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 Observação Tra-
dicional
Para rastrear o ponto de máxima potência do módulo, o sistema de 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
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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 fornecimento de potência proveniente do painel.
Micro controlador Estrutura Física
Duty cicle
Micro controlador Estrutura Física
Duty cicle
Micro controlador Estrutura Física
Duty cicle Perturbação Perturbação Perturbação PWM PWM PWM + - + - + - Boost Boost Boost Painel Painel Painel PI PI IPainel Vpainel Vref 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 é não-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. Desta forma, 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 da Perturbação Incremento da Perturbação Análise da Potência Análise da Potência A potência Aumentou? A potência Aumentou? Sim Sim Não 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 algoritmo é denominado perturbação e observação convencional. Caso a perturbação seja inserida na 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 controle interna, 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 painel fotovoltaico. 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 sistema com 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 condição de 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, provém simultaneamente 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 fotovoltaico ter potência suficiente para alimentar a carga e ainda injetar potência na rede elétrica (caso 4).
PV CargaRed e PV CargaRed e PV CargaRed e PV Car ga Red e Potência injetada
1º Caso 2º Caso 3º Caso 4º Caso
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.
Transformada 123-dq Sensor Is1 Vs MPPT Isd PWM Conversor CC-CC d Processamento de sinal e Is2 Is3
Figura 2.13: Diagrama de blocos do MPPT proposto
De acordo com a Figura 2.13 o controle de MPPT atua minimizando a componente
Isde 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.