Estado da arte

A literatura tem apresentado avanços e novas soluções para a estratégia de controle do conversor VSC multifuncional conectado à rede elétrica, como o sistema FV-FAP. Os avanços são dados principalmente nas técnicas de MPPT e de geração das correntes de referências para compensação dos harmônicos de corrente da carga.

Nos sistemas FV-FAP com topologia de estágio único, apenas técnicas convencionais de MPPT foram empregadas, sendo analisadas apenas em condição de sombreamento uniforme (USC). Chandra et al. (2017) e Beniwal, Hussain e Singh (2019) utilizaram o algoritmo Incremental Conductance. O algoritmo Perturb & Observe é o algoritmo mais utilizado quando a topologia de estágio único é adodata (AGARWAL; HUSSAIN; SINGH, 2017; BENIWAL; HUSSAIN; SINGH, 2018; DEVASSY; SINGH, 2018; JAIN; SINGH, 2019; PRADHAN et al., 2019; TUYEN; FUJITA, 2015). Estes algoritmos são eficientes para rastrear o MPP quando o sistema FV está em sombreamento uniforme, porém podem ficar presos em algum ponto de operação que não seja o máximo global (GMPP) quando há ocorrência de sombreamento parcial, desta forma, pode ocorrer desperdício da capacidade de geração FV. Nestes trabalhos citados, o arranjo FV foi dimensionado para que a tensão do ponto de máxima potência (VMPP) teórica coincida com a tensão do barramento CC do VSC (VDC). Assim, não há uma ampla varredura em VDC para executar o MPPT.

A estratégia de controle para gerar as correntes de referência do VSC tem impacto determinante no desempenho da filtragem ativa de harmônicos de corrente do FV-FAP. Várias técnicas para gerar as correntes de referências do FV-FAP foram utilizadas, como: a teoria das potências instantâneas (Teoria p-q) (AKAGI; WATANABE; AREDES, 2006; SHAH; RAJAGOPALAN, 2016; TUYEN; FUJITA, 2015; YAHIA; HIND; RACHID, 2012);

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synchronous reference frame theory (SRF) (BENIWAL; HUSSAIN; SINGH, 2018;

DEVASSY; SINGH, 2018); lattice wave digital filter (LWDF) (KUMAR; SINGH, 2018); esquemas com controle adapdativo (CHANDRA et al., 2017); character of triangle function (CTF) (AGARWAL; HUSSAIN; SINGH, 2017); volterra filter (BENIWAL; HUSSAIN; SINGH, 2019); modified decorrelation normalized least mean square (DNLMS) (JAIN; SINGH, 2019; PRADHAN et al., 2019); algoritmo baseado em filtros passa-baixa (LIN et al., 2018), robust extended complex kalman filter (RECKF) (RAY; DAS; MOHANTY, 2018); o

leaky least logarithmic (LLL) (KUMAR et al., 2019; KUMAR; SINGH; PANIGRAHI, 2019).

As estratégias mais recentes de geração das correntes de referências buscam melhorar o desempenho de Filtros Ativos principalmente na presença de cargas desequilibradas ou fontes assimétricas, porém, com o custo de aumentar a complexidade da implementação. A Teoria p-

q ainda é a estratégia mais utilizada e difundida por ser simples e eficaz em gerar as correntes

de referência.

Para controlar a corrente e gerar os comandos de chaveamento dos sistemas FV- FAP já propostos, em todos os sistemas FV-FAP apresentados na literatura citada foi utilizado o controlador de corrente por histerese.

1.2 Objetivo

O principal objetivo deste trabalho é o estudo e o desenvolvimento de estratégias de controle para o sistema FV-FAP, que integra as funções de geração distribuída e de compensação da potência reativa e de harmônicos de corrente da carga. As principais contribuições deste trabalho são:

a) Desenvolvimento do FV-FAP com topologia de estágio único considerando a ocorrência de sombreamento parcial (PSC);

b) Proposta de um novo algoritmo de GMPPT para o FV-FAP com topologia de estágio único que estima a localização dos possíveis MPPs e verifica qual deles produz maior potência, em seguida realiza uma busca precisa com o algoritmo Perturb & Observe, ao mesmo tempo detecta variações nas condições de irradiação para refazer o rastreamento;

c) Dimensionamento da faixa em que a tensão do barramento CC do VSC pode ser variada; d) Implementação do Modo Noturno no FV-FAP;

e) Implementação do controlador de corrente por histerese com banda adaptativa no FV- FAP para gerar os comandos de chaveamento do VSC, reduzindo a variação da frequência de chaveamento, a DHT da corrente e a interferência entre as fases.

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Dentre outros objetivos do trabalho pode-se citar: a) Formação de recursos humanos na área;

b) Estudo do modelo matemático do sistema de conversão fotovoltaica;

c) Estudo do modelo matemático dinâmico do conversor fonte de tensão (VSC); d) Estudo das técnicas de MPPT para sistemas fotovoltaicos;

e) Estudos das técnicas de filtragem ativa harmônicos; f) Estudo das técnicas de controle do VSC;

g) Projeto e dimensionamentos dos dispositivos, componentes e controladores que compõem o FV-FAP;

h) Implementação e análise do sistema proposto no simulador de eletrônica de potência PSIM v9.0;

i) Implementação do FV-FAP na bancada experimental para comprovação dos resultados teóricos;

j) Avaliação do GMPPT proposto em condição de sombreamento parcial e da melhoria dos índices de qualidade de energia após a atuação do FV-FAP;

k) Divulgação dos resultados obtidos na pesquisa através da publicação de artigos em congresso, revistas e a dissertação de mestrado desenvolvida.

1.3 Justificativa

A ocorrência de sombreamento parcial afeta diretamente a produção de energia de sistemas fotovoltaicos. A utilização de um algoritmo de GMPPT para variar a tensão do arranjo fotovoltaico e encontrar o ponto de máxima potência global, mesmo quando este arranjo se conecta diretamente ao barramento do conversor conectado à rede, pode implicar numa melhoria significativa da eficiência do sistema fotovoltaico. Ao mesmo tempo, a presença de cargas não-lineares diminui a qualidade da energia elétrica da instalação, podendo acarretar em alguns distúrbios elétricos e em cobranças extras na conta de energia. Assim, com uma modificação no controle do conversor do sistema fotovoltaico conectado à rede, pode-se realizar a função de produção e maximização de potência elétrica, bem como realizar a função de filtragem ativa da corrente elétrica da carga da instalação, proporcionando uma redução no custo de filtros ativos exclusivos para esse fim. A função de filtragem ativa pode funcionar tanto durante o dia quando a noite, período em que os conversores dos sistemas fotovoltaicos convencionais são inutilizados.

23 Dessa forma, as estratégias de controle propostas neste trabalho, tornam-se atrativas para melhorar a geração de sistemas fotovoltaicos, mesmo na ocorrência de sombreamento parcial, além de, ao mesmo tempo, atuar na melhoria dos índices da qualidade de energia da instalação, formando um sistema multifuncional.

1.4 Metodologia

O presente trabalho propõe a pesquisa e o desenvolvimento de um sistema multifuncional que combina as funções de injetar a potência gerada pelo sistema fotovoltaico, resolvendo os problemas inerentes ao sombreamento parcial, e de filtragem ativa para correção do fator de potência e da distorção harmônica de cargas não-lineares.

A metodologia adotada neste projeto segue as seguintes etapas: identificação do problema de engenharia relacionado ao sombreamento parcial em sistemas fotovoltaicos e a presença de cargas não-lineares na instalação; realização do levantamento bibliográfico necessário para o desenvolvimento do trabalho e conhecimento do estado da arte das soluções já propostas para estes problemas; estudo da modelagem matemática, do comportamento dinâmico e das técnicas de controle dos elementos que compõem o sistema proposto; dimensionamento dos elementos do arranjo fotovoltaico e conversor utilizado; projeto dos controladores utilizados; realização de simulações computacionais para comprovar as estratégias de controle adotadas; implementação experimental em laboratório para validar o levantamento teórico e simulado realizado; apresentação dos resultados por meio de artigos, apresentação em encontros e redação da dissertação.

Os resultados da pesquisa são obtidos por meio de simulação computacional no

software PSIM v9.0 e por desenvolvimento de um protótipo experimental com arranjo

fotovoltaico submetido a diversas condições de sombreamento e utilizando diversos tipos de cargas elétricas, lineares e não-lineares. Os resultados são capturados por meio de equipamentos específicos como osciloscópio, medidor de qualidade de energia, wattímetros, multímetros e também pelos sinais obtidos pelos sensores do conversor utilizado e enviados ao computador pelo próprio processador digital do controle.