CONTROLE DO INVERSOR

O controle é feito utilizando as duas malhas em cascata, ou seja, uma malha interna e uma malha externa. A malha interna é responsável por controlar a corrente no indutor de saída e deve apresentar uma dinâmica rápida para impor o seguimento de uma onda senoidal. A malha externa faz o controle da tensão no barramento CC na entrada do inversor, e deve apresentar uma dinâmica mais lenta, pois resulta em uma referência para o controle de corrente.

Figura 30 – Diagrama de blocos do controle em cascata.

Como pode ser visto na Figura 30, o controle é feito a partir de um valor de referência de tensão 𝑣_!!*. O 𝑣_!!* é comparado com o valor lido de tensão no barramento CC 𝑣_!!, produzindo um erro que é controlado por um controlador proporcional-integral (PI). O sinal controlado passa a ser a amplitude da corrente de referência 𝑖!*, a qual é multiplicada por

seno e é comparada com a corrente no indutor. O erro gerado por essa comparação é controlado e gera o sinal de controle para a geração do PWM.

O controle mais simples que pode ser utilizado para este sistema é o controlador PI. Porém, para o controle da corrente de saída este controlador não é o mais adequado por ser um controle para variáveis contínuas. Portanto, a adição de um controlador ressonante seria mais apropriado.

O controlador proporcional P é utilizado para diminuir o erro no regime permanente, porém o erro nunca é anulado por completo. Quando o ganho deste controlador é muito alto pode levar o sistema a instabilidade. Já o termo integral I elimina o erro no regime permanente, porém faz com que o sistema se torne mais lento. Normalmente é utilizado

PI

PI

v

*

v

i

*

PWM

i

juntamente com um controlador do tipo P. Em um controlador PI, o ganho 𝐾_! interfere na rapidez da dinâmica do controle, enquanto o ganho 𝐾_! reduz o erro.

4 PROJETO DO INVERSOR

Neste capítulo, são apresentados o projeto do circuito de potência, incluindo o valor da capacitância do barramento CC e a seleção do filtro de saída. Também são abordados os parâmetros do controle de corrente e tensão de barramento do inversor.

4.1 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO

No projeto do sistema fotovoltaico a configuração em string foi considerada, sendo onze painéis KB255-6BCA/6BPA da Kyocera (Kyocera, 2016) conectados em série. Na Tabela 6, são mostrados os parâmetros do painel fornecidos pelo fabricante. Os painéis fotovoltaicos foram considerados operando sempre no ponto de máxima potência na condição de 1000W/m2 a 25ºC.

Tabela 6 – Parâmetros painel KB255-6BCA/6BPA da Kyocera.

Parâmetros Valores

Potência máxima (𝑃!"#) 255 W

Tensão de máxima potência (𝑉!") 30,8 V

Corrente de máxima potência (𝐼_!") 8,28A Tensão de circuito aberto (𝑉_!") 38,0 V Corrente de curto-circuito (𝐼!") 8,83 A

O inversor é alimentado pela string de onze painéis fotovoltaicos e conectado à rede, os valores dos parâmetros para projeto do inversor encontram-se descritos na Tabela 7.

Tabela 7 – Especificações de projeto dos componentes passivos .

Parâmetro Valores

Tensão eficaz da rede (𝑉!"#") 220 V

Frequência da rede (𝑓_!"#") 60 Hz Tensão do barramento CC (𝑉_!!) 338,8 V

Potência de saída (𝑃_!) 2805,5 W Frequência de chaveamento(𝑓_!) 12 kHz

O índice de modulação de amplitude foi considerado 0,917, considerando que a mínima tensão no barramento é de 338,8 V para obter-se uma tensão de pico na saída igual a 311 V.

4.2 CIRCUITO DE POTÊNCIA

A partir das especificações do sistema PV, são projetados os componentes do circuito de potência, incluindo indutor de saída, capacitor do barramento CC.

4.2.1 Capacitor barramento CC

O capacitor do barramento CC deve considerar a máxima ondulação de tensão neste ponto, que para este projeto foi considerada de 1%. A capacitância foi calculada através da equação ( 18 ) (Mattos, 2011).

𝐶_!! = 𝑃!

4 ∙ 𝜋 ∙ 𝑓_!"#"∙ ∆𝑉_!!,!"# ∙ 𝑉_!! ( 18 )

Para os valores de projeto especificados anteriormente, o valor de capacitor encontrado é de aproximadamente 3,3 mF.

4.2.2 Filtro do inversor

O indutor de saída considera um valor máximo de ondulação na corrente de saída. Como especificado, a ondulação máxima é de 10% da corrente de pico. A equação ( 19 ) define o valor de indutor para a modulação bipolar, e a equação ( 20 ) para modulação unipolar (Mattos, 2011).

𝐿 = 𝑉!!

2 ∙ ∆𝑖_!,!"#∙ 𝑓_! ( 19 )

𝐿 = 𝑉!!

4 ∙ ∆𝑖_!,!"#∙ 𝑓_! ( 20 )

Para os valores especificados o valor do indutor para a modulação unipolar é de 3,9 mH, e para modulação bipolar 7,8 mH.

O indutor na saída (L) do inversor, deve ser dividido em dois (L1+L2), sendo que um é conectado na fase e o outro no neutro. Como mostrado no Capítulo 2, sobre corrente de

corrente de modo diferencial (corrente injetada na rede), a divisão dos indutores não tem influência, pois a corrente passa pelos dois indutores. Porém quando se observa a corrente de modo comum (corrente de fuga), tem-se que metade da corrente passa pela fase e a outra metade passa pelo neutro, ou seja, é a soma das correntes que fluem pelos dois indutores. Então a posição dos indutores interfere na corrente de fuga.

4.3 CONTROLE DO INVERSOR

Na Figura 31, é ilustrado o esquema de controle de corrente de saída e tensão de entrada. Além dessas variáveis, podem ser implementados algoritmos de MPPT e técnicas de sincronismo com a rede, porém este trabalho considerou que o painel opera sempre no seu ponto de máxima potência, e a corrente injetada pelo inversor está em fase com a tensão da rede.

Figura 31 – Diagrama do conversor conectado à rede com controle.

O controle implementado utiliza um modelo simplificado que controla em cascata a tensão do barramento CC e a corrente de saída do inversor. A partir do controle da tensão pode-se regular a amplitude de corrente que o inversor injetará na rede. Dessa forma, quando a corrente do PV é injetada no barramento CC, esse tenderia a aumentar o valor de tensão. Como o barramento é controlado, a corrente do PV passará a ser convertida pelo inversor e injetada diretamente na rede. Esse controle é largamente utilizado, pois opera constantemente na máxima potência do PV, além de ser um controle mais rápido, no qual deixa a tensão do PAC ser controlada pela própria rede (Gehrke, 2016).

Como os valores da amplitude de corrente dependem do erro da tensão no barramento CC, os ganhos foram definidos a partir da variação de erro em cima da tensão no barramento.

CC CA

Controlador

PWM

Considerando que a tensão no barramento varia 1%, a variação fica ±1,7V. Já a variação de corrente considera a parte CA do sistema, a qual pode ser calculada quociente da potência do PV pela tensão, resulta em ±12,8V. Dessa forma, o valor do ganho proporcional é 𝐾!=12,8/1.7=7,5. Para a constante de tempo do controle de corrente considera-se a frequência

de chaveamento, ou seja, 𝑇_!=1/120000=0,000083. Assim, a corrente tem uma resposta rápida, dependendo de cada passo de cálculo.

O controle de tensão deve ser mais lento, pois tem nível CC, sendo que toda a variação é refletida na amplitude de corrente. Inversamente ao controle de corrente, no controle de tensão, a relação da variação de corrente e tensão foi utilizada, 𝐾_!=1,9/12,8=0,15. Enquanto a constante de tempo, deve ser menor que a frequência da corrente de saída de 60Hz, para que a corrente responda corretamente a variação da amplitude, dessa forma 𝑇_!=1/20=0,05.

5 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO

Neste capítulo, serão feitas comparações entre as duas modulações apresentadas no Capítulo 2 para o conversor ponte completa. Para isso será utilizado o software computacional PSIM.

Através das simulações é possível avaliar os efeitos das modulações na tensão de modo comum, na corrente de fuga e corrente injetada na rede.

5.1 ESPECIFICAÇÕES DE SIMULAÇÃO

Os parâmetros de simulação considerados seguem descritos na Tabela 8. Para todas as simulações, considerou-se que os painéis operam em máxima potência. Os parâmetros utilizados no controlador foram os obtidos no Capítulo 4. Como as influências das capacitâncias parasitas (𝐶_!) são analisadas, adotaram-se três valores distintos para análise: 10nF, 100nF e 200nF. Na Figura 32, é apresentado o esquema utilizado para as simulações.

Tabela 8 - Parâmetros de simulação.

Parâmetro Valor

Tensão eficaz da rede (𝑉_!"#") 220 V Frequência da rede (𝑓_!"#") 60 Hz Frequência de chaveamento(𝑓!) 12 kHz Tensão barramento (𝑉_!!) 338,8 V Potência de saída (𝑃!) 2805,8 W Indutância do Filtro 𝐿 (𝐿_! + 𝐿_!) 3,9 mH Capacitância do barramento (𝐶_!!) 3,3 mF

Figura 32 – Esquema elétrico de simulação

A B S1 S2 S3 S4 L1 L₂ Cp

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