Para testar o algoritmo desenvolvido utilizou-se o programa de simulação de circuitos eletrônicos PSIM. O algoritmo foi testado em dois circuitos distintos, no caso 1 o algoritmo foi testado em um conversor boost tendo como entrada um arranjo fotovoltaico composto por 9 painéis de 340 Wp conectados em série e no caso 2 o algoritmo foi testado em um sistema composto por três conversores boost conectados em paralelo, com cada um tendo como entrada um arranjo composto por 2 painéis de 340 Wp conectados em série.
5.2.1 Caso 1
A Figura 28 ilustra o circuito utilizado para os testes do caso 1, que é composto por um arranjo fotovoltaico, um conversores boost, um barramento CC de 3 mF e uma carga de 66,2 Ω. O arranjo do caso 1 tem uma tensão máxima de 338,4 V, corrente máxima de 9,05 A e potência máxima de 3,06 kWp.
Figura 28. Circuito teste do caso 1. Fonte: Autoria própria.
O primeiro teste foi realizado sob condições de teste padrão, com irradiância de 1000 W/m² e temperatura de 25°C e sem solicitação de limitação de potência, para apenas observar o comportamento do sistema com o MPPT ativado. A Figura 29 ilustra o comportamento da tensão em preto, da corrente em vermelho e da potência em laranja do arranjo para esse teste.
Figura 29. Comportamento do MPPT na simulação para um arranjo fotovoltaico composto por nove painéis em série.
Fonte: Autoria própria.
O gráfico da tensão do arranjo mostra que a tensão foi decrementada do seu valor de 378,22 V até 328,12 V, mostra também que as perturbações de tensão ocorreram em intervalos de 0,5 s e tinham um valor de 7,0 V. Ao contrário da tensão, o gráfico da corrente do arranjo mostra que teve seu valor incrementado de 5,70 A até o valor de 8,88 A. Ao atingir o ponto de máxima potência em 4 s como mostra o gráfico da
MPPT/ LPPT Arranjo ref PI d pv Σ + - erro + - PWM pv pv i ref P
Conversor Barramento CC Carga
R CC
CC
potência a tensão ficou variando em torno de 335,52 V e a corrente ficou variando em torno de 8,72 A resultando em uma potência gerada de 2,92 kW.
Na Figura 29 é aplicado um zoom na tensão, corrente e potência do arranjo sendo possível observar as perturbações de tensão em torno do ponto de máxima potência, intrínseco da técnica de MPPT utilizada. Essas perturbações são inversamente proporcionais as variações da corrente como mostra o zoom aplicado no gráfico da corrente. No zoom aplicado na potência pode-se visualizar que as perturbações da corrente e da tensão impactam diretamente nas variações em torno do ponto de máxima potência.
O segundo teste foi realizado para avaliar o controle proposto alternando entre o MPPT e o LPPT sob condições de teste padrão, com irradiância de 1000 W/m² e temperatura de 25°C. Assim, em 30 s uma Pref de 2,25 kW é solicitada a fim de ativar
o LPPT e em 70 s essa Pref para de ser solicitada para que o MPPT seja ativado
novamente. A Figura 30 ilustra o comportamento da tensão em preto, da corrente em vermelho e da potência em laranja do arranjo para esse teste. O gráfico da tensão do arranjo mostra que a partir de 30 s a tensão foi incrementada de 342 V até 377 V. Ao contrário da tensão o gráfico da corrente do arranjo mostra que a partir de 30 s a corrente teve seu valor decrementado de 8,50 A até o valor de 5,85 A. Ao atingir o ponto de potência limitada em 35 s como mostra o gráfico da potência do arranjo a tensão ficou variando entre 376,2 e 375,7 V e a corrente ficou variando entre 5,99 e 6,01 A resultando em uma potência gerada de 2,25 kW.
Figura 30. Comportamento do MPPT e LPPT na simulação para um arranjo fotovoltaico composto por nove painéis em série.
Na Figura 30 é aplicado um zoom na tensão, corrente e potência do arranjo sendo possível observar as variações de tensão em torno do ponto de limitação potência, intrínseco da técnica de LPPT utilizada, que é o incremento e decremento da tensão de referência enviado ao PI em torno da tensão que corresponde ao ponto de potência limitada. Essa variação é inversamente proporcional as variações da corrente como mostra o zoom aplicado no gráfico da corrente. No zoom aplicado na potência pode-se visualizar que as variações na corrente e na tensão impactam diretamente nas variações em torno da potência.
Foi simulado também o comportamento do arranjo fotovoltaico com o MPPT ativado para mudanças aleatórias de irradiância. Para isso durante os 100 s de simulação a temperatura foi mantida em 25°C e de 0 s a 20 s foi configurada uma irradiância de 1000 W/m², de 20 s a 40 s a irradiância diminui até 700 W/m² em rampa, de 40 a 60 permanece em 700 W/m², de 60 s a 80 s sobe em rampa até 900 W/m² e continua com 900 W/m² até chegar ao final do tempo de simulação. A Figura 31 ilustra o comportamento obtido, mostrando que a mudança na irradiância tem pouco impacto na tensão do arranjo, mas um grande impacto na corrente e consequentemente na potência gerada.
Figura 31. Comportamento do MPPT para um arranjo fotovoltaico composto por nove painéis em série para mudanças aleatórias na irradiância.
5.2.2 Caso 2
A Figura 32 ilustra o circuito montado para os testes do caso 2, que é composto por três conversores boost conectados em paralelo a um barramento CC de 3 mF conectado a uma fonte de tensão constante de 400 V. Cada conversor tem como entrada um arranjo fotovoltaico composto por 2 painéis conectado em série, assim cada arranjo do caso 2 tem uma tensão máxima de 75,2 V, corrente máxima de 9,05 A e potência máxima de 680,6 W.
Figura 32. Circuito teste do caso 2. Fonte: Autoria própria.
No primeiro teste realizado para o caso 2 o algoritmo de MPPT estava ativado, resultando no comportamento da tensão, corrente e potência de cada um dos arranjos ilustrados na Figura 33. Essa figura mostra que os gráficos do arranjo 1 em azul, do arranjo 2 em vermelho e do arranjo 3 em amarelo ficaram sobrepostos, isso porque cada um dos arranjos estava submetido a uma irradiância de 1000 Wm² e
MPPT/ LPPT Arranjo 2 ref2 PI 2 d2 pv2 Σ + - erro2 + - PWM2 pv2 pv2 i ref2 P
Conversor 2 Barramento CC Fonte de tensãoconstante
CC CC v MPPT/ LPPT Arranjo 1 ref1 PI 1 d1 pv1 Σ + - erro1 + - PWM1 pv1 pv1 i ref1 P Conversor 1 CC CC v MPPT/ LPPT Arranjo 3 ref3 PI 3 d3 pv3 Σ + - erro3 + - PWM3 pv3 pv3 i ref3 P Conversor 3 CC CC v + - i E
temperatura de 25ºC. As tensões do arranjos ficaram variando em torno 75,7 V com degraus de 5 V em intervalos de 0,5 s, conforme projetado resultando em uma tensão média de 75,7 V. As correntes ficaram variando em torno de 8,95 A resultando em um valor médio de 8,80 A. Tal comportamento das tensões e das correntes impactaram diretamente no valor das potências obtidas que foram de 663,8 W para cada arranjo.
Figura 33. Resultado simulação dos três conversores boost conectados em paralelo com MPPT ativado.
Fonte: Autoria própria.
No segundo teste realizado para o caso 2 enviou-se ao sistema de controle uma Pref de 1,5 kW no instante de 16 s, que foi dividida igualmente nos três
conversores. A Figura 34 ilustra o comportamento das tensões, correntes e potências de cada um dos arranjo, nessa figura observa-se que as curvas de corrente, tensão e potência de cada um dos arranjos ficaram sobrepostas, indicando que cada conversor boost processou o mesmo valor. No gráfico de tensão quando a Pref é solicitada a
tensão é incrementada do valor 70,84 V até o valor de 85,72 V com k1 de 5 V e a
corrente é decrementada do valor 9,39 A até atingir o valor 5,34 A. Ao atingirem o valor da Pref solicitada em 26 s a tensão fica variando em torno do valor de 85,39 V
com k2 de 0,5 V e a corrente em torno de 5,59 A. O valor das tensões e correntes
obtidas na ativação do LPPT resultaram em uma potência de 492 W em cada conversor, totalizando 1,48 kW. Em 26 s o agente externo para de solicitar um valor de potência limitada e assim como pode ser observado nos gráficos o MPPT é reativado fazendo o valor das tensões, correntes e consequentemente potência de cada um dos arranjos retornarem para o valor máximo de 85,39 V, 5,59 A e 666 W.
Figura 34. Resultado simulação dos três conversores boost conectados em paralelo com LPPT ativado.
Fonte: Autoria própria.
O terceiro e último teste realizado de forma computacional para o sistema da Figura 32 foi feito de forma que cada um dos arranjos fotovoltaicos recebe-se uma mesma temperatura de 25ºC e irradiâncias diferentes, sendo o arranjo 1 com 1000 W/m², arranjo 2 com 900 W/m² e o arranjo 3 com 800 W/m².
Como as irradiâncias de cada arranjo são diferentes assim, como explicado na Seção 2.3 cada arranjo terá um ponto de máxima potência diferente, o arranjo 1 terá uma Pmáx de 680,6 W, o arranjo 2 terá uma Pmáx de 614,3 W e o arranjo 3 uma
Pmáx de 547,8 W. Esses pontos podem ser observados na Figura 35 que ilustra as
curvas I-V e P-V para um arranjo de 2 painéis de 340 Wp para uma temperatura de 25ºC e com irradiância diferentes, essas curvas foram obtidas por meio do programa Simulink. A Figura 36 ilustra o comportamento do sistema obtido para esse teste.
O teste foi iniciado com o MPPT ativado em cada um dos controles dos três arranjos, assim observa-se na Figura 36 que de 0 a 16 s a tensão dos três arranjos tiveram comportamentos similares com uma pequena diferença na amplitude, causada pela diferença entre as irradiâncias, ficando praticamente com suas formas de onda sobrepostas, já no gráfico da corrente observa-se que cada arranjo teve comportamento similar mas com valores de amplitude de correntes com diferença maior que a observada nos gráficos de tensão, comportamento explicado pela diferença entre os valores de irradiâncias aplicado em cada arranjo. A Tabela 3 dispõe
os valores de corrente, tensão e potência obtidos em cada um dos arranjos com o algoritmo de MPPT ativado.
Figura 35. Curvas de corrente e tensão para um arranjo de 2 painéis de 340 Wp em série para irradiância diferentes.
Fonte: Autoria própria.
Figura 36. Resultado simulação dos três conversores boost conectados em paralelo com LPPT ativado com cada arranjo sob valores de irradiância diferentes.
Tabela 3. Valores médios dos arranjos do sistema fotovoltaico com o MPPT ativado para diferentes valores de irradiância.
Tensão [V] Corrente [A] Potência [W]
Arranjo 1 76,01 8,76 665,85
Arranjo 2 75,54 8,16 616,41
Arranjo 3 75,50 7,11 536,81
Em 16 s é solicitado ao sistema fotovoltaico uma Pref de 1,5 kW, que foi
dividida igualmente entre os três conversores. A Tabela 4 dispões os valores médios de tensão, corrente e potência dos arranjos ao atingirem o ponto de potência limitada.
Tabela 4. Valores médios dos arranjos do sistema fotovoltaico com o LPPT ativado para diferentes valores de irradiância.
Tensão [V] Corrente [A] Potência [W]
Arranjo 1 85,07 5,81 494,26
Arranjo 2 85,02 5,83 495,67
Arranjo 3 80,50 6,26 503,93
O arranjo 1, arranjo 2 e arranjo 3 levaram 1,9 s, 1,3 s e 5,7 s respectivamente para atingirem o ponto de potência limitada. O arranjo 3 demorou mais para atingir o ponto de potência limitada pois a distância para atingir o ponto de potência limitada era maior, como mostra a Figura 37. Nessa figura estão representadas as curvas P-V do arranjo 1 em azul, do arranjo 2 em vermelho e do arranjo 3 em amarelo.
Antes do LPPT ser ativado, o arranjo 1 está operando em torno do ponto A1, o arranjo 2 em torno do ponto A2 e o arranjo 3 em torno do ponto A3. Quando a Pref de 500 W é solicitada em cada um dos arranjos, que correspondem ao ponto C1,
C2 e C3 o algoritmo incrementa a tensão de referência. Apesar do valor da perturbação de tensão aplicada ser a mesma para cada arranjo vai impactar de maneira diferente na potência gerada por cada arranjo. Para a curva do arranjo 1 a perturbação muda o ponto de operação para B1, do arranjo 2 para B2 e do arranjo 3 para B3. Observa-se que tanto na curva do arranjo 1 e arranjo 2 os pontos B1 e B2 ficaram próximos a C1 e C2, já para a curva do arranjo 3 o ponto B3 ficou mais distante de C3 em comparação com as curvas dos outros arranjos. Quando os pontos de operações chegam em B1, B2 e B3 a perturbação de tensão aplicada a tensão de referência diminui e então é decrementada da tensão de referência. Assim, o B3
demorará mais para alcançar o ponto C3, do que o ponto B2 para C2 e o ponto B1 para C1.
Figura 37. Comportamento da potência gerada pelo arranjo 1, arranjo 2 e arranjo 3. Fonte: Autoria própria.
5.3 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Para a avaliação experimental o algoritmo desenvolvido foi implementado no DSP TMS320f28377S da Texas Instruments. Assim como feito nos testes computacionais o algoritmo foi testado em dois circuitos distintos, caso 1 e caso 2 já apresentados na seção anterior. No caso 1 o algoritmo foi testado em um conversor boost tendo como entrada um arranjo fotovoltaico composto por 9 painéis reais de 340 Wp de Canadian Solar conectados em série e na saída do conversor foi conectada uma carga eletrônica configurada como fonte de tensão constante e no caso 2 o algoritmo foi testado em um sistema composto por três conversores boost conectados em paralelo, com cada um tendo como entrada um arranjo composto por 2 painéis de 340 Wp conectados em série e na saída do sistema foi conectada uma fonte eletrônica configurada como uma fonte de tensão constante de 400 V.
Como esses testes experimentais foram feitos com módulos fotovoltaicos reais eles foram submetidos a irradiância e temperatura diferentes das condições de
teste padrão. Mas é possível comprovar o funcionamento do algoritmo desenvolvido pelo comportamento das curvas de tensão, corrente e potência do arranjo fotovoltaico. 5.3.1 Caso 1
O primeiro teste realizado para o caso 1 foi a análise do comportamento da tensão, corrente e potência com o MPPT ativado. A Figura 38 ilustra o comportamento da tensão do arranjo em preto, da corrente do arranjo em vermelho e da potência do arranjo em laranja na conexão do arranjo no conversor e depois do controle ser ativado. Essa figura mostra que quando o controle está com o MPPT ativado, a tensão do painel é decrementada até atingir o valor de 308,1 V e a corrente é incrementada até atingir 5,9 A, resultando em uma potência de 1,8 kW.
Figura 38. Resultado experimental com o algoritmo de MPPT ativado para um arranjo fotovoltaico de nove painéis em série.
Fonte: Autoria própria.
O segundo teste foi realizado para testar o controle proposto alternando entre o MPPT e o LPPT. Assim, em 30 s uma Pref de 1,50 kW é solicitada ativando o
LPPT e em 70 s o MPPT é ativado novamente. A Figura 30 ilustra o comportamento da tensão em preto, da corrente em vermelho e da potência em laranja do arranjo para esse teste. O gráfico da tensão do arranjo mostra que a partir de 30 s a tensão foi incrementada de 300 V até 344,5 V e o gráfico da corrente mostra que a corrente teve seu valor decrementado de 6,0 A até o valor de 4,26 A. Observa-se no gráfico que a potência do arranjo que levou 10 s para atingir o ponto de potência limitada gerando um valor médio de potência de 1,46 kW. Quando o MPPT é ativado novamente a
tensão é decrementada até 300,8 V e a corrente é incrementada até 5,9 A até que volte a gerar a potência máxima de 1,8 kW.
Figura 39. Resultado experimental da ativação do LPPT para uma potência de referência de 1500 W para um arranjo fotovoltaico de nove painéis em série.
Fonte: Autoria própria.
Nos testes experimentais foi possível também observar o comportamento do algoritmo em condições aleatórias de irradiância. A Figura 40 mostra o comportamento da tensão, corrente e potência do arranjo sob tais condições.
Figura 40. Comportamento do arranjo fotovoltaico sob mudanças aleatórias de irradiância para arranjo fotovoltaico de nove painéis em série.
Observa-se que as diversas mudanças na irradiância impactam diretamente no comportamento da corrente do arranjo, impacto que pode ser notado nas alterações da corrente e potência gerados. A tensão sofre menos impacto e consegue ser controlada, extraindo a máxima potência dos módulos.
5.3.2 Caso 2
A Figura 41 ilustra o protótipo montado para os testes do caso 2. Como entrada para o boost 1 foi utilizada uma fonte emuladora da Regatron, para o boost 2 uma fonte emuladora da Hitech e para o boost 3 dois painéis reais da Canadian Solar. Cada fonte foi configurada para emular o comportamento de um arranjo composto de dois painéis de 340 Wp conectados em séria e a carga eletrônica foi configurada como fonte de tensão constante de 400 V. Cada arranjo do caso 2 tem uma tensão máxima de 75,2 V, corrente máxima de 9,05 A e potência máxima de 680,6 W. Na Figura 41 está destacado cada uma das fontes emuladores e seus respectivos programas, chamados de SAS (do inglês, Solar Array Simulation).
O primeiro teste realizado para o caso 2 foi a análise do comportamento da tensão, corrente e potência com o MPPT ativado. A Figura 42 ilustra o comportamento da tensão do arranjo 1 em preto, do arranjo 2 em azul claro, do arranjo 3 em vermelho e da corrente do arranjo 1 em verde, do arranjo 2 em laranja e do arranjo 3 em azul escuro. A Tabela 5 dispõe os valores de corrente, tensão e potência obtido em cada um dos arranjos. Os valores de tensão, corrente e potência dos arranjos 1 e 2 ficaram mais próximos dos valores máximos para o arranjo, pois tiveram como entrada as fontes emuladoras que foram configuradas em condições ideais de teste com 1000 W/m² e 25ºC diferente do que ocorreu com o arranjo 3 que tinha como entrada painéis reais que não estavam sob condições de teste padrão.
Tabela 5. Valores médios dos arranjos do sistema fotovoltaico com o MPPT ativado para o teste experimental.
Tensão [V] Corrente [A] Potência [W]
Arranjo 1 73,9 9,4 694,7
Arranjo 2 72,0 9,5 684,0
Figura 41. Montagem sistema experimental. Fonte: Autoria própria.
No segundo teste realizado para o caso 2 enviou-se ao sistema de controle uma Pref de 150 W no instante de 16,7 s, potência essa que foi dividida igualmente
nos três conversores. A Figura 43 ilustra o comportamento da tensão do arranjo 1 em preto, do arranjo 2 em azul claro, do arranjo 3 em vermelho e da corrente do arranjo 1 em verde, do arranjo 2 em laranja e do arranjo 3 em azul escuro.
O arranjo 1, arranjo 2 e arranjo 3 levaram 2,0 s, 2,4 s e 1,2 s respectivamente para atingirem o ponto de potência limitada. A Tabela 6 dispõe ao valores médios dos arranjos do sistema fotovoltaico com o LPPT ativado para o teste experimental.
Tabela 6. Valores médios dos arranjos do sistema fotovoltaico com o LPPT ativado para o teste experimental.
Tensão [V] Corrente [A] Potência [W]
Arranjo 1 90,94 0,55 50,02
Arranjo 2 93,25 0,54 50,36
Figura 42. Tensões e correntes de cada um dos arranjos com o algoritmo de MPPT ativado. Fonte: Autoria própria.
Figura 43. Tensões e correntes de cada um dos arranjos com o algoritmo de LPPT ativado. Fonte: Autoria própria.
6 CONCLUSÕES
Os resultados obtidos com a simulação do sistema fotovoltaico composto pelo conversor boost e arranjo fotovoltaico mostraram que o sistema de controle conseguiu encontrar o ponto de máxima potência do painel, conseguiu fazer a transição para o valor de potência limitada solicitado, ativando o modo LPPT e que conseguiu retornar para o modo MPPT. Os resultados experimentais mostraram que o controle implementado no DSP fez a transição correta entre os algoritmos de MPPT e LPPT, gerando os valores de potência de referência solicitados.
Esse foi o primeiro trabalho sobre o controle do conversor fotovoltaico para limitação de potência desenvolvido pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Campus Pato Branco. Assim, dificuldades foram encontradas. Como o uso das fontes emuladores de painéis fotovoltaicos, que no decorrer do trabalho percebeu- se que elas adicionavam grandes oscilações na corrente dos painéis e modificavam o comportamento da tensão de entrada, o que prejudicou o controle do sistema desenvolvido. Além disso, o sistema utilizado não contava com um inversor para manter a tensão do barramento CC-CC fixa, teve-se, portanto, de utilizar uma carga eletrônica para deixar essa tensão constante.
As principais contribuições deste trabalho foram o desenvolvimento do sistema de controle da parte CC-CC de um inversor fotovoltaico, desenvolvimento de uma estratégia de controle para operação no modo de potência limitada e a análise computacional e experimental da estratégia proposta em um sistema composto por um conversor boost e um sistema composto por três conversores boost conectados em paralelo a um barramento CC.
Nos resultados obtidos verificou-se que as fontes emuladoras interferem na dinâmica do sistema. Essas dinâmicas introduziram oscilações indesejadas no comportamento dinâmico, as quais possivelmente não seriam observadas se o sistema fosse testado apenas com módulos reais. Portanto, a sugestão para trabalhos futuros é a realização de testes considerando apenas módulos reais e que o sistema CC-CC seja conectado a um inversor propriamente dito. Outra sugestão é o desenvolvimento de uma técnica de projeto das perturbações k1 e k2 do algoritmo de
REFERÊNCIAS
ABU-RUB, H.; MALINOWSKI, M.; AL-HADDAD, K. Power Eletronics for Renewable Energy Systems, Transportation and Industrial Applications. IEEE Press and John Wiley & Sons Ltd, 2014. E-book.
BELLINASO, L. V. et al. Cascade Control With Adaptive Voltage Controller Applied to Photovoltaic Boost Converters. Transactions on Industry Applications, v. 55, n. 2, p. 1903–1912, 2019.
BLAABJERG, F. et al. Overview of Control and Grid Synchronization for Distributed Power Generation Systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 53, n. 5, p. 1398–1409, 2006. Disponível em: https://doi.org/10.1109/TIE.2006.881997 BRITO, M. A. G. de et al. Evaluation of the Main MPPT Techniques for Photovoltaic Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 60, n. 3, p. 1156–