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, corrente de saída do painel e a corrente da rede no referencial vetor tensão (ie
sd 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 75 100 125 150 Tensão (V) 6 5 4 3 2 1 Corrente (A) 0 Computacional 650W/m² 45°C Experimental Computacional 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 de potência do painel fotovol- taico obtidas com a mesma metodologia de ensaio empregada no experimento anterior. Como no caso anterior, é possível observar que as curvas de potência obtidas experi- mentalmente, se aproximam das características nominais de potência do referido painel fotovoltaico. Computacional 650W/m² Experimental Computacional 450W/m² Experimental 0 25 50 75 100 125 150 Tensão (V) 600 500 400 300 200 100 Potência (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 ponto de 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 Potência (W) 0 0 0,1 0,2 Razão Cíclica 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Figura 5.4: Gráfico da potência de saída do painel em função da razão 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, referencial vetor 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 (ie
sd). Na Figura 5.5 é apresentado o comportamento
da corrente ie
sd, na medida que o sistema fotovoltaico aumenta gradualmente seu forneci-
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 sd e
Figura 5.5: Gráfico da corrente do eixo direto ie
sd 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 do painel 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 direto ie
sd em função da razão cíclica do conversor. Observa-se, na Figura
5.6, que o ponto de máxima potência (menor valor de ie
sd) 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 o ponto 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 0,6 0,7 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 direto ie
sdem 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 painel fotovoltaicos à rede, assim como diminui a componente do eixo direto ie
sd. 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 da potência 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 ie
sd 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 em quadratura (ie
sq) e direto
(ie
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 55 0 0,1 0,2 Razão Cíclica 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 12 10 8 6 A 4 14 2 0 -2 Isd Isq e e
Figura 5.7: Gráfico das correntes ie
sd e iesqda 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 direto ie
sd em função da razão cíclica do conversor ao longo de
100 segundos. Neste experimento, observa-se que em t= 47 s, a corrente ie
sd 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 de ie
sd apresentados na Figura 5.8 encontram-se normalizados.
1,05 1 0,95 0,9 0,85 0,75 0,55 0,6 0,65 0,7 0,8 20 30 40 60 70 80 90 Tempo (s) 50 100
Razão Cíclica Boost
I da Rede Normalizadasde
Figura 5.8: Gráfico da corrente da rede ie
sd, no referencial vetor tensão e da razão cíclica
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 56
Uma vez caracterizado o painel fotovoltaico e realizados os testes 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 0 0 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 verificar através 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 a comparação 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 de máxima 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 0,58 ConvencionalProposto 1,2 1,4 Tempo (s) 1,6 2,0 2,4 2,6 2,8 1,0 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 corrente ie
sd e da razão cíclica durante o experimento de sombre-
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 58