Conversor Boost

O dimensionamento de todos os componentes constituintes deste conversor foi feito com base na análise teórica feita na secção 2.2.1, e de acordo com as

características e configuração do conjunto de 18 painéis solares fotovoltaicos parametrizados no subcapítulo 3.1.

Pretende-se dimensionar um conversor Boost com as seguintes características: 



 

 Assumindo-se um circuito ideal e portanto sem perdas, : o

O cálculo do valor de duty-cycle é feito através da relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada expressa pela equação 3.1:

(3.1)

A bobina deve ser dimensionada de forma a garantir que o conversor Boost funcione no modo de condução contínua. Para isso, o cálculo do valor da indutância mínima da bobina na qual o conversor funciona no modo de condução contínua é feito através da igualdade da corrente mínima na bobina a zero. A bobina terá então que ter um valor de indutância maior ou igual ao valor dado pela equação 3.2:

(3.2)

Assumindo que o valor máximo do ripple na tensão de saída seja de 1% ( ), o valor da capacidade mínima do condensador é calculada pela equação 3.3:

(3.3)

Seguidamente será feita a simulação computacional ao conversor Boost dimensionado para análise do seu comportamento, estando o modelo e o seu sistema de controlo em malha aberta, simulado no PSIM, representado na Figura 3.4.

Figura 3.4 – Conversor Boost implementado no PSIM

O modelo simulado é alimentado pelo conjunto de 18 painéis solares fotovoltaicos ligado em série, com 307,8V, sendo esta tensão elevada para 400V à saída do conversor Boost. O valor da bobina usado nas simulações foi de 500µH e o condensador com valor igual a 10µF, sendo que estes valores são superiores aos valores mínimos calculados para que o conversor Boost funcione no modo de condução contínua. O valor da carga resistiva é de 150Ω. Foi usado um MOSFET como semicondutor de potência que comuta com uma frequência de 25kHz e um duty-cycle de 23%. Da simulação, resultaram as formas de onda apresentadas em seguida, que permitem avaliar o comportamento do conversor.

Na Figura 3.5, estão representadas as formas de onda da tensão de entrada ( ) e da tensão de saída ( ) do conversor Boost. Tal como esperado, o conversor eleva a tensão de entrada no valor de 307,8V para os 400V na saída.

Figura 3.5 – Tensão de entrada ( ) e tensão de saída ( ) do conversor Boost

A Figura 3.6, representa o ripple na tensão de saída do conversor Boost, o qual se verifica que está abaixo de 1% tal como estava previsto. Já na Figura 3.7, está representada a forma de onda da corrente na saída do conversor.

Figura 3.6 – Ripple na tensão de saída ( ) do conversor Boost

Na Figura 3.8, está representa a forma de onda da corrente na bobina. Pela observação desta, é possível verificar que o conversor Boost funciona realmente no modo de condução contínua pois a corrente na bobina é sempre superior a zero.

Figura 3.8 – Corrente na bobina

De forma a poder ser escolhido um MOSFET que melhor se adeque às necessidades do projeto, a observação das ondas da tensão drain-source ( ), representada na Figura 3.9(a) e da corrente de drain ( ), representada na Figura 3.9(b), torna-se fundamental.

Assim, pela análise de ambas as formas de onda da Figura 3.9, verifica-se que o MOSFET deve suportar uma tensão superior a 400V e uma corrente de drain superior a 6A.

O sinal de controlo do MOSFET (PWM), representado na Figura 3.10(b), resulta da comparação dos sinais e representados na Figura 3.10(a). Sempre que

, na saída do comparador irá sair um sinal que irá ativar a gate do MOSFET, entrando este em condução. Quando , na saída do comparador não sairá nenhum sinal, desativando a gate do MOSFET, deixando este de conduzir.

Figura 3.10 – (a) Comparação entre a onda triangular ( ) e a tensão de controlo ( ) (b) Sinal PWM gerado pela comparação da onda triangular ( ) e da tensão de controlo ( )

3.3 Maximum Power Point Tracking (MPPT)

O MPPT é um método de controlo para que o conversor Boost seja capaz de otimizar a extração de energia produzida pelos 18 painéis, colocando-os a operar no ponto de máxima potência. A Figura 3.11, mostra o conversor Boost implementado no PSIM, com o seu respetivo controlo. O MPPT usa o algoritmo da Perturbação & Observação (P&O), que vai gerar um sinal de controlo ( para posteriormente ser comparado com uma onda triangular ( ) gerando assim o sinal de PWM correspondente.

Figura 3.11 - Conversor Boost implementado no PSIM com MPPT

O bloco MPPT tem como entradas o valor da corrente gerada pelo conjunto de 18 painéis solares ( ), assim como o valor da tensão aos terminais desse conjunto ( ). Através dos cálculos efetuados pelo algoritmo P&O é então gerada uma tensão de controlo ( que ao ser comparada com uma onda triangular, gera um sinal de PWM que comuta o semicondutor de potência de forma a permitir ao conversor Boost otimizar a extração de energia produzida pelo conjunto de painéis. O modelo do painel solar usado nas simulações no PSIM, indica qual a máxima potência gerada pelo conjunto de painéis através de . Desta forma, para confirmar se o MPPT acompanha o ponto de máxima potência, fez-se variar a radiação incidente entre e tal como representado na Figura 3.12, e verificar se as potências de entrada ( ) e de saída ( ) do conversor Boost acompanham a máxima potência gerada pelo conjunto de painéis ( ). Tal como mostra a Figura 3.13, pode-se concluir então que o sistema de controlo está a rastrear o ponto de máxima potência do conjunto de painéis solares, pois a potência de entrada assim como a potência de saída do conversor acompanham a máxima potência gerada.

Figura 3.12 – Valor da radiação solar incidente no conjunto de 18 painéis solares fotovoltaicos

Figura 3.13 – Formas de onda da máxima potência gerada pelos painéis ( ), da potência de entrada ( ) do conversor Boost e da potência de saída ( ) do conversor Boost

Na Figura 3.14, está representada a tensão de controlo ( ) gerada pelo algoritmo da P&O do MPPT, que é depois comparada com uma onda triangular com amplitude igual a 492V, para gerar o sinal de PWM.