Regulação de tensão

Ao contrário da regulação de corrente, os reguladores de tensão (ou reguladores série) são circuitos eletrônicos ligados em série com as fontes de tensão (ou cargas) e podem ser utilizados para permitir a regulação independente da potência drenada de cada fonte. Historicamente, reguladores série eletromagnéticos ou eletrônicos têm sido em- pregados em sistemas de potência para realizar a regulação ativa de tensão em redes distribuição de energia em corrente alternada (SERVETAS; VLACHAKIS, 1981). A Fi- gura 3.3 ilustra um exemplo de configuração onde um circuito eletrônico aciona o primário de um transformador de baixa frequência cujo secundário é conectado em série ao fluxo de energia. Neste circuito, a potência ativa processada pelo regulador eletrônico e pelo transformador série é apenas uma parcela da energia entregue à carga, proporcional à VS, que é a diferença de tensão da fonte (Vin) e a da carga (Vout). A relação de espiras entre o

Figura 3.3 – Regulador série utilizado em sistemas de potência. Carga Fonte Vin VS Vin Vout

Fonte: Adaptado de Hietpas e Naden (2000).

enrolamento primário (conectado à saída do conversor) e o secundário contribui para que a corrente no primário seja muito menor do que a corrente que circula no secundário do transformador em série com a fonte.

A regulação série também já foi utilizada como uma solução de baixo processa- mento de energia em circuitos para correção do fator de potência (PFC ou power factor correction) (HERNANDO et al., 1999; GARCIA et al., 2003), onde os conversores série são projetados para processar somente a quantidade de energia necessária para moldar a forma de onda da corrente de entrada no formato senoidal.

De forma semelhante, conversores eletrônicos conectados em série também são aplicados em amplificadores híbridos de potência (HPA, do inglês, hybrid power amplifiers) onde o emprego de amplificadores lineares conectados em série a amplificadores chaveados permitem elevar a banda passante do sistema com uma pequena potência ativa sendo processada pelos amplificadores lineares (BELTRAME et al., 2012).

Os conversores chaveados que utilizam regulação série já receberam diversas de- nominações diferentes na literatura, como, por exemplo, “parallel power conversion te- chnique”, ou PPCT (SNYMAN; ENSLIN, 1992; ENSLIN; SNYMAN, 1991), “series- connected boost unit”, ou SBCU (BUTTON, 1996), “reduced redundant power proces- sing”, ou R2P2 (TSE; CHOW; CHEUNG, 2001; CHEUNG; CHOW; TSE, 2008; LOERA- PALOMO; MORALES-SALDAÑA; PALACIOS-HERNÁNDEZ, 2013), ou simplesmente “partial-power processing”, ou PPP (DONG et al., 2017; SHOUSHA et al., 2017).

Para aplicações no estágio CC-CC de sistemas fotovoltaicos, o uso de reguladores série foi apresentado originalmente por Enslin e Snyman (1991) em um circuito de carga e descarga de baterias em sistemas isolados de geração PV. Posteriormente foi empregado por Button (1996) em sistemas de alimentação aplicados a naves espaciais da NASA (National Areonautics and Space Administration), sendo patenteado pela NASA em 2006 (BIRCHENOUGH, 2006). Por ter sido a primeira forma de implementação do conceito de

processamento parcial de energia em sistemas PV, o termo PPP (do inglês, partial power processing) foi utilizado em alguns trabalhos subsequentes da literatura para referir-se aos conversores com conexão série (AGAMY et al., 2012; ZHAO; ZHOU; HAN, 2013). Entretanto, devido ao conceito de PPP poder ser implementado também por conversores com conexão paralela, para evitar confusões na nomenclatura, nesta tese adota-se o termo S-PPC (do inglês, series-connected partial-power converters), seguindo a terminologia e classificação proposta por Kasper, Bortis e Kolar (2014).

Na Figura 3.4 é apresentado o diagrama de conexão de um S-PPC1_{. Observa-se}

que a tensão de saída do sistema é a soma da tensão de entrada e a tensão VC. Da mesma forma, a corrente de entrada é a corrente de saída somada à corrente que entra no conversor do regulador (IC,in), ou seja,

Vout = Vin+ VC, (3.2)

Iin= Iout+ IC,in. (3.3)

Figura 3.4 – Diagrama de conexão de um S-PPC.

Fonte: Autor.

Desconsiderando-se as perdas do conversor, a potência ativa processada no conver- sor (PC,out) e a parcela de potência ativa que flui diretamente da entrada para a saída do conversor (Pdir) são calculadas por

PC,out = VCIout = VinIC,in, (3.4)

Pdir = VinIout. (3.5)

Nesta configuração, a saída do estágio CC-CC pode ser vista como uma fonte de tensão constante, pois o valor de Vout é fixo, regulado pelo inversor conectado à saída. Enquanto isso, o regulador série controla a tensão e a corrente de entrada para rastrear o ponto de máxima potência da string de acordo com as variações de irradiação e tem-

1_{Este é um dos tipos de implementação dos conversores S-PPC, o outro tipo de conversor S-PPC será}

peratura. A potência ativa na entrada e na saída é a mesma, conforme exemplo de uma curva V × P ilustrado pela Figura 3.5 (a).

A Figura 3.5 (b) ilustra a curva V ×I para este exemplo, onde as áreas em destaque (Área 1 e Área 2) são iguais entre sí e representam a potência ativa processada no S-PPC, e a Área 3 representa a parcela de potência ativa que flui diretamente da entrada para a saída sem ser processada pelo S-PPC. Quanto mais próxima a tensão de entrada estiver da tensão de saída, menor será o valor de VC, e menor será o tamanho das Áreas 1 e 2, e maior será a parcela de potência ativa direta.

Conforme apresentado no Capítulo 2, durante a operação dos módulos PV as tensões e correntes no ponto de máxima potência sofrem variações que dependem da tem- peratura no painel e da irradiação incidente. Como as variações da tensão são muito menores e menos dependentes da irradiação do que as variações de corrente, a regulação usando S-PPCs apresenta-se como uma alternativa conveniente para regular as diferen- ças de tensão entre cada uma das strings em sistemas PV multi-string que operam em situações de sombreamento parcial.

Figura 3.5 – Ponto de operação de saída e potência ativa nos reguladores S-PPC. (a) Curva tensão-potência, (b) Curva tensão-corrente.

Os S-PPCs podem ser utilizados também de forma integrada aos módulos PV (MICs CC) (KASPER; BORTIS; KOLAR, 2014). Neste caso, os mesmos podem ter suas saídas conectadas em paralelo, conforme ilustrado na Figura 3.6 (a), ou em série, como ilustrado na Figura 3.6 (b) (ZHAO; ZHOU; HAN, 2013).

A tensão de saída do estágio CC (barramento) deve ser compatível com a tensão da rede elétrica CA para que o inversor de frequência consiga injetar potência ativa na rede. Para isto, a tensão de barramento CC deve ser suficientemente grande. No entanto, os módulos PV comerciais possuem valores de tensão muito menores, entre 30 a 50 V. Por isso, nas configurações em que os S-PPC integrados são conectados em paralelo (vide Figura 3.6 (a)), os mesmos devem possuir um elevado ganho de tensão, o que pode causar a redução da eficiência do sistema.

Quando os S-PPCs integrados são conectados em série (vide Figura 3.6 (b)), o ganho de tensão requerido é reduzido, mas o uso de um regulador individual para cada módulo PV faz com que o sistema possua muitos conversores, o que pode aumentar o custo do sistema sem proporcionar uma significativa melhoria no aproveitamento de energia.

Por estes motivos, em sistemas de médio e grande porte, a utilização de regulado- res S-PPC em nível de string ou arranjo de strings se torna uma das alternativas mais adequadas para realizar a interface com o barramento de um inversor central (ELASSER et al., 2010), conforme ilustrado na Figura 3.7. Nesta configuração, cada string possui um S-PPC que realiza o rastreamento do MPP, sendo que o número de módulos PV da string é dimensionado em função da tensão de barramento desejada e a quantidade de strings define a potência nominal do sistema.

Figura 3.6 – Arranjos de reguladores S-PPC integrados aos módulos PV. (a) Exemplo de arranjo de reguladores S-PPC conectados em paralelo (AGAMY et al., 2013), (b) exemplo de arranjo de reguladores S-PPC conectados em série (ZHAO; ZHOU; HAN, 2013).

(a) (b)

Figura 3.7 – Arquitetura multi-string utilizando reguladores S-PPC.

Fonte: Autor.