
-2
-30 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2
Corrente da rede antes da conexão Corrente da rede após conexão Tensão no PAC
Corrente ; Tensão1A/div, THD= 3,48%, PF=0,62, PF=0,99 100V/div
Tempo (s)
Figura 4.8: Sistema fotovoltaico compensando potência reativa.
O sistema também foi simulado com uma carga não-linear, composta por uma indu-
tância com 2 mH em série com um retificador trifásico, não controlado, que alimenta uma
carga (RL) de 10Ω e 30 mH. Na Figura 4.9 apresentam-se o gráfico da tensão do ponto
CAPÍTULO 4. ESTUDOS DE SIMULAÇÃO DESENVOLVIDOS 46
de acoplamento comum, da corrente da rede sem a conexão do sistema, e a corrente na
rede após a conexão do sistema fotovoltaico.
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1Tempo (s)
Corrente da rede antes da conexãoCorrente da rede após conexãoTensão no PAC
Tensão 100V/div; (sem compensação ) com compensaçãoCorrente ;20A/div, THD = 19,69%, THD ( ) =4,62%
3
2
1
0
-1
-2
-3
Figura 4.9: Sistema fotovoltaico compensando harmônicos na rede.
Antes da conexão do sistema fotovoltaico as correntes apresentavam THD = 19,69%.
A estratégia de controle proposta impõe uma corrente da redeelétrica quase senoidal,
com um conteúdo de harmônicos de THD = 4,62%, o que atende às restrições impostas
pelos padrões IEEE Std 519-1992 e IEC 61000. Na Figura 4.10 emque é apresentado o
espectro de frequência das correntes da rede, observa-se uma redução do conteúdo harmô-
nico. Verifica-se ainda a redução da componente fundamental, indicando que o sistema
fotovoltaico está inserindo potência ativa na carga.
35
30
25
20
15
10
5
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Harmonico
Sem compensaçãoCom compensação
Corr
ente
(A
)
Figura 4.10: Espectro de frequência das correntes da rede, após a conexão do sistema
fotovoltaico.
De acordo com a lei dos nós, para que exista a compensação de harmônicos na rede,
ou seja, que a rede deixe de fornecer harmônicos, o conversorCC-CA do sistema fotovol-
CAPÍTULO 4. ESTUDOS DE SIMULAÇÃO DESENVOLVIDOS 47
taico deverá fornecer os harmônicos demandados pela carga.Desta forma, as correntes
injetadas pelo conversor CC-CA são constituídas basicamente de harmônicos, para este
tipo de carga. Na Figura 4.11, apresenta-se o gráfico da corrente da carga superposta com
a corrente do conversor CC-CA e da rede, no ponto de acoplamento comum. A tensão no
PAC antes da conexão do sistema era puramente senoidal, com THD = 0%. Após a cone-
xão do sistema fotovoltaico, a tensão no PAC sofre uma pequena alteração, apresentando
THD = 1,0263%.
40
30
20
0
10
-40
-30
-20
-10
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1Tempo (s)
Corr
ente
(A
)
Corrente Conversor Corrente Carga Corrente Rede
Corrente 10A/div
Figura 4.11: Corrente do sistema fotovoltaico, corrente darede, e corrente na carga.
4.3 Síntese do Capítulo
Neste capítulo foi desenvolvido o estudo de simulação voltado ao método de rastre-
amento da máxima potência e da integração do sistema fotovoltaico a rede elétrica. São
realizados 5 testes com diferentes análises. Na Tabela 4.1 éapresentado um resumo dos
testes descritos, com as devidas configurações de sistema e condições de operação.
Tabela 4.1: Resumo da descrição dos testes.
Num Descriçao Carga Linear Carga N-Linear Irradiância
1 Validação do MPPT 60Ω e 5 mH - 300 e 1000 W/m2
2 Compensação de parte da demanda 60Ω e 5 mH - 300 W/m2
3 Injetar potência na rede 60Ω e 5 mH - 1000 W/m2
4 Compensando fator de potência 20 Ω e 200 mH - 300 W/m2
5 Compensando harmônicos - 10 Ω e 30 mH 600 W/m2
Capítulo 5
Resultados Experimentais
Em um sistema real, existem diversos fatores que não podem ser abordados em um
ambiente computacional. Por isso, a avaliação do comportamento do sistema diante de
perturbações não-modeladas, inerentes ao sistema elétrico, é extremamente importante
para a validação da estratégia de seguidores de máxima potência proposta neste trabalho.
Diante disso, serão apresentados nesse capítulo, resultados experimentais obtidos diante
da estratégia de controle, para a conexão do sistema fotovoltaico à rede elétrica. Também
são abordados, os resultados experimentais que demonstrama eficácia da estratégia de
controle indireta para determinação do ponto de máxima potência para o sistema fotovol-
taico.
5.1 Descrição do Sistema Experimental
Na Figura 5.1 é apresentado o diagrama unifilar simplificado do sistema fotovoltaico
implementado no Laboratório de Eletrônica de Potência e Energias Renováveis da Uni-
versidade Federal do Rio Grande do Norte (LEPER/UFRN)
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 49
VSI
C
PAC
rg rslg ls
Boost
CC
CC
PV
va
vb
vc
rg rslg ls
rg rslg ls
n
Medição de Grandezas
Processamento de Sinal
Rotina de Controle
Acionamento dos conversores
V1VC
V1 VC
Estrutura Física
TMS F28335
CC-CC CC-CA
Sensor Efeito Hall
CC-CC CC-CA
SubstaçãoICCIPV
Ig1
Ig2
Ig3
Is1
Is2
Is3
Is1 Is2 Is3
rl
ll
rl
ll
rl
ll
Figura 5.1: Descriçao da plataforma experimental.
Para a obtenção dos resultados experimentais, foi montada uma plataforma de 1 kWp,
composta pela associação em série de 4 módulos policristalinos de 245 Wp. O Painel é
conectado a um conversor CC-CC (boost) para elevar sua tensão de saída. Nesse mesmo
conversor é implementado o seguidor de máxima potência. O sistema é conectado à rede
elétrica por meio de um conversor CC-CA trifásico e uma impedância de acoplamento
de 2 mH. No ponto de conexão do conversor com a rede elétrica, há uma carga trifásica
composta por uma associação em série de resistor e indutor (r l =20 Ω e l l=30 mH). Em
paralelo a esta, há uma carga não-linear. A carga não linear écomposta por um retifica-
dor trifásico que alimenta uma carga RL, também composta pela associação em série de
resistor e indutor (60Ω e 30 mH).
A estratégia de controle foi implementada no DSP F28335 da Texas Instruments, com
intervalo de amostragem de 100µs, com isso, o PWM é modulado na frequência de
10 kHz.
As medições das grandezas de tensão e corrente são realizadas com o auxílio de sen-
sores de efeito Hall. O fundo de escala destes sensores são ajustados para que seja obtida a
maior relação sinal X ruído. Dentro da rotina de controle, ossinais de entrada são filtrados
através de um filtro digital passa-baixa ajustado em 2,5 kHz.Esses filtros são utilizados
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 50
para eliminar componentes harmônicos indesejáveis provenientes do processo de chave-
amento das fontes e da interferência elétrica gerada pelos conversores. Um detalhamento
dos componentes utilizados na plataforma experimental está descrito no Apêndice A.
5.2 Descrição dos Ensaios e Resultados Experimentais
No primeiro conjunto de resultados experimentais, são apresentados os ensaios refe-
rente a caracterização do painel fotovoltaico utilizado. Neste experimento, foram levan-
tadas as curvas de tensão X corrente do painel. As curvas foram obtidas variando o ponto
de operação do painel, ou seja, variando a razão cíclica do conversor CC-CC conectado
ao seu terminal. Para essa caracterização, a razão cíclica do conversor foi variada de 0,0 à
1,0 com um incremento de 0,01. Ao final de cada incremento, foram armazenadas as in-
formações referentes a tensão terminal do painel, correntede saída do painel e a corrente
da rede no referencial vetor tensão (iesd e iesq).
Após a obtenção das características do painel, os dados nominais do painel foram inse-
ridos no software PSIM para emular o comportamento do array.O modelo matemático foi
simulado para diversas condições de temperatura e irradiância. Determinar a temperatura
e a irradiância para que o sistema simulado tenha comportamento semelhante ao obtido
no ensaio experimental, determinaria, de forma aproximada, as condições experimentais
que o sistema foi submetido. A curva computacional que mais se aproxima ao resultado
experimental obtido é apresentada na Figura 5.2. Nesta figura, apresenta-se as curvas cor-
rente X tensão para painel, constituído por quatro módulo (YGE YL245P-29b) ligados
em série. As linhas tracejadas indicam o comportamento teórico do painel (obtidas com
auxílio do software). As linhas cheias referem-se ao comportamento experimental obtido
mediante o ensaio descrito anteriormente. Observa-se que as curvas cheias descrevem o
comportamento teórico esperado, pois se aproximam das linhas tracejadas.
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 51
0 25 50 75 100 125 150Tensão (V)
6
5
4
3
2
1
Corr
ente
(A
)
0
Computacional 650W/m² 45°CExperimentalComputacional 450W/m² 45°C
Experimental
Figura 5.2: Curva I x V do painel para duas condições diferentes de irradiância.
Na Figura 5.3 são apresentadas as curvas características depotência do painel fotovol-
taico obtidas com a mesma metodologia de ensaio empregada noexperimento anterior.
Como no caso anterior, é possível observar que as curvas de potência obtidas experi-
mentalmente, se aproximam das características nominais depotência do referido painel
fotovoltaico.
Computacional 650W/m²ExperimentalComputacional 450W/m²
Experimental
0 25 50 75 100 125 150Tensão (V)
600
500
400
300
200
100
Potê
nci
a (W
)
0
MPP para 650W/m²
MPP para 450W/m²
Figura 5.3: Curva de potência do painel para duas condições diferentes de irradiância.
Para a obtenção dos ensaios apresentados nas figuras 5.2 e 5.3, variou-se o ponto de
operação do painel, feito a partir da mudança da razão cíclica do conversor boost conec-
tado ao painel. Quando a razão cíclica é aproximadamente zero, o painel está trabalhado
próximo à tensão de circuito aberto. Já no caso em que a razão cíclica se aproxima do
valor unitário, o painel está trabalhado com a corrente de curto-circuito. Como a rela-
ção corrente x tensão do painel é não-linear, existe um pontode operação para o qual a
potência fornecida pelo painel fotovoltaico é máxima. A fim de caracterizar o forneci-
mento de potência deste, foi realizado um outro experimento, variando-se a razão cíclica
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 52
do conversor boost, com passo de 0,01, observando-se a sua potência de saída. Na Figura
5.4 é apresentado o resultado deste experimento para o painel fotovoltaico. Nesta Figura
pode-se observar que a condição de operação com máxima potência é atingida quando a
razão cíclica do boost é aproximadamente 0,72.
600
500
400
300
200
100
Potê
nci
a (W
)
00 0,1 0,2
Razão Cíclica0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 10,9
Figura 5.4: Gráfico da potência de saída do painel em função darazão cíclica do conversor
boost.
A estratégia de rastreamento de máxima potência (MPPT) proposta avalia o forne-
cimento de potência do sistema fotovoltaico de forma indireta, por meio da analise da
componente de eixo direto das correntes do PAC, referencialvetor tensão. A medida em
que o sistema fotovoltaico injeta uma maior quantidade de potência no sistema, a rede
elétrica diminui o fornecimento de potência ativa, o que corresponde a uma redução na
amplitude da corrente de eixo direto (iesd). Na Figura 5.5 é apresentado o comportamento
da correnteiesd, na medida que o sistema fotovoltaico aumenta gradualmenteseu forneci-
mento de energia.
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 53
0 100 200
Potência Painel (W)
300 400 500 600
12
11.5
11
10.5
I (A
)
10
12.5
Experimental
sde
Figura 5.5: Gráfico da corrente do eixo diretoiesd em função da potência de saída do
painel.
O levantamento das características dinâmicas dos módulos fotovoltaicos é de extrema
importância para o desenvolvimento do MPPT P&O. A partir do conhecimento destes da-
dos, procede-se à delimitação dos valores da razão cíclica do conversor CC-CC que cor-
respondem aos pontos da máxima transferência de potência dopainel fotovoltaico para
a rede. Para isso, foram realizados vários testes experimentais para diferentes condições
de irradiância. A partir destes testes foram delimitados limites inferior e superior para a
razão cíclica do conversor. Na Figura 5.6 são apresentados os resultados experimentais da
corrente de eixo diretoiesd em função da razão cíclica do conversor. Observa-se, na Figura
5.6, que o ponto de máxima potência (menor valor deiesd) situa-se em aproximadamente
D= 0,72. Quando não se impõe limites para a razão cíclica, o sistema pode se tornar instá-
vel. Isso é proveniente da não convergência do sistema para oponto de máxima potência.
Além disso, é necessário definir um valor de incremento que não gere interpretações errô-
neas. Para evitar essa situação, o incremento na razão cíclica deverá provocar alterações
satisfatórias no sistema, que permita determinar se a evolução do sistema converge ou não
para o ponto de máxima potência.
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 54
0 0,1 0,2
Razão Cíclica
0,3 0,4 0,5 0,70,6 0,8 0,9 1
12
11,5
11
10,5
I(A
)sd
10
12,5
e
Figura 5.6: Gráfico da corrente de eixo diretoiesd em função da razão cíclica do conversor.
A imposição de limites para a razão cíclica do conversor boost é proveniente de resul-
tados experimentais do comportamento do sistema, uma bateria de testes experimentais,
para diferentes condições de irradiância e temperatura do módulo, demonstram que os
valores da razão cíclica não ultrapassam os limites 0,62<D<0,95.
Os resultados obtidos anteriormente, demonstram que variação da razão cíclica do
conversor CC-CC altera o fornecimento de potência do painelfotovoltaicos à rede, assim
como diminui a componente do eixo diretoiesd. Para validar a estratégia de controle
da busca do máximo ponto de potência, é importante que a componente em quadratura
iesq não sofra alterações, quando a razão cíclica do conversor é alterada. Isso garante o
desacoplamento das variáveis utilizadas para o controle dapotência ativa e reativa. O
desacoplamento garante que toda a potência fornecida pelo painel seja injetada na rede
em forma de potência ativa, e explicaria a relação linear entre iesd e a potência de saída
do módulo, apresentada na Figura 5.5. Para verificar a condiçao de desacoplamento é
apresentado na Figura 5.7 o gráfico das componentes do eixo emquadratura (iesq) e direto
(iesd) quando a razão cíclica do conversor é alterada.
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 55
0 0,1 0,2Razão Cíclica
0,3 0,4 0,5 0,70,6 0,8 0,9 1
12
10
8
6A
4
14
2
0
-2
Isd
Isq
e
e
Figura 5.7: Gráfico das correntesiesd e iesq da rede, no referencial vetor tensão, para varia-
ção da razão cíclica do conversor.
Após analisar o comportamento do sistema fotovoltaico e definir os limites de atua-
ção do conversor, é implementada a estratégia de rastreamento MPPT P&O. Ela utiliza
uma abordagem diferente da convencional, em que as grandezas de tensão e corrente da
rede elétrica são utilizadas. A obtenção do ponto de máxima potência é feita de forma
indireta, baseada no balanço de potência do sistema. Na Figura 5.8 são apresentadas a
curva da corrente de eixo diretoiesd em função da razão cíclica do conversor ao longo de
100 segundos. Neste experimento, observa-se que em t= 47 s, acorrenteiesd é reduzida
em decorrência do acréscimo de irradiância, isso força o algoritmo de MPPT a rastrear o
novo ponto de operação, neste caso, incrementando a razão cíclica do conversor. Como
resultado indireto, tem-se um decremento do fornecimento de potência da rede.
Os valores deiesd apresentados na Figura 5.8 encontram-se normalizados.
1,051
0,95
0,9
0,85
0,75
0,550,6
0,650,7
0,8
20 30 40 60 70 80 90Tempo (s)
50 100
Razão Cíclica Boost
I da Rede Normalizadasde
Figura 5.8: Gráfico da corrente da redeiesd, no referencial vetor tensão e da razão cíclica
do conversor.
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 56
Uma vez caracterizado o painel fotovoltaico e realizados ostestes iniciais do MPPT
proposto, foi iniciada a definição de procedimentos para conexão do sistema fotovoltaico
à rede elétrica. Para que isso ocorra, é necessário identificar as condições de operação
da rede elétrica. Neste procedimento são identificados o valor da tensão e o ângulo do
vetor tensão do PAC. A implementação deste procedimento dura cerca de 0,5 s. Após
esse procedimento, o sistema de controle implementa a estratégia de conexão com a rede
elétrica. Na Figura 5.9 são apresentados os resultados experimentais da potência de saída
normalizada (Pbase= 650 W) e da razão cíclica do conversor, durante o procedimento de
conexão do sistema, com a rede elétrica. Pelos resultados obtidos, observa-se que no mo-
mento de conexão ocorre um transitório, decorrente da variação da tensão do barramento
CC. Isto retarda a atuação do MPPT proposto. Em aproximadamente 2,7 s. A partir deste
ponto, o MPPT converge para o ponto de máxima potência.
Razão Cíclica Conversor CC-CC
Potência de Saída Normalizada
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
00 0,5 1 2 2,5 3 3,5
Tempo (s)1,5 4 4,5 5
Figura 5.9: Gráfico da potência de saída do sistema e da razão cíclica do conversor, du-
rante o procedimento de partida.
Quanto a eficiência do algoritmo proposto, pode-se verificaratravés de ensaios com-
putacionais, e em plataforma experimental, que ambos os métodos apresentaram a mesma
eficiência, algo em torno de 97%. Na figura 5.10 é apresentada acomparação da di-
nâmica do método convencional e proposto, mediante ensaio experimental. Neste caso
observa-se que o algoritmo proposto apresenta uma maior velocidade de rastreamento do
ponto de máxima potência, uma vez que esse possui maior incremento da razão cíclica
do conversor. O método proposto demora 0,2 segundos, enquanto o método convencional
0,52 segundos. Em regime, porém,quando comparado com o método proposto, o método
convencional apresenta menor oscilação em torno do ponto demáxima potência. Essas
características fazem com que os métodos tenham rendimentos iguais.
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 57
0,74
0,70
0,62
0,66
0,54
0,58Proposto
Convencional
1,2 1,4
Tempo (s)
1,6 2,0 2,4 2,6 2,81,0
0,52s
0,2s
Figura 5.10: Comparação entre o método proposto e convencional.
Um último estudo é realizado para avaliar o desempenho do sistema para o caso de
sombreamentos parciais. Para realizar esse experimentos,um dos módulos fotovoltaico
foi completamente sombreado, o que influenciaria o rastreamento do ponto de máxima
potência. O desempenho do algoritmo proposto, pode ser visualizado na Figura 5.11.
Neste experimento, o sistema é iniciado na condição de sombreamento, em t=14,7 s o
sombreamento é removido, o algoritmo de rastreamento leva aproximadamente 1,3 se-
gundos para determinar o novo ponto de MPP. Em t=23 s, após o início do experimento,
o sistema é novamente sombreado, dessa vez, os módulos sofrem uma variação de irra-
diância, e após 3,2 segundos o algoritmo determina o novo ponto de MPP, demonstrando
assim, a eficácia do método proposto.
Razão Ciclica Conversor CC-CC
I da Rede Normalizadasd
Estabilização no MPP Estabilização
Perturbação / Sombreamento
1
0,9
0,5
0,6
0,7
0,8
0,3
0,4
10 12 14
Tempo (s)
16 18 20 22 24 26 28 30
e
Figura 5.11: Gráfico da correnteiesd e da razão cíclica durante o experimento de sombre-
amento.
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 58
5.3 Avaliação de Custo e Complexidade de Implementa-
ção
A utilização do método P&O indireto, baseado no balanço de potência do sistema,
surge como alternativa ao método P&O convencional, baseadona potência de saída do
painel. No P&O direto, existe a medição da tensão terminal e da corrente terminal por
meio de sensores. No método proposto, esses sensores não sãonecessários, o que impli-
caria na redução de custos.
A observação da variação da potência pode ser sentidas mais facilmente no método
convencional, do que no método indireto (proposto). Isso porque a leitura da corrente
do eixo direto, passa por duas transformações (123-αβ e αβ-dq). Além disso, os ruídos
na medição de corrente, presentes nas três fases se somam na componenteiesd. Quando
analisada a resposta de potência, o espúrio de ruído pode serinterpretado como incre-
mento/decremento da mesma. Para evitar que o ruído seja interpretado de forma errônea,
o incremento da pertubação no P&O indireto é maior que o convencional. Testes expe-
rimentais demostram que o valor do incremento no método P&O indireto deve ser no
mínimo 2 vezes maior que no método convencional.
A ocorrência de uma perturbação na razão cíclica do conversor altera o fornecimento
de potência do painel, gerando um incremento ou decremento na corrente do barramento
CC. Isso pode influenciar diretamente o índice de distorção harmônica das correntes da
rede elétrica. A otimização do incremento é essencial para aperformance da conexão do
sistema fotovoltaico, por esse motivo, tenta-se reduzir aomáximo a amplitude e frequên-
cia da pertubação. Testes experimentais demonstram que, ascorrentes da rede imposta
pelo sistema de controle, com o P&O convencional, possuem índice de distorção harmô-
nica menor que o proposto.
Em relação ao tempo de processamento, os métodos levam tempos semelhantes para
realizar as operações matemáticas. Quando analisado com o DSP F28335, da Texas Ins-
truments, o tempo total para o processamento do algoritmo convencional foi 0,64µs,
enquanto o tempo de processamento do proposto foi 0,75µs.
5.4 Conexão do Sistema
Nesta seção, são analisadas o comportamento das correntes da rede, antes e depois da
conexão do sistema fotovoltaico à rede elétrica. O experimento do sistema fotovoltaico foi
realizado para a condição que a potência disponível no painel consegue suprir apenas parte
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 59
da demanda da carga. Para isso utilizou-se uma carga linear composta pela associação RL
de 20Ω e 60 mH em paralelo com uma carga não-linear, composta por um retificador
trifásico de 60Ω 30 mH. Os gráficos das correntes antes da conexão do sistema são
mostrados na Figura 5.12.
Tempo (s)
Corr
ente
(A
)
1086420
-2-4-6-8
-10
0,07 0,06 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15
I =15,03%S1THD I =15,04%S2THD I =19,56%S3THD
Figura 5.12: Correntes da rede antes da conexão
Antes da conexão do sistema, as correntes da rede possuíam THD entre 15,03 e 19,56
%. Após a conexão do sistema, a distorção harmônica destas correntes foi reduzida para
um THD entre 4,2 e 5,2%. Para este experimento, o sistema entrega prioritariamente po-
tência ativa à rede elétrica, pois a configuração de carga demanda baixa potência reativa.
Ainda em relação a Figura 5.13, pode-se visualizar após a conexão do sistema uma redu-
ção nas amplitudes das correntes da rede, pois parte da cargaé então suprida pelo sistema
fotovoltaico.
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 60
Tempo (s)
Corr
ente
(A
)
8
6
4
20
-2-4
-6-8
2,86 2,88 2,9 2,92 2,94 2,96 2,98
I =5,18%S1THD I =4,21%S2THD I =5,01%S3THD
Figura 5.13: Correntes da rede apos conexão
Analisando-se os resultados apresentados na Figura 5.13, observa-se que a estraté-
gia de controle proposta impõe uma corrente da rede elétricaquase senoidal, com um
conteúdo harmônico máximo THD = 5,18 %. Isso se aproxima às restrições impostas
pelos padrões IEEE 519 e EN61000-3-4 (THD < 5 %). Na Figura 5.14 são apresenta-
dos os espectros de frequência para as correntes do PAC antese depois da conexão do
sistema, Neste resultado, pode-se observar a redução do conteúdo harmônico, após a en-
trada do sistema fotovoltaico. Além disso, verifica-se também a redução da componente
fundamental (primeiro harmônico), indicando que o sistemafotovoltaico esta inserindo
potência ativa na carga.
10
9
8
7
6
5
4
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Harmonico
Sem compensaçãoCom compensação
3
2
1
Figura 5.14: Comparativo do espectro de frequência das correntes da rede, após a conexão
do sistema fotovoltaico.
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 61
Na tabela 5.1 tem-se um resumo descritivo dos resultados experimentais obtidos.
Tabela 5.1: Resumo da descrição dos experimentos.
Num Descriçao Carga Linear Carga N-Linear Irradiância
1 Caracterizaçao do sistema 20Ω e 30 mH 60Ω e 30 mH 650 e 450 W/m2
2 Validação do MPPT 20Ω e 30 mH 60Ω e 30 mH -
3 Conexão do sistema fotovoltaico na rede20 Ω e 30 mH 60Ω e 30 mH -
5.5 Síntese do Capítulo
Neste capítulo foram apresentados os resultados experimentais desenvolvidos em la-
boratório. Foi implementada uma plataforma trifásica em escala reduzida, para o de-
senvolvimento de estudos voltados ao método de rastreamento da máxima potência e da
integração do sistema fotovoltaico à rede elétrica.
Capítulo 6
Conclusões
O presente trabalho apresentou o panorama geral da energia fotovoltaica no Brasil e
no mundo. São descritos os principais rastreadores de máxima potência empregados na
atualidade, o principio de operação, a modelagem dos painéis fotovoltaicos e a estratégia
de controle empregada. Resultados de simulação são desenvolvidos a fim de viabilizar
o desenvolvimento do experimento. São apresentados resultados experimentais em um
protótipo de laboratório com escala reduzida. Neste experimento, a estratégia proposta
foi comparada com a estrutura convencional de rastreamentoda máxima potência (P&O).
O controle proposto, para o rastreamento de máxima potência, está baseado no ba-
lanço de potência do sistema, permitindo a conexão dos painéis solares à rede elétrica
trifásica ou monofásica. A estratégia empregada disponibiliza para a rede a máxima po-
tência gerada nestes dispositivos, através do seguidor de máxima potência dos painéis.
As teorias que envolvem a análise conceitual do trabalho sãodescritas e estão citadas
nas referências bibliográficas. As correntes de referências da rede elétrica são geradas
segundo o referencial vetor tensão pelo controlador de tensão do barramento CC, baseada
no balanço de potência ativa. As correntes da rede são reguladas indiretamente por um
controlador de dupla sequência, selecionado por sua confiabilidade e robustez. O contro-
lador é regido pelo o princípio do modelo interno da senóide,aplicado para a obtenção de
erro nulo em regime permanente e evitar transformação de referencial.
Resultados experimentais demonstraram que a estratégia decontrole proposta tem a
capacidade de realizar o rastreamento da máxima potência com um número reduzido de
sensores, o que poderá acarretar em um menor custo efetivo deimplementação. O sistema
proposto também pode regular o fornecimento da potência ativa demandada pela rede,
compensar harmônicos e corrigir o fator de potência no pontode acoplamento comum,
sem a utilização de esquemas para detecção de harmônicos. Osníveis harmônicos da
tensão e corrente para essa situação estão de acordo com normas internacionais como a
IEEE Standard 1531-2003, que recomenda níveis de THD inferiores a 5% no ponto de
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES 63
acoplamento comum.
O MPPT é controlado de forma indireta, com base nas correntesda rede, tornando
todos os módulos sujeitos a mesma condição imposta pelo seguidor de máxima potên-
cia. A estratégia de rastreamento indireto, proposta nessetrabalho, se mostra eficiente
e possibilita a redução de custo do equipamento. Apesar do método P&O ser classifi-
cado como método direto (2), tornam-se indispensáveis as características do painel para
a otimização do rastreamento. Com isso, pode-se obter menores variações do incremento
da perturbação, otimizar o tempo de busca e reduzir o THD das correntes no ponto de
acoplamento comum. O sistema proposto ainda não possibilita uma flexibilização da po-
tência fornecida pelo painel. Porém a sua adequação para usoem sistemas que tenham
essas características pode ser feita sem grande complexidade.
6.1 Sugestões para Trabalhos Futuros
Para a continuidade do trabalho, são especificados alguns pontos que podem gerar
discussões e contribuições cientificas interessantes paraa literatura. Os tópicos foram ela-
borados com base na tendência observada na revisão bibliográfica e no comparecimento
a congressos da área de eletrônica de potência e energias renováveis.
• Estudos relacionados a flexibilização de potência;
• Estudos de viabilidade com respeito ao custo de implementação, tempo de proces-
samento e flexibilidade da implementação de controles modernos à estrutura P&O;
• Estudos das condições de ilhamento, configuração e conexão do sistema fotovol-
taico em caso de saída;
• Utilização de novas topologias de conversores.
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p. 124–129.
Apêndice A
Informações adicionais
A.1 Descrição dos Componentes Experimentais
Para o desenvolvimento do trabalho foi montada uma plataforma experimental de
aproximadamente 1 kW no Laboratório de eletrônica de potência e energias renováveis
(LEPER/UFRN). Foram instalados 4 módulos fotovoltaico de 245 W. Os módulos foram
comprados a empresa EUDORA SOLAR, modelo YGE YL245P-29b. NaFigura A.1
pode-se observar os módulos conectados em série.
Figura A.1: Array Fotovoltaico.
A bancada experimental que interliga os módulos à rede elétrica, é composta por um
APÊNDICE A. INFORMAÇÕES ADICIONAIS 69
inversor trifásico, um inversor monofásico ponte H (configurado comoboost), 4 senso-
res de efeitohall para medir corrente (LAH 25NP), 3 sensores de efeitohall para medir
tensão (LV 20P), placas de condicionamento de sinal para acionar os inversores, fontes
chaveadas para alimentar os circuito, disjuntores e contactores para proteção e automação
do sistema, dsp F28335 da Texas Instrumentes e um PC com sistema operacional Win-
dows. Esses componentes estão dispostos na bancada visualizada na Figura |reffig-02.
Figura A.2: Bancada.
Os indutores e resistores são mantidos dentro do armário denominado quadro de carga.
As cargas são projetadas para correntes nominais elevadas,sendo necessário o uso de
exaustores que garantem a retirada de ar quente. São utilizados contactores e disjuntores
para a automação e proteção do sistema, permitindo experimentos de variação de carga,
simulação de faltas automatizados. Na Figura A.3 pode-se visualizar o quadro de carga.
APÊNDICE A. INFORMAÇÕES ADICIONAIS 70
Figura A.3: Carga Linear e não-linear