Para caracterizar o fornecimento de potência do painel, é aplicada uma variação na razão cíclica do conversor boost. A perturbação tem por objetivo exemplificar a variação de potência fornecida pelo painel, e consequentemente a variação na corrente da rede (Ie
sd).
Na Figura 4.2 é apresentado o gráfico da potência do painel durante a variação da razão cíclica do conversor ser alterada de 0,5 para 0,51. Analisando o referido gráfico, observa-se que o comportamento dinâmico da potência do painel se assemelha a uma função de transferência de primeira ordem.
400 380 360 340 320 300 1,95 2 2,05 2,1 2,15 2,2 Tempo (s) 420 440 Potência (W)
Figura 4.2: Gráfico da potência terminal do painel após variação da razão cíclica do conversor boost.
CAPÍTULO 4. ESTUDOS DE SIMULAÇÃO DESENVOLVIDOS 43
Todo o processo é dinâmico, ou seja, a medida que o painel fornece maior potência, a corrente que está sendo injetada no barramento CC se eleva e o controle do barramento CC eleva a corrente de saída do inversor a fim de manter a tensão do barramento constante. Para obter uma equivalência no balanço de potência, caso a corrente do inversor se eleve, a corrente da rede é reduzida. Esse efeito pode ser observado na corrente Ie
sd da rede, apresentado na Figura 4.3. 1,95 2 2,05 2,1 2,15 2,2 Tempo (s) 1,9 1,8 1,6 1,7 1,5 1,4 2 2,1 Corrente (A) 1,2 1,3 1,1 I sd e
Figura 4.3: Gráfico da corrente de eixo direto da rede no referencial síncrono. A eficácia do algoritmo MPPT proposto foi verificada simulando uma variação brusca na irradiância que incide no painel fotovoltaico. A irradiância passou de 300 W /m2para 1000 W /m2no instante t=20 s. Na literatura, observa-se que ao longo do dia, mesmo com
a passagem de nuvens, a irradiância não varia instantaneamente como imposto na simula- ção (TINA; VENTURA; FIORE, 2012). Na Figura 4.4 apresenta-se o gráfico da potência do
painel durante a ocorrência da variação de irradiância.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tempo (s) 2500 2000 1500 1000 500 0
Maxima Potência para 300W/m² Irradiância (W/m²)
Potência Fornecida pelo Painel Maxima Potência para 1000W/m²
Potência (W)
Figura 4.4: Dinâmica da máxima potência do painel para variação brusca de irradiância. O sistema fotovoltaico foi simulado para a condição em que a potência disponível do
CAPÍTULO 4. ESTUDOS DE SIMULAÇÃO DESENVOLVIDOS 44
painel consegue suprir apenas parte da demanda da carga. Para este caso é utilizado uma carga linear de 60Ωe 5 mH. Os gráficos das correntes antes e após a conexão do sistema são mostrados na Figura 4.5. Antes da conexão do sistema, as correntes da rede possuem THD = 0%. Após a conexão do sistema, as correntes apresentaram um THD = 3,75%, isto em grande parte, deve-se ao chaveamento do inversor de tensão. Para este caso, o sistema injeta basicamente potência ativa à rede elétrica, pois a configuração de carga utilizada, demanda baixa potência reativa (FP=0,99). Ainda em relação a Figura 4.5, pode-se visualizar após a conexão do sistema uma redução nas amplitudes das correntes da rede, pois parte das correntes na carga é então suprida pelo sistema fotovoltaico.
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 Tempo (s) Corrente (A) 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 5 -5
Corrente da rede antes da conexão Corrente da rede após conexão
THD= 3.75%
Figura 4.5: Sistema fotovoltaico fornecendo parte da demanda do sistema.
No instante t=20 s, o sistema fotovoltaico passa a suprir toda a demanda da carga e injetar potência na rede elétrica. Esta condição de operação pode ser visualizada na Figura 4.6 em que ocorre uma inversão nas fases das correntes da rede. Neste caso, o painel injeta potência na rede e o fluxo de potência da rede inverte seu sentido.
4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 5 -5 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 Tempo (s)
Corrente1A/div, THD= 3,75%; Tensão100V/div Corrente da rede antes da conexão
Corrente da rede após conexão Tensão no PAC
CAPÍTULO 4. ESTUDOS DE SIMULAÇÃO DESENVOLVIDOS 45
O espectro de frequência das correntes da rede elétrica, após a conexão do sistema fotovoltaico, é apresentada na Figura 4.7.
1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Harmonico Corrente (A)
Figura 4.7: Espectro de harmônicos da corrente fornecida à rede.
Para avaliar o desempenho do sistema quando a correção do fator de potência é re- querida, foi inserida uma carga composta pela associação série de indutor (200 mH) e resistor (20Ω). Antes da conexão do sistema o PAC apresenta fator de potência (FP) = 0,62 (indutivo). Após a conexão do sistema, houve compensação e o fator de potência no PAC passa ser (FP) = 0,99 (indutivo), o que demonstra o funcionamento da proposta. Na Figura 4.8 observa-se o deslocamento da corrente após a conexão do sistema. Após a conexão do sistema fotovoltaico as correntes apresentam um THD = 3,48%.
3 2 1 0 -1 -2 -3 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 Corrente da rede antes da conexão Corrente da rede após conexão Tensão no PAC
Corrente1A/div, THD= 3,48%, PF=0,62, PF=0,99; Tensão100V/div Tempo (s)
Figura 4.8: Sistema fotovoltaico compensando potência reativa.
O sistema também foi simulado com uma carga não-linear, composta por uma indu- tância com 2 mH em série com um retificador trifásico, não controlado, que alimenta uma carga (RL) de 10Ωe 30 mH. Na Figura 4.9 apresentam-se o gráfico da tensão do ponto
CAPÍTULO 4. ESTUDOS DE SIMULAÇÃO DESENVOLVIDOS 46
de acoplamento comum, da corrente da rede sem a conexão do sistema, e a corrente na rede após a conexão do sistema fotovoltaico.
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Tempo (s)
Corrente da rede antes da conexão Corrente da rede após conexão Tensão no PAC
Tensão 100V/div;Corrente20A/div, THD(sem compensação )= 19,69%, THD (com compensação) =4,62%; 3 2 1 0 -1 -2 -3
Figura 4.9: Sistema fotovoltaico compensando harmônicos na rede.
Antes da conexão do sistema fotovoltaico as correntes apresentavam THD = 19,69%. A estratégia de controle proposta impõe uma corrente da rede elétrica quase senoidal, com um conteúdo de harmônicos de THD = 4,62%, o que atende às restrições impostas pelos padrões IEEE Std 519-1992 e IEC 61000. Na Figura 4.10 em que é apresentado o espectro de frequência das correntes da rede, observa-se uma redução do conteúdo harmô- nico. Verifica-se ainda a redução da componente fundamental, indicando que o sistema fotovoltaico está inserindo potência ativa na carga.
35 30 25 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Harmonico Sem compensação Com compensação Corrente (A)
Figura 4.10: Espectro de frequência das correntes da rede, após a conexão do sistema fotovoltaico.
De acordo com a lei dos nós, para que exista a compensação de harmônicos na rede, ou seja, que a rede deixe de fornecer harmônicos, o conversor CC-CA do sistema fotovol-
CAPÍTULO 4. ESTUDOS DE SIMULAÇÃO DESENVOLVIDOS 47
taico deverá fornecer os harmônicos demandados pela carga. Desta forma, as correntes injetadas pelo conversor CC-CA são constituídas basicamente de harmônicos, para este tipo de carga. Na Figura 4.11, apresenta-se o gráfico da corrente da carga superposta com a corrente do conversor CC-CA e da rede, no ponto de acoplamento comum. A tensão no PAC antes da conexão do sistema era puramente senoidal, com THD = 0%. Após a cone- xão do sistema fotovoltaico, a tensão no PAC sofre uma pequena alteração, apresentando THD = 1,0263%. 40 30 20 0 10 -40 -30 -20 -10 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Tempo (s) Corrente (A)
Corrente Conversor Corrente Carga Corrente Rede
Corrente 10A/div
Figura 4.11: Corrente do sistema fotovoltaico, corrente da rede, e corrente na carga.
4.3
Síntese do Capítulo
Neste capítulo foi desenvolvido o estudo de simulação voltado ao método de rastre- amento da máxima potência e da integração do sistema fotovoltaico a rede elétrica. São realizados 5 testes com diferentes análises. Na Tabela 4.1 é apresentado um resumo dos testes descritos, com as devidas configurações de sistema e condições de operação.
Tabela 4.1: Resumo da descrição dos testes.
Num Descriçao Carga Linear Carga N-Linear Irradiância
1 Validação do MPPT 60Ωe 5 mH - 300 e 1000 W/m2
2 Compensação de parte da demanda 60Ωe 5 mH - 300 W/m2
3 Injetar potência na rede 60Ωe 5 mH - 1000 W/m2
4 Compensando fator de potência 20Ωe 200 mH - 300 W/m2
Capítulo 5
Resultados Experimentais
Em um sistema real, existem diversos fatores que não podem ser abordados em um ambiente computacional. Por isso, a avaliação do comportamento do sistema diante de perturbações não-modeladas, inerentes ao sistema elétrico, é extremamente importante para a validação da estratégia de seguidores de máxima potência proposta neste trabalho. Diante disso, serão apresentados nesse capítulo, resultados experimentais obtidos diante da estratégia de controle, para a conexão do sistema fotovoltaico à rede elétrica. Também são abordados, os resultados experimentais que demonstram a eficácia da estratégia de controle indireta para determinação do ponto de máxima potência para o sistema fotovol- taico.
5.1
Descrição do Sistema Experimental
Na Figura 5.1 é apresentado o diagrama unifilar simplificado do sistema fotovoltaico implementado no Laboratório de Eletrônica de Potência e Energias Renováveis da Uni- versidade Federal do Rio Grande do Norte (LEPER/UFRN)
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 49 VSI C PAC rg lg rs ls Boost CC CC PV va vb vc rg lg rs ls rg lg rs ls n Medição de Grandezas Processamento de Sinal Rotina de Controle Acionamento dos conversores
V1 VC V1 VC Estrutura Física TMS F28335 CC-CC CC-CA
Sensor Efeito Hall
CC-CC CC-CA Substação ICC IPV Ig1 Ig2 Ig3 Is1 Is2 Is3 Is1 Is2 Is3 rl ll rl ll rl ll
Figura 5.1: Descriçao da plataforma experimental.
Para a obtenção dos resultados experimentais, foi montada uma plataforma de 1 kWp, composta pela associação em série de 4 módulos policristalinos de 245 Wp. O Painel é conectado a um conversor CC-CC (boost) para elevar sua tensão de saída. Nesse mesmo conversor é implementado o seguidor de máxima potência. O sistema é conectado à rede elétrica por meio de um conversor CC-CA trifásico e uma impedância de acoplamento de 2 mH. No ponto de conexão do conversor com a rede elétrica, há uma carga trifásica composta por uma associação em série de resistor e indutor (rl=20 Ωe ll=30 mH). Em
paralelo a esta, há uma carga não-linear. A carga não linear é composta por um retifica- dor trifásico que alimenta uma carga RL, também composta pela associação em série de resistor e indutor (60Ωe 30 mH).
A estratégia de controle foi implementada no DSP F28335 da Texas Instruments, com intervalo de amostragem de 100 µs, com isso, o PWM é modulado na frequência de 10 kHz.
As medições das grandezas de tensão e corrente são realizadas com o auxílio de sen- sores de efeito Hall. O fundo de escala destes sensores são ajustados para que seja obtida a maior relação sinal X ruído. Dentro da rotina de controle, os sinais de entrada são filtrados através de um filtro digital passa-baixa ajustado em 2,5 kHz. Esses filtros são utilizados
CAPÍTULO 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 50
para eliminar componentes harmônicos indesejáveis provenientes do processo de chave- amento das fontes e da interferência elétrica gerada pelos conversores. Um detalhamento dos componentes utilizados na plataforma experimental está descrito no Apêndice A.