Bancada para ensaios de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica monofásica empregando emulador eletrônico fotovoltaico

DIRETORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM

ENGENHARIA ELÉTRICA

MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

ROBERVAL VERÍSSIMO

BANCADA PARA ENSAIOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

CONECTADOS À REDE ELÉTRICA MONOFÁSICA EMPREGANDO

EMULADOR ELETRÔNICO FOTOVOLTAICO

DISSERTAÇÃO

CORNÉLIO PROCÓPIO

2020

ROBERVAL VERÍSSIMO

BANCADA PARA ENSAIOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

CONECTADOS À REDE ELÉTRICA MONOFÁSICA EMPREGANDO

EMULADOR ELETRÔNICO FOTOVOLTAICO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, como requisito parcial para obtenção do título de “Mestre em Engenharia Elétrica”.

Orientador: Prof. Dr. Leonardo Poltronieri Sampaio.

Coorientador: Prof. Dr. Sérgio Augusto Oliveira da Silva.

CORNÉLIO PROCÓPIO

2020

Bancada para ensaios de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica monofásica empregando emulador eletrônico fotovoltaico / Roberval Veríssimo. – 2020.

155 f. : il. color. ; 31 cm.

Orientador: Leonardo Poltronieri Sampaio. Coorientador: Sérgio Augusto Oliveira da Silva.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Cornélio Procópio, 2020.

Bibliografia: p. 118-122.

1. Sistemas de energia fotovoltaica. 2. Geração de energia fotovoltaica. 3. Retificadores de corrente elétrica. 4. Conversores de corrente elétrica. 5. Engenharia Elétrica – Dissertações. I. Sampaio, Leonardo Poltronieri, orient. II. Silva, Sérgio Augusto Oliveira da, coorient. III Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de

Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. IV. Título.

CDD (22. ed.) 621.3 Biblioteca da UTFPR - Câmpus Cornélio Procópio

Bibliotecário/Documentalista responsável: Romeu Righetti de Araujo – CRB-9/1676

Av. Alberto Carazzai, 1640 - 86.300-000- Cornélio Procópio – PR.

Tel. +55 (43) 3520-4007 / e-mail: ppgee-cp@utfpr.edu.br / www.cp.utfpr.edu.br/ppgee

TERMO DE APROVAÇÃO Título da Dissertação Nº 063:

“Bancada para Ensaios de Sistemas Fotovoltaicos

Conectados à Rede Elétrica Monofásica Empregando

Emulador Eletrônico Fotovoltaico”.

por

Roberval Veríssimo

Orientador: Prof. Dr. Leonardo Poltronieri Sampaio Co-orientador: Prof. Dr. Sérgio Augusto Oliveira da Silva

Esta dissertação foi apresentada como requisito parcial à obtenção do grau

de MESTRE EM ENGENHARIA ELÉTRICA – Área de Concentração: Sistemas

Eletrônicos Industriais, pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica –

PPGEE – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR – Câmpus

Cornélio Procópio, às 09h do dia 04 de junho de 2020. O trabalho foi ___________ pela Banca Examinadora, composta pelos professores:

__________________________________

Prof. Dr. Leonardo Poltronieri Sampaio Presidente

__________________________________

Prof. Dr. Leonimer Flavio de Melo UEL

_________________________________

Prof. Dr. Leonardo Bruno Garcia Campanhol UTFPR-AP

Visto da coordenação: __________________________________

Prof. Dr. Cristiano Marcos Agulhari

Coordenador Substituto do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

UTFPR Câmpus Cornélio Procópio

Dedico este trabalho às minhas amadas filhas Isabela e Beatriz, razão do meu esforço.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, Grande Arquiteto Do Universo, que proporcionou essa oportunidade de evolução. Agradeço ao nosso Senhor Jesus Cristo, fonte de amor e exemplo, que ilumina o caminho e guia os meus passos. Agradeço a Nossa Senhora, que intercede e me fortalece nos momentos de fraqueza.

Agradeço às minhas filhas Isabela e Beatriz Santana Veríssimo e a minha esposa Débora Ferrer Santana Veríssimo, meus amores, que acreditaram desde o início que eu iria vencer mais esse desafio, me incentivaram todo o tempo e se esforçaram para superar as privações que esse período nos trouxe. Agradeço novamente a minha esposa, que sem medir esforços, teve participação imprescindível nessa conquista e me deu segurança e tranquilidade emocional, tanto necessárias.

Agradeço ao meu pai José Natal Veríssimo e minha mãe Olga Stramandinoli Veríssimo, que mais uma vez me motivaram e deram apoio para que eu desse mais um passo na minha formação acadêmica.

Agradeço a minha irmã Rosicleire Veríssimo Silveira e meu cunhado Alexandre Ninhaus Silveira, que, já Doutores, serviram de inspiração e deram incentivo para a realização do curso de mestrado. Agradeço também a todos os meus familiares mais próximos por acreditarem em mim e transmitirem bons fluídos.

Agradeço ao meu orientador, Prof. Dr. Leonardo Poltronieri Sampaio, que me aceitou como orientando, acreditou na minha proposta, confiou na minha conduta, teve enorme paciência frente as minhas limitações, foi tolerante com os meus erros sem deixar de cobrar as correções, soube conduzir as atividades com admirável conhecimento técnico e não poupou tempo nem esforços na orientação e nos momentos de dificuldade, excelente profissional. Agradeço pela amizade e por fazer parte da minha história.

Agradeço ao meu co-orientador, Prof. Dr. Sérgio Augusto Oliveira da Silva, que acompanhou e deu todo o suporte necessário para a realização dos trabalhos. Agradeço por seu exemplo de seriedade, firmeza e competência profissional.

Agradeço aos Professores Doutores, membros da banca de avaliação, Leonimer Flávio de Melo, Leonardo Bruno Garcia Campanhol e Paulo Junior da Silva Costa, pelas contribuições com o trabalho.

Agradeço aos Professores Doutores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, campus Cornélio Procópio (UTFPR-CP), Rodrigo Sumar, Marcelo Castoldi, Cristiano Agulhari, Paulo Scalassara,

Alessandro Vargas, Edson Hideki, Leonardo Campanhol, Alessandro Goedtel e Paulo Costa, que de forma direta ou indireta contribuíram para a realização do meu curso de mestrado e enriquecimento pessoal. Fui muito bem tratado por todos. Agradeço em memória ao Prof. Dr. Fábio Durand, cujo espírito certamente está bem acompanhado, que teve presença marcante em minha vida, dando exemplo de fé e coragem. Suas aulas e recomendações de leitura para enriquecimento pessoal foram todas preciosas.

Agradeço a todos os colegas alunos participantes do PPGEE, Laboratório de Eletrônica de Potência Qualidade de Energia e Energias Renováveis (LEPQER) e demais laboratórios, Charles Polizelli, Guilherme Pelz, Bruno Costa, Lucas Blessa, Maykon Vichoski, Sebastian Manrique, Marcelo Takami, Vinícius Bacon, Gabriel Previero, Daniel Giannini, Igor Guizelini e tantos outros com quem convivi, que muito me ajudaram no decorrer das disciplinas e nos trabalhos de laboratório. Agradeço ao Guilherme Lima, que me acompanhou e ajudou a superar um período difícil durante o curso e agradeço também aos colegas Rafaela Dizaró e Vinícius Souza, que além da colaboração no período das disciplinas, foram presença constante nas atividades de laboratório e com eles muito aprendi.

Agradeço as colegas, Tatiane Santos e Jéssica Mendes, que através da secretaria do PPGEE-CP cuidaram com diligência das questões burocráticas relacionadas à minha participação no programa. Agradeço também aos demais colaboradores que zelaram pela estrutura e perfeito funcionamento de cada departamento que fiz uso, no período em que estive no campus.

Agradeço à UTFPR-CP, por me receber como aluno, colocando à disposição toda a infraestrutura do Campus, em especial os recursos do LEPQER.

Espero ter agido de forma justa e perfeita com todos aqueles com quem me relacionei neste trecho de linhas retas, do caminho que Deus me oferece.

Segundo as escrituras, depois de criar o céu e a terra, a primeira coisa que Deus fez foi a LUZ.

“³Deus disse: “Faça-se a luz”! E a luz se fez. ⁴Deus viu que a luz era boa. Deus separou a luz das trevas. ⁵À luz Deus chamou “dia” e às trevas chamou “noite”. Houve uma tarde e uma manhã: o primeiro dia.” (Gn 1, 3-5)

R

VERÍSSIMO, Roberval. Bancada para Ensaios de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica Monofásica Empregando Emulador Eletrônico Fotovoltaico. 2020. 155 f. Dissertação – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Cornélio Procópio, 2020.

Este trabalho apresenta a análise, desenvolvimento e implementação de uma bancada para ensaios e estudo de sistemas fotovoltaicos (FV), a qual é distribuída em quatro estágios de conversão de potência. O estágio de entrada é constituído por um retificador monofásico, que drena corrente senoidal da rede elétrica a fim de fornecer uma tensão contínua para o primeiro barramento CC. Já no segundo estágio é empregado um conversor CC-CC abaixador (Buck), o qual é controlado para emular e reproduzir as curvas características de um determinado módulo FV. O terceiro estágio apresenta um conversor CC-CC elevador (Boost), o qual tem a função de realizar o seguimento do ponto de máxima potência (MPPT - Maximum Power Point

Tracking), bem como a de fornecer tensão para o terceiro barramento CC. Por fim, toda a

energia disponibilizada no terceiro barramento é injetada na rede elétrica por meio de um inversor monofásico. Desta forma, a bancada fotovoltaica permite o estudo e análise dos quatro estágios de potência utilizados, além de permitir a análise de diferentes algoritmos de MPPT. A modelagem matemática de cada estágio, bem como o projeto dos ganhos dos controladores são apresentados. Por meio de resultados de simulação e testes experimentais o desempenho do sistema apresentado é avaliado, analisando os comportamentos estáticos e dinâmicos de cada estágio de potência, com o objetivo de validar o estudo realizado.

Palavras-chave: Sistema Fotovoltaico, Geração distribuída, Retificador, Conversores de potência, Inversor, Emulador fotovoltaico, Inversos Full-Bridge, Buck, Boost.

A

VERÍSSIMO, Roberval. Workbench for Performing Tests in Single-Phase Grid-Connected Photovoltaic Systems Employing a Photovoltaic Electronic Emulator. 2019. 155 f. Qualification - Post-Graduate Program in Electrical Engineering, Federal Technological University of Paraná. Cornélio Procópio, 2019.

This work presents the analysis, development and implementation of a workbench for testing and study of photovoltaic (PV) systems, which is distributed in four stages of power conversion. The input stage consists of a single-phase rectifier, which drains sinusoidal current from the electrical network in order to provide a continuous voltage for the first DC-bus. In the second stage, a DC-DC converter (Buck) is used, which is controlled to emulate and reproduce the characteristic curves of a specified PV module. The third stage features a Boost DC-DC converter, which has the function of performing the Maximum Power Point Tracking (MPPT), as well as to supply energy to the fourth stage (second DC-bus). Finally, all the energy available on the second DC-bus is injected into the mains by means of a single-phase inverter. In this way, the photovoltaic bench allows the study and analysis of the four power stages used, in addition to allowing the analysis of different MPPT algorithms. The mathematical modeling of each power stage, as well as the design of controller gains are also presented. By means of simulation results and experimental tests the presented system performance is evaluated, analyzing the static (steady-state) and dynamic behaviors of each power stage, in order to validate the study.

Keywords: Photovoltaic System, Distributed Generation, Rectifier, Power Converters, Inverter, Photovoltaic Emulator, Full-Bridge Inverter, Buck, Boost.

L

F

Figura 2.1 - Esquema completo do sistema FV utilizado nos ensaios de simulação. ... 28

Figura 2.2 - Corte transversal de uma célula FV. ... 30

Figura 2.3 - Arranjo FV 4s2p. ... 31

Figura 2.4 - Curva característica I-V (a) e sua respectiva curva P-V (b), com os devidos MPP. ... 32

Figura 2.5 - (a) Curva I-V para diferentes valores de Rs; (b) Curva I-V para diferentes valores de Rp; (c) Curva I-V para diferentes níveis de radiação; (d) Curva I-V para diferentes temperaturas... 33

Figura 2.6 - Circuito do Retificador Monofásico Controlado. ... 34

Figura 2.7 – Circuito do conversor Buck. ... 35

Figura 2.8 - Circuito conversor Boost. ... 36

Figura 2.9 - Circuito do inversor full-bridge. ... 37

Figura 2.10 - (a) Curva P-V para diferentes níveis de radiação; (b) Curva P-V para diferentes temperaturas... 38

Figura 2.11 - Fluxograma de operação do MPPT P&O para variação de potência e tensão. .. 39

Figura 2.12 - Comportamento da variação da potência para uma perturbação de tensão. ... 40

Figura 3.1- Circuito equivalente da célula FV. ... 43

Figura 3.2 - Circuito do retificador conectado à rede elétrica. ... 45

Figura 3.3 - Circuito equivalente do retificador controlado. ... 46

Figura 3.4 - Circuito equivalente à primeira etapa de funcionamento do retificador controlado. ... 46

Figura 3.5 - Circuito equivalente à segunda etapa de funcionamento do retificador. ... 47

Figura 3.6 - Circuito equivalente do balanço de potência no retificador. ... 50

Figura 3.7 - Circuito do conversor Buck com RL. ... 52

Figura 3.8 - Circuito equivalente à primeira etapa de funcionamento do Buck. ... 52

Figura 3.9 - Circuito equivalente à segunda etapa de funcionamento do Buck. ... 53

Figura 3.10 - Circuito do conversor Boost com RL. ... 56

Figura 3.11 - Circuito equivalente à primeira etapa de funcionamento do Boost. ... 57

Figura 3.12 - Circuito equivalente à segunda etapa de funcionamento do Boost. ... 57

Figura 3.13 - Circuito do inversor full-bridge considerando a perda em RLs. ... 61

Figura 3.14 - Circuito equivalente do inversor full-bridge. ... 61

Figura 3.16 - Circuito da segunda etapa de funcionamento do inversor. ... 62

Figura 3.17 - Circuito equivalente do balanço de potência no inversor. ... 65

Figura 4.1 - Diagrama em blocos do controlador do retificador. ... 70

Figura 4.2 - Diagrama em blocos do controlador do Buck. ... 75

Figura 4.3 - Diagrama em blocos do controlador do Boost. ... 77

Figura 4.4 - Diagrama em blocos do controlador do inversor. ... 81

Figura 5.1 – Circuito esquemático completo utilizado para análise de funcionamento do sistema FV completo. ... 89

Figura 5.2 – Resultados de simulação: Gráfico do comportamento da corrente ig, mediante variação da irradiância (10A/div, 1s/div). ... 92

Figura 5.3 – Resultados de simulação: Formas de onda de tensão e corrente de entrada do retificador (60V/div, 20A/div, 0,05s/div). ... 92

Figura 5.4 - Resultados de simulação: Gráfico do comportamento da tensão Vdc1 mediante variação da irradiância (50V/div, 1s/div). ... 93

Figura 5.5 - Resultados de simulação: Gráficos das correntes I de saída do emulador FV e Ipv* de referência (5A/div, 1s/div). ... 94

Figura 5.6 - Resultados de simulação: Gráfico do comportamento da tensão, corrente e potência do barramento dc2, mediante variação da irradiância (5V/div, 5A/div, 500W/div, 1s/div). ... 95

Figura 5.7 - Resultados de simulação: Curvas P-V características do arranjo FV, traçadas mediante variação da irradiância (500W/div, 50V/div). ... 96

Figura 5.8 - Resultados de simulação: Gráfico do comportamento da tensão Vdc3 mediante variação da irradiância (50V/div, 1s/div). ... 97

Figura 5.9 - Resultados de simulação: Gráfico do comportamento da corrente is, mediante variação da irradiância (10A/div, 1s/div). ... 97

Figura 5.10 – Resultados de simulação: Formas de onda de tensão vs e corrente is injetada na rede (60V/div, 20A/div, 0,05s/div). ... 98

Figura 5.11 - Resultados de simulação: Gráfico do comportamento da tensão, corrente e potência do barramento dc2, mediante variação da irradiância e temperatura (5V/div, 5A/div, 500W/div, 1s/div). ... 99

Figura 5.12 - Resultados de simulação: Curvas P-V características do arranjo FV traçadas, mediante variação da irradiância (500W/div, 50V/div). ... 100

Figura 5.13 – Resultados de simulação: Gráfico de comportamento de tensões e correntes do sistema completo, mediante variação da irradiância. (50V/div, 10A/div, 1s/div) (2V/div, 5A/div apenas para Vdc2 e idc2). ... 101

Figura 6.1 - Fotografia da bancada experimental implementada para ensaios de sistemas FV ... 103 Figura 6.2 - Resultados experimentais: Curvas I-V teóricas, sobrepostas por pontos I-V experimentais para arranjo 4s1p (1A/div, 20V/div). ... 105 Figura 6.3 - Resultados experimentais: Curvas P-V teóricas, sobrepostas por pontos P-V experimentais para arranjo 4s1p (100W/div, 20V/div). ... 105 Figura 6.4 – Resultados experimentais: Curvas I-V teóricas, sobrepostas por pontos I-V experimentais para arranjo 4s2p (2A/div, 20V/div). ... 107 Figura 6.5 – Resultados experimentais: Curvas P-V teóricas, sobrepostas por pontos P-V experimentais para arranjo 4s2p (200W/div, 20V/div). ... 107 Figura 6.6 – Resultados experimentais: Curvas I-V teóricas, sobrepostas por pontos I-V experimentais para arranjo 4s2p, 1000 W/m², com mudança de temperatura(2A/div, 20V/div). ... 109 Figura 6.7 – Resultados experimentais: Curvas P-V teóricas, sobrepostas por pontos P-V experimentais para arranjo 4s2p, 1000 W/m², com mudança de temperatura(2A/div, 20V/div). ... 109 Figura 6.8 - Resultados experimentais: Gráficos de tensão, corrente e potência no barramento dc2, para variação de irradiância. (28V/div, 3A/div, 320W/div, 1s/div). ... 111 Figura 6.9 - Resultados experimentais: Gráficos de tensão, corrente e potência no barramento

dc2, para degraus de carga. (28V/div, 3A/div, 320W/div, 0,5s/div). ... 112

Figura 6.10 - Resultados experimentais: Gráficos de tensão, corrente e potência no barramento

dc2, com técnica MPPT P&O. (28V/div, 3A/div, 320W/div, 2s/div). ... 113

Figura 6.11 - Resultados experimentais: Gráficos de tensão em maior escala, no barramento

dc2, com técnica MPPT P&O. (5,63V/div, 2s/div). ... 114

Figura 6.12 - Resultados experimentais: Gráficos de tensão, corrente e potência no barramento

dc2, com técnica MPPT P&O e variação de Psun. (28V/div, 3A/div, 320W/div, 1s/div). .... 114

Figura A.1 - Esquema utilizado para análise de funcionamento do retificador. ... 123 Figura A.2 - Resultados de simulação: Gráfico do comportamento da tensão, corrente e potência no barramento dc1, mediante variação de carga (50V/div, 1A/div, 500W/div, 1s/div). ... 124 Figura A.3 - Resultados de simulação: Gráfico do comportamento da corrente ig, mediante variação de carga (10A/div, 1s/div). ... 126 Figura A.4 – Resultados de simulação: Formas de onda de tensão e corrente de entrada do retificador (60V/div, 20A/div, 0,005s/div). ... 127 Figura B.1 - Esquema utilizado para análise de funcionamento do emulador FV. ... 129

Figura B.2 - Resultados de simulação: (a) Gráfico de comparação I-V, mediante variação de carga com fonte CC fixa (2A/div, 20V/div). (b) Gráfico de comparação I-V, mediante variação

de carga com retificador acoplado (2A/div, 20V/div). ... 130

Figura B.3 - Resultados de simulação: Gráficos de tensão, corrente e potência no barramento dc2 (20V/div, 5A/div, 500W/div, 0,5s/div). ... 132

Figura B.4 - Resultados de simulação: Gráficos de tensão, corrente e potência no barramento dc2 (20V/div, 5A/div, 500W/div, 0,5s/div). ... 133

Figura C.1 - Esquema utilizado para análise de funcionamento do conversor Boost. ... 135

Figura C.2 - Resultados de simulação: Gráficos de tensão, corrente e potência no barramento dc2, controle MPPT (5V/div, 2A/div, 500W/div, 1s/div). ... 136

Figura C.3 - Resultados de simulação: Curvas P-V características do arranjo FV traçadas, mediante variação da irradiância (500W/div, 50V/div). ... 138

Figura C.4 – Resultados de simulação: Gráficos de tensão do barramento dc2 controle MPPT (5v/div, 2S/div). ... 139

Figura D.1 - Esquema utilizado para análise de funcionamento do inversor. ... 140

Figura D.2 - Resultados de simulação: Gráfico do comportamento da tensão Vdc3 mediante variação da irradiância (50V/div, 1s/div). ... 141

Figura D.3 - Resultados de simulação: Gráfico do comportamento da corrente is, mediante variação da irradiância (10A/div, 1s/div). ... 142

Figura D.4 – Resultados de simulação: Formas de onda de tensão e corrente na saída do sistema (60V/div, 10A/div, 0,05s/div). ... 143

Figura E.1 - Vista panorâmica do protótipo da Bancada de ensaios ... 144

Figura E.2 – Vista do quadro de disjuntores de proteção e acionamento da Bancada ... 144

Figura E.3 – Vista superior da Bancada com os elementos que a compõe ... 145

Figura E.4 - Vista interna da Bancada ... 145

Figura E.5 – Esquema simplificado de ligação entre os componentes da bancada ... 146

Figura E.6 - Esquema elétrico do conversor Buck ... 147

Figura E.7 - Esquema elétrico do conversor Boost ... 147

Figura E.8 - Circuito térmico do componente SK45GB063 ... 150

Figura E.9 - Medidas de perfil do dissipador HS5620 ... 151

Figura E.10 - Gráficos da resistência térmica em função da velocidade do ar produzido pela ventoinha. ... 152

Figura E.11 - Gráficos do fator de correção em relação ao comprimento... 153

Figura E.13 - Gráficos de aumento percentual de temperatura em relação a altitude. ... 154 Figura F.1 – Diagrama de blocos do algoritmo PLL. ... 155

LISTA DE QUADROS

Quadro 4.1 - Ganhos em tempo contínuo dos controladores PI e PI-R das malhas de controle. ... 85 Quadro 4.2- Ganhos discretizados dos controladores PI e PI-R aplicados nas malhas de controle. ... 87

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1 – Parâmetros de projeto para controlador PI da malha de corrente do retificador. 71 Tabela 4.2 - Parâmetros de projeto para controlador PI da malha de tensão do retificador. .... 74 Tabela 4.3 – Parâmetros de projeto para controlador PI da malha de corrente do Buck. ... 76 Tabela 4.4 – Parâmetros de projeto para controlador PI da malha de corrente do Boost. ... 78 Tabela 4.5 – Parâmetros de projeto para controlador PI da malha de tensão do Boost. ... 80 Tabela 4.6 – Parâmetros de projeto para controlador PI da malha de corrente do inversor. .... 82 Tabela 4.7 – Parâmetros de projeto para controlador PI da malha de tensão do inversor. ... 83 Tabela 5.1 – Parâmetros de projeto adotados para o retificador, na simulação do sistema completo. ... 89 Tabela 5.2 – Parâmetros de projeto adotados para o Emulador FV, na simulação do sistema completo ... 90 Tabela 5.3 – Parâmetros de projeto adotados para o Conversor Boost, na simulação do sistema completo ... 90 Tabela 5.4 – Resultados obtidos para o barramento dc2 com MPPT P&O, mediante variação de irradiância e temperatura. ... 100 Tabela 6.1 – Resultados experimentais: Obtidos para a tensão e corrente na saída do emulador, mediante variação de carga, com arranjo 4s1p. ... 106 Tabela 6.2 - Resultados experimentais: Obtidos para a tensão e corrente na saída do emulador, mediante variação de carga, com arranjo 4s2p. ... 108 Tabela 6.3 - Resultados experimentais: Obtidos para a tensão e corrente na saída do emulador, para 1000 W/m², mediante variação de carga e mudança de temperatura. ... 110 Tabela A.1 – Parâmetros de projeto adotados na simulação do retificador. ... 123 Tabela A.2 – Resultados de simulação: Obtidos para a tensão do barramento dc1, mediante variação de carga. ... 125 Tabela A.3 – Resultados de simulação: Obtidos para a corrente drenada ig, mediante variação de carga. ... 126

Tabela B.1 – Parâmetros do módulo FV SW245 em STC utilizados nas simulações. ... 128 Tabela B.2 – Parâmetros de projeto adotados na simulação do emulador FV (Buck). ... 129 Tabela B.3 – Resultados de simulação: Obtidos para a tensão e corrente na saída do emulador, mediante variação de carga... 131 Tabela B.4 – Resultados de simulação: Obtidos para tensão e corrente no barramento dc2, mediante variação irradiância. ... 133 Tabela B.5 - Resultados de simulação: Obtidos para tensão e corrente no barramento dc1, dc2, mediante variação irradiância. ... 134 Tabela C.1 – Parâmetros de projeto adotados na simulação do conversor Boost. ... 136 Tabela C.2 – Resultados de simulação: Obtidos para o barramento dc2 com MPPT P&O, mediante variação de irradiância. ... 137 Tabela D.1 – Parâmetros de projeto adotados na simulação do inversor. ... 141 Tabela D.2 – Resultados de simulação: Obtidos para a corrente ig, mediante variação irradiância. ... 143

LISTA DE ABREVIATURAS, ACRONOMOS E SIGLAS

ABINEE Associação Brasileira das Indústrias Elétrica e Eletrônica

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

AM Air Mass

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica BIG Banco de Informações de Geração CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica DHT Distorção Harmônica Total

DSC Digital Signal Controler

DSP Digital Signal Processor

EEFV Emulador Eletrônico Fotovoltaico EPI Equipamento de Proteção Individual FV Fotovoltaico

GD Geração Distribuída

IEC International Electrotechnical Commission

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

MME Ministério de Minas e Energia MPP Maximum Power Point

MPPT Maximum Power Point Tracking

NR Norma Regulamentadora NRB Norma Brasileira

P&O Perturb and Observe

PI Proporcional-Integral

PID Proporcional-Integral-Derivativo PI-R Proporcional-Integral-Ressonante PLL Phase-Locked Loop

PRODIST Procedimentos de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional

PWM Pulse-Width Modulation

QEE Qualidade de Energia Elétrica

SCR Silicon Controlled Rectifier

SIN Sistema Integrado Nacional

STC Standard Test Condition

TDH Taxa de Distorção Harmônica

USB Universal Serial Bus

SUMÁRIO

2.2. CÉLULA,MÓDULOEARRANJO FV ... 29

2.2.1. CURVA DE RESPOSTA I-V DO MÓDULO FOTOVOLTAICO ... 32

2.3. RETIFICADORMONOFÁSICOCONTROLADO ... 33

2.4. CONVERSORCC-CCBUCK ... 34

2.5. CONVERSORCC-CCBOOST ... 36

2.6. INVERSORFULL-BRIDGE ... 37

2.7. TÉCNICADEMPPTP&O ... 38

2.8. NORMASERECOMENDAÇÕESTÉCNICAS ... 40

2.9. CONSIDERAÇÕESPARCIAIS ... 41

3. PROJETOEMODELAGEMMATEMÁTICA ... 42

3.1. MODELAGEMDACÉLULAFOTOVOLTAICA ... 42

3.2. MODELAGEMDORETIFICADORMONOFÁSICOCONTROLADO ... 45

3.2.1. MODELAGEM DA MALHA DE CORRENTE DO RETIFICADOR ... 46

3.2.2. MODELAGEM DA MALHA DE TENSÃO DO RETIFICADOR ... 50

3.3. MODELAGEMDOCONVERSORBUCK ... 51

3.3.1. ANÁLISE CA: MÉDIA DOS SUBINTERVALOS ... 53

3.3.2. ANÁLISE CA: LINEARIZAÇÃO E PERTURBAÇÃO ... 54

3.3.3. FUNÇÃO TRANSFERÊNCIA DO CONVERSOR BUCK ... 55

3.4. MODELAGEMDOCONVERSORBOOST ... 56

3.4.1. ANÁLISE CA: MÉDIA DOS SUBINTERVALOS ... 58

3.4.2. ANÁLISE CA:LINEARIZAÇÃO E PERTURBAÇÃO ... 58

3.4.3. FUNÇÃO TRANSFERÊNCIA DO CONVERSOR BOOST ... 59

3.5. MODELAGEMDOINVERSORFULL-BRIDGE ... 60

3.5.1. MODELAGEM DA MALHA DE CORRENTE DO INVERSOR ... 61

3.5.2. MODELAGEM DA MALHA DE TENSÃO DO INVERSOR ... 65

3.6. CONSIDERAÇÕESPARCIAIS ... 67

4. PROJETODOSCONTROLADORES ... 68

4.1.1. PROJETO DO CONTROLADOR PI-R DA MALHA DE CONTROLE DE CORRENTE DO RETIFICADOR

...71

4.1.2. PROJETO DO CONTROLADOR PI DA MALHA DE CONTROLE DE TENSÃO DO BARRAMENTO DC1 ...73

4.2. CONTROLEDOCONVERSORBUCK(EMULADORFV) ... 75

4.2.1. PROJETO DO CONTROLAADOR PI DA MALHA DE CONTROLE DE CORRENTE DO BUCK ... 76

4.3. CONTROLEDOCONVERSORBOOST ... 77

4.3.1. PROJET DO CONTROLADOR PI DA MALHA DE CONTROLE DE CORRENTE BOOST ... 78

4.3.2. PROJETO DOCNTROLADOR PI DA MALHA DE CONTROLE DE TENSÃO DO BARRAMENTO DC2 ...79

4.4. CONTROLEDOINVERSORFULL-BRIDGE ... 81

4.4.1. PROJETO DO CONTROLADOR PI-R DA MALHA DE CONTROLE DE CORRENTE DO INVERSOR 82 4.4.2. PROJETO DO CONTROLADOR PI DA MALHA DE CONTROLE DE TENSÃO DO BARRAMENTO DC3 ...83

4.5. DISCRETIZAÇÃODOSCONTROLADORES ... 85

4.6. CONSIDERAÇÕESPARCIAIS ... 87

5. RESULTADOSDESIMULAÇÃO ... 88

5.1. SIMULAÇÃODOSISTEMACOMPLETO ... 88

5.2. CONSIDEREÇÕESPARCIAIS ... 102

6. RESULTADOSEXPERIMENTAIS ... 103

6.1. RESULTADOSEXPERIMENTAISDOEMULADORFOTOVOLTAICO ... 104

6.2. RESULTADOSEXPERIMENTAISDO CONVERSOR BOOST ... 112

6.3. CONSIDEREÇÕESPARCIAIS ... 115

7. CONCLUSÕESEPROPOSTASDECONTINUIDADE ... 116

7.1. CONCLUSÕES ... 116

7.2. PROPOSTADECONTINUIDADE ... 117

REFERÊNCIAS ... 118

APÊNDICEA–SIMULAÇÃODORETIFICADOR ... 123

APÊNDICEB–SIMULAÇÃODOEMULADORFOTOVOLTAICO(BUCK) 128 APÊNDICEC–SIMULAÇÃODOCONVERSORCC-CCBOOST ... 135

APÊNDICED-SIMULAÇÃODOINVERSORFULL-BRIDGE ... 140

APÊNDICEE–INFORMAÇÕESADICIONAIS ... 144

E.1–FOTOGRAFIASDOPROTÓTIPOIMPLEMENTADO ... 144

E.2–ESQUEMÁTICOS ... 146

E.3–CÁLCULODODISSIPADORDECALOR ... 148

1. INTRODUÇÃO

O avanço da legislação e a regulamentação das atividades de geração, distribuição e comercialização do setor elétrico (ANEEL, 482/2012; ANEEL, 687/2015), permitiu e propiciou a entrada do setor privado nessas atividades, despertando também interesse dos investidores de pequeno e médio porte, empresários e até proprietários de residências, visto que unidades autoprodutoras de pequeno porte à micros geradores puderam então gerar energia para uso próprio e comercialização (CCEE, 2016). Essas novas Unidades Geradoras de Energia Elétrica, cada qual operando com distintas fontes alternativas e renováveis de energia elétrica (ANEEL-BIG, 2019), oferecem alternativa descentralizadora frente ao Sistema Integrado Nacional (SIN), formando então o que passou a se chamar de “Geração Distribuída (GD)”. Operando na modalidade individual a Unidade Geradora pode injetar sua produção no Sistema Elétrico Local e consumir conforme a sua necessidade ou se agrupando para formar uma microrrede de energia elétrica para atender à carga própria e Unidades Consumidoras Locais (CCEE, 2018), podendo a microrrede operar de forma compartilhada com o Sistema Elétrico ou de forma “ilhada”, ou seja, desconectada e independente. (MARNAY, 2010).

A expansão de unidades geradoras de menor porte na Geração ocorreu em grande parte com a utilização de fontes renováveis, embora possam utilizar também fontes não renováveis. As fontes de energia não renováveis utilizam recursos naturais que podem se esgotar com o uso. Como principais exemplos de fontes de energia não renováveis, estão os combustíveis fósseis (petróleo, carvão mineral, gás natural e xisto betuminoso) e os combustíveis nucleares, sendo o Petróleo uma das principais fontes de energia no mundo (PENA (1), 2018). As fontes de energia renováveis, em contrapartida, são aquelas que usam recursos não esgotáveis, que se regeneram ou que se mantém ativos permanentemente. Dessa forma, capazes de manter-se disponíveis durante longo prazo. Como principais exemplos de fontes de energia renováveis, estão a hídrica, geotérmica, solar, eólica, biomassa e a das marés (PENA (2), 2018).

Diante disso, a busca por unidades geradoras de energia elétrica com menor impacto ambiental, renovável e de reduzido custo de implantação, fez crescer consideravelmente o interesse por sistemas fotovoltaicos (FV) em todo mundo (MME, 2018, Ref.2017), já que estes atendem perfeitamente aos requisitos, além de apresentarem interferência mínima ao meio ambiente com relação à conversão de energia solar (REN21, 2018).

O investimento constante no estudo e desenvolvimento desses sistemas e o avanço na área de eletrônica de potência propiciou o surgimento de novas topologias para sistemas FV,

bem como o desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas de controle, envolvendo diferentes métodos para o seguimento do ponto de máxima potência (MPPT - Maximum Power Point

Tracking) (BRITO, 2012), além de técnicas e topologias de conversores estáticos que visem

aumentar a eficiência global do sistema FV.

Adicionalmente, a evolução tecnológica e computacional tem permitido o desenvolvimento de ferramentas computacionais capazes de auxiliarem no estudo e desenvolvimento de pesquisas envolvendo a energia solar, como é o caso da PVSimLib®, a qual apresenta uma biblioteca de funções que fornece diferentes recursos para estudos relacionados à energia fotovoltaica (REGUERA,2018), bem como o software Simulink/Matlab®, amplamente utilizado na engenharia e exemplo de ambiente computacional utilizado em estudos por simulação.

Apesar do constante surgimento e evolução das ferramentas computacionais e plataformas de ensino (SAMPAIO, 2017), com capacidade de análise dinâmica de funcionamento de circuitos e levantamento de dados muito próximos aos fornecidos por sistemas reais, a prática em sistemas físicos didáticos é comprovadamente muito eficaz no aprendizado de alunos (MUÑOZ, 2014), além do que, para muitos trabalhos apresentados em cursos de engenharia e pós-graduação ainda há a necessidade de validação dos projetos por comprovações técnicas, obtidas a partir de resultados de medições realizadas em protótipos.

Desta forma, a bancada fotovoltaica apresentada neste trabalho pode ser utilizada no auxílio de estudos teóricos e práticos, permitindo a emulação do comportamento de um determinado arranjo FV, mediante variações de irradiação solar e temperatura ambiente, estudo e implementação de algoritmos de MPPT, PLL, técnicas de controle e otimização.

1.1. PROBLEMAS

De modo geral, em ambientes de pesquisas e desenvolvimento para aplicações em energias renováveis, constata-se a necessidade de recursos tecnológicos educacionais que auxiliem o estudo prático, utilizando equipamentos reais com os circuitos elétricos e os componentes acessíveis. Entretanto, o uso de módulos FV reais apresentam vários inconvenientes e até mesmo impedimentos às práticas no estudo de sistemas FV, dentre eles:

▪ Os testes e desenvolvimento de sistemas FV ficam limitados aos horários que há sol, sendo inviabilizados em dias de chuvas e em horários noturnos.

▪ O acesso às instalações físicas dos painéis solares, muitas vezes no topo dos edifícios, pode oferecer riscos ao pesquisador, necessitando treinamento e uso de equipamento de proteção individual (EPI) específico para tal atividade.

1.2. JUSTIFICATIVA

A escolha e direcionamento da linha de estudo sobre um sistema FV dedicado ao ensino, apresentado neste trabalho, levou em conta a realização do levantamento e análise de trabalhos apresentados nos últimos cinco anos, com base no Institute of Eletrictrical and Eletronics Engineers – IEEE, para temas relacionados a emuladores FV e bancada para ensaios de sistemas FV. A escolha por estes critérios de inclusão referentes ao tema, ocorre pelo fato deste trabalho apresentar uma bancada para ensaios de sistemas FV que emprega um emulador eletrônico FV.

Dentre os trabalhos analisados, alguns apresentam bancadas para ensaios específicos, como exemplos: ensaios para estudo de envelhecimento (vida útil) dos semicondutores utilizados (DBEISS, 2019); ensaios apenas dos inversores conectados à rede (NETO, 2018); ensaios somente de MPPT (EPURE, 2017). Bancadas com sistemas de único estágio, como o sistema simples estágio inversor (GONZATTI, 2017) ou até mesmo sistemas completos, porém com ensaios de sistemas apenas por simulação (JIANG, 2017).

Da mesma forma, os trabalhos sobre emuladores FV apresentaram várias soluções interessantes e até compatíveis com a topologia do sistema em estudo neste trabalho, colaborando para confirmar a versatilidade do projeto. Além disso, a variedade de emuladores em estudo mostra a correta escolha por este recurso em uma bancada de ensaios FV. Como exemplos: emuladores baseados em amplificadores diferenciais (BENTO, 2019); emulador com emissão de irradiação luminosa artificial (Lâmpadas e LEDs) (FARCAS, 2018); emulador baseado no conversor CC/CC Buck (MISHRA, 2018; CHARIAG, 2017; ERKAYA, 2016; ERKAYA, 2015); emulador baseado no conversor CC/CC H-Bridge (HASNAOUI, 2018);

Ainda assim, a escolha por um emulador baseado no conversor Buck se mostra correta, baseada nos resultados de simulação e experimentais realizados e por critérios apresentados no decorrer do trabalho.

Apesar da quantidade de trabalhos relacionados à sistemas FV, ainda ficava claro a necessidade do desenvolvimento de uma bancada de ensaios que possibilitasse o uso tanto para o ensino de sistemas FV , como para o ensino do funcionamento de alguns dos conversores de energia utilizados em eletrônica de potência, operando em módulos separadamente ou

combinados. Tal bancada ainda deveria permitir seu uso independentemente das condições climáticas naturais, cabendo ao usuário a escolha do nível de irradiação solar e temperatura ambiente.

Diante disso, este trabalho apresenta uma bancada de ensaios multidisciplinares, que auxilia no ensino de sistemas FV, além de assuntos relacionados a eletrônica de potência, qualidade de energia, métodos de controle e otimização.

1.3. OBJETIVOS

1.3.1. OBJETIVO GERAL

Esse trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma bancada educacional, capaz de auxiliar professores e alunos em laboratórios para ensaios relacionados a sistemas FVs. O dimensionamento do sistema deve ainda simular desde o comportamento de um único módulo, até arranjos FV no limite máximo de 2 kW de potência e permitir o uso de sistemas de controle capaz de estabilizar o sinal de saída da planta diante perturbações (distúrbios), bem como permitir a implementação de técnicas para aumento de desempenho.

1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

▪ Apresentar conceitos básicos relacionados a sistemas FV, normas e especificações;

▪ Apresentar topologia e princípio de funcionamento dos conversores de potência que compõe os quatro estágios do projeto: retificador monofásico controlado, conversores CC-CC modelos Buck e Boost e inversor modelo full-bridge;

▪ Apresentar o funcionamento do conversor Buck, operando como emulador eletrônico fotovoltaico (EEFV) e os resultados sintetizados por ele na substituição do arranjo FV;

▪ Apresentar o princípio de operação do sistema de conversão de potência denominado “Duplo estágio”, formado pelo acoplamento dos conversores CC-CC Boost e Inversor full-Bridge, bem como a técnica de MPPT do tipo P&O (perturb and observe) aplicada no controle do conversor Boost;

▪ Apresentar topologia e princípio de funcionamento dos controladores tipo Proporcional-Integral (PI) dos quatro estágios, com os ganhos dos compensadores das malhas de controle;

▪ Estabelecer conexão com a rede elétrica que atenda as normas referentes à qualidade de energia elétrica (QEE);

▪ Implementar e estudar via simulações às topologias já citadas de cada estágio do projeto, utilizando o software Simulink/Matlab®, assim como os respectivos circuitos de controle;

▪ Construir o protótipo do sistema FV em estudo e validar o trabalho através da avaliação dos resultados práticos obtidos com o funcionamento deste.

1.4. CONTRIBUIÇÃO DO TRABALHO

Este trabalho apresenta um estudo sobre de um sistema eletrônico com propósito educacional, visando contribuir no auxílio do estudo e aprendizagem de sistemas FV e eletrônica de potência. Trata-se do projeto e desenvolvimento de uma “bancada para ensaios de sistemas fotovoltaicos, conectados à rede elétrica monofásica empregando emulador eletrônico fotovoltaico”.

Conforme relatado anteriormente, esta bancada de ensaios difere de outros trabalhos, por ser concebida como um sistema FV completo, permitindo a realização de ensaios experimentais nessa configuração ou especificamente nos conversores que a compõe.

O estudo sistemas FV requer, em muitos casos, a obtenção de resultados experimentais mediante diferentes condições climáticas (irradiação solar e temperatura). A bancada eletrônica apresentada trabalha com um emulador fotovoltaico baseado no conversor

Buck, que permite sintetizar o comportamento de arranjos FV. A escolha do perfil de irradiação

solar e temperatura pode ser feita pelo operador da bancada. Além disso, é possível implementar e analisar algoritmos de controle, métodos MPPT, sistemas de sincronismo com a rede elétrica, bem como verificar a corrente injetada na rede elétrica pelo inversor monofásico conectado à rede elétrica, quando o sistema opera com sua configuração completa. Pode-se demonstrar e analisar todas as etapas envolvidas em um sistema FV real, em uma única bancada de ensaios. A versatilidade proposta nesta bancada de ensaios possibilita a aplicação prática dos fundamentos teóricos envolvendo sistemas FV, favorecendo o ensino e aprendizagem de estudantes de graduação e pós-graduação.

1.5. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

Esta dissertação de mestrado encontra-se disposto em sete capítulos. O primeiro capítulo apresenta uma introdução no assunto de recursos para ensino de sistemas fotovoltaicos, abordando o problema, a justificativa e a importância desse trabalho. Esclarece qual o objetivo geral e específico, apresenta a contribuição do trabalho, apresenta a metodologia aplicada na execução do trabalho e aqui, relaciona como os tópicos foram distribuídos.

O segundo capítulo apresenta a teoria referente aos conversores de potência utilizados no sistema FV deste trabalho, subdividido em tópicos que contêm as informações sobre topologia e princípio de funcionamento do modelo de painel FV, retificador controlado, conversores CC-CC modelos Buck e Boost e inversor. Este capítulo também aborda a teoria sobre técnicas de MPPT, sincronismo com a rede elétrica e as normas e recomendações para operação de sistemas fotovoltaicos.

O terceiro capítulo apresenta a modelagem matemática, dimensionamentos e características construtivas dos circuitos utilizados em cada estágio, citados anteriormente.

O quarto capítulo apresenta os projetos dos controladores destinados aos respectivos circuitos utilizados em cada estágio e os Scripts desenvolvidos no Matlab®, destinados ao cálculo dos ganhos dos compensadores das malhas de controle.

O quinto capítulo apresenta os resultados de simulação com estágios operando de forma independente e para o sistema FV em estudo operando de forma completa.

O sexto capítulo apresenta os resultados experimentais obtidos com a Bancada FV, novamente com estágios operando de forma independente e para o sistema FV em estudo operando de forma parcial.

2. SISTEMA FOTOVOLTAICO

Os sistemas FVs, também denominados de sistemas de energia solar FV, ou sistemas de energia solar são sistemas destinados a geração de energia elétrica através da conversão da energia proveniente da irradiação solar. Esses sistemas podem operar de forma autônoma à rede elétrica local, ou conectados a ela. Considerando os sistemas autônomos, estes possuem Painéis Solares, responsáveis pela conversão de energia solar em elétrica; Controlador de Carga (somente quando o sistema possui também bateria), responsável pelo gerenciamento da operação de baterias acumuladoras de energia; Inversor, responsável pela conversão de energia elétrica de corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA). Já os sistemas conectados à rede elétrica podem operar sem a necessidade de bateria, e podem injetar corrente senoidal na rede elétrica, desde que o controle do inversor faça a sincronização com esta. Um sistema fotovoltaico pode ainda operar em duplo estágio de conversão de energia, por intermédio de um conversor CC-CC conectado entre o arranjo FV e o inversor, realizando este conversor a elevação de tensão de saída do arranjo FV e o seguimento da máxima potência. Os sistemas FV podem ainda apresentar configurações variantes desta, dependendo da necessidade ou do objetivo do projeto adotado.

2.1. SISTEMAS FV EM ESTUDO

As Figuras 2.1 e 2.2 apresentam o esquema completo das duas versões do sistema FV em estudo, utilizadas no desenvolvimento deste trabalho. O projeto utiliza um Controlador Digital de Sinais DSC (Digital Signal Controller), no qual são embarcados algoritmos para realização de sincronismo com a rede elétrica (PLL – Phase-Looked-Loop), técnicas MPPT, modelo matemático característico do módulo FV, comunicação USB, controladores entre outros.

O sistema da Figura 2.1 é utilizado na obtenção dos resultados de simulação e opera com quatro estágios de conversão de potência: É composto por um transformador de isolamento que interliga a rede elétrica de entrada a um retificador monofásico controlado no primeiro estágio. Esse retificador fornece uma tensão controlada no barramento CC (dc1) drenando uma corrente alternada senoidal da rede elétrica com baixa taxa de distorção harmônica (TDH); Um conversor abaixador CC-CC (modelo Buck) no segundo estágio, com saída (dc2), que opera como um emulador eletrônico fotovoltaico (EEFV), apresentando comportamento similar ao

funcionamento de um arranjo FV com módulos 245Wp da fabricante comercial Solar World (SW245, 2020). O EEFV possibilita emular o comportamento de diferentes módulos FV comerciais, bem como outros arranjos FV; Um conversor elevador CC-CC (Boost) opera no terceiro estágio, o qual possibilita ensaios de diferentes métodos MPPT e fornece energia para o barramento CC na entrada do inversor (dc3); No quarto e último estágio, um inversor monofásico full-bridge, injeta na rede elétrica toda a energia presente no barramento dc3. Tanto a conexão de entrada da rede elétrica no primeiro estágio, como a de saída no quarto, opera com sincronismo com a tensão da rede elétrica por meio de um sistema PLL (SILVA, 2008; Bacon, 2014).

Figura 2.1 - Esquema completo do sistema FV utilizado nos ensaios de simulação.

pSBuck LBuckRLBuck Cdc2 Cdc3 LBoost pSBoost RLBoost

Retificador Monofásico Controlado

Cdc1 pS1a pS3a pS4a pS2a Ld RLg ig Vg(t) Vdc1 S1a S3a S2a S4a SwBuck I Vdc2 DBu ck idc2 DBoost SwBoo st Vdc3 pS1d pS3d pS4d pS2d S1d S3d S2d S4d Ls RLs vs is 1:1 T

Conversor Buck Conversor Boost Inversor Full-Bridge

Rede Elétrica Rede Elétrica Lg RLd Tx Rx PWM CONTROLE EMULADOR PV-Array PWM CONTROLE BOOST MPPT PWM CONTROLE INVERSOR PLL PWM CONTROLE RETIFICADOR PLL

Conversor Analógico - Digital (A/D)

TM S3 20 F2 83 35 D SC Computador: - Algoritmo; - Modelo FV; - Psun e T.

Interface USB Placa de condicionamento de sinais

V g (t ) I g (t ) V d c1 V d c2 (t ) i d c2 (t ) V s( t) i s (t ) V d c3 Ps 1 a Ps 2 a Ps 3 a Ps 4 a Ps 1 d Ps 2 d Ps 3 d Ps 4 d Ps B u ck Ps B o o st Fonte: Autor.

O sistema da Figura 2.2 é utilizado na obtenção de resultados experimentais e utiliza três conversores de energia. O primeiro estágio opera com um retificador monofásico de onda completa não controlado. Este sistema utiliza o mesmo emulador FV e o conversor Boost operando da mesma forma e com as mesmas funções que no sistema anterior. O quarto estágio inversor é substituído por uma resistência equivalente de carga, aplicada no barramento dc3. Neste caso também não se aplicam no DSC, os algoritmos de controle do retificador e do inversor e as informações de realimentação da tensão e corrente de entrada e saída da rede elétrica e das tensões dos barramentos dc1e dc3.

Figura 2.2 - Esquema completo do sistema FV utilizado nos ensaios experimentais. pSBuck LBuckRLBuck Cdc2 Cdc3 LBoost pSBoost RLBoost Retificador Monofásico Controlado

Cdc1 Vdc1 D1a D3a D2a D4a SwBuck I Vdc2 DBu ck idc2 DBoost SwBoo st Vdc3 Rcarga

Conversor Buck Conversor Boost

RLg ig vg(t) Rede Elétrica Lg Tx Rx PWM CONTROLE EMULADOR PV-Array PWM CONTROLE BOOST MPPT Conversor Analógico - Digital (A/D)

TM S3 20 F2 83 35 D SC Computador: - Algoritmo; - Modelo FV; - Psun e T.

Interface USB Placa de condicionamento de sinais V dc 2 (t ) i dc 2 (t ) Ps Bu ck Ps Bo ost Fonte: Autor.

2.2. CÉLULA, MÓDULO E ARRANJO FV

A energia proveniente da irradiação solar pode ser convertida em energia elétrica através de uma Célula FV. Essa conversão é denominada de Efeito Fotovoltaico e foi comprovado pela primeira vez pelo físico francês Edmund Becquerel em 1839, utilizando uma solução de selênio. O primeiro dispositivo FV com estrutura em estado sólido surgiu por volta de 1880, mas foi em 1954 que o laboratório americano Bell apresentou a primeira célula FV de junção pn em cristal semicondutor de Silício e a produção industrial teve início em 1956 (CRESESB, 2019).

O efeito FV em semicondutores é possível pela junção de cristais dopados, formando bandas de energia diferenciadas pela presença de elétrons livres (banda de valência) ou pela falta (lacuna) de elétrons (banda de condução). No caso do Silício, que possui átomos com quatro elétrons em sua última camada, a dopagem pode ser feita com átomos de Fósforo, que possui cinco elétrons na camada de valência, sobrando elétrons livres na rede cristalina formada (Silício tipo “n”). De forma contrária, a dopagem pode ser feita por átomos de Boro, com apenas três elétrons na camada de valência, resultando em lacunas na rede formada (Silício tipo “p”). Juntando os dois cristais de Silício dopados, tem-se uma junção pn e a formação de uma barreira

potencial (banda proibida) ao redor da junção, formada pela recombinação dos elétrons livres e lacunas mais próximas, com de energia da ordem de 1eV (elétron-Volt) de campo elétrico contrário, que dificulta a passagem de mais elétrons livres para o lado n e equilibra a junção.

A Figura 2.2 apresenta o corte transversal de uma célula FV que utiliza a junção pn descrita.

Figura 2.2 - Corte transversal de uma célula FV.

Fonte: Adaptado de (CRESESB, 2019).

Ao expor o cristal n à irradiação solar (fótons) com energia suficiente para vencer a barreira potencial da junção pn, volta a ocorrer a recombinação elétron-lacuna em avalanche, movimentando cargas através da junção. Esse reposicionamento de cargas provoca uma diferença de potencial nas extremidades da estrutura cristalina que, se conectadas a um circuito elétrico, conduz por este uma corrente elétrica enquanto houver a incidência de radiação solar, exemplificando assim o princípio de funcionamento de uma célula FV (CRESESB, 2019). A junção dos cristais de Silício p, n e seus respectivos contatos nas extremidades compõem uma célula FV básica.

As células FV são unidades fundamentais de um sistema fotovoltaico. Os módulos ou painéis FV são compostos por células FV, cujo arranjo em série e paralelo depende da tensão de circuito aberto e corrente de curto circuito que se deseja como característica de operação, já que células conectadas em série somam suas tensões, com corrente limitada pela menor e células em paralelo somam suas correntes, com tensão limitada igualmente pela menor. Como exemplo, para um módulo de silício cristalino apresentar 30 Volts em sua saída, são necessárias 60 células conectas em série, já que a tensão de circuito aberto de cada célula fica em torno de 0,5 a 0,6 Volts nominais (ABINEE, 2012). Então, tensão de um módulo FV (𝑉𝐹𝑉_𝑚) é igual a

Irradiação solar incidente

tensão de saída da célula FV (V), vezes o número de células em série (Ns) que o compõe, conforme mostra a equação (2.1).

𝑉𝐹𝑉_𝑚 = 𝑉𝑁𝑆 (2.1)

Os arranjos FV são compostos por módulos FV. Os módulos são interligados seguindo a mesma lógica das células, ou seja, em série e/ou paralelo dependendo da tensão e corrente desejadas. A potência nominal de um arranjo depende do número de módulos do projeto, qualquer que se deseja sua interligação. Da mesma forma, a tensão de circuito aberto de um arranjo FV (Voc_m) é igual a tensão de circuito aberto (Voc) de uma célula FV, vezes o número de células em série (Ns), vezes o número de módulos em série (Ms), conforme mostra a equação (2.2).

𝑉𝑜𝑐_𝑚

=

O dimensionamento do projeto deste trabalho prevê que o conversor Buck deva emular um arranjo de painéis FV capaz de fornecer até 1961,34Wp, equivalente a potência (Pmpp) fornecida por dois arranjos paralelo com quatro painéis ligados em série em cada um (string), aqui denominado “4s2p”. Tensão e correntes de máxima potência iguais a 123,2V e 15,92A, respectivamente, conforme mostra a Figura 2.3, considerando os dados do módulo Solar World

245Wp adotado (SW 245, 2020).

Figura 2.3 - Arranjo FV 4s2p.

Fonte: Autor.

As unidades de potência normalmente usadas são watt-pico (Wp) e quilowatt-pico (kWp). O sufixo “p”, de “pico” ou máxima, vem do fato de as potências nominal da célula, módulo ou arranjo FV serem as potências de pico obtidas em condições padrão de teste STC

(Standard Test Condition): temperatura da junção da célula fotovoltaica igual a (25±2)°C; irradiância (Psun) igual a 1000 W/m² (normal à superfície de ensaio); espectro solar igual a AM 1,5 (NBR 10899, 2013; ABINEE, 2012).

2.2.1. CURVA DE RESPOSTA I-V DO MÓDULO FOTOVOLTAICO

A modelagem matemática da célula FV, devidamente desenvolvida no item 3.1. deste trabalho, fornece o equacionamento para o cálculo da corrente utilizada no algoritmo implementado no ambiente computacional Matlab®, que intrinseco ao bloco funcional

PV-Array é responsável pela operação deste (VIJAYAKUMARI, 2011).

O PV-Array implementado no software Simulink/Matlab® e utilizado no circuito de controle do EEFV desse trabalho, simula a funcionalidade de um arranjo FV real, fornecendo em sua saída uma corrente de referência (Ipv) cujo comportamento depende das variáveis de entrada do sistema, como tensão de saída do conversor Buck (Vdc2), nível de irradiância ou radiação solar (Psun) e temperatura (T) ambiente, simulando as condições atmosféricas. Os parametros do módulo FV adotado também são utilizados no referido algorítimo, podendo dessa forma se obter a curva de resposta I-V (corrente-tensão) correspondente às condições atmosféricas impostas ao módulo FV que se deseja sintetizar na operação do EEFV (SILVA, 2016). A Figura 2.4 (a) apresenta um exemplo de curva I-V e seu ponto de máxima potência (MPP) do módulo em STC, determinado através da respectiva curva P-V apresentada na Figura 2.4 (b).

Figura 2.4 - Curva característica I-V (a) e sua respectiva curva P-V (b), com os devidos MPP.

(a) (b) Fonte: Autor.

A variação dos parâmetros Rs e Rp do módulo, assim como as condições atmosféricas

Psun e T, as quais é submetido, interferem no comportamento da curva I-V. A Figura 2.5: (a),

(b), (c) e (d) apresentam curvas genéricas que exemplificam tais interferências. MPP

Figura 2.5 - (a) Curva I-V para diferentes valores de Rs; (b) Curva I-V para diferentes valores de Rp; (c) Curva I-V para diferentes níveis de radiação; (d) Curva I-V para diferentes temperaturas.

(a) (b)

(c) (d)

Fonte: (CASARO, 2008).

2.3. RETIFICADOR MONOFÁSICO CONTROLADO

Um Retificador Controlado é um dispositivo capaz de converter energia proveniente de fonte CA em energia CC em sua saída, drenando uma corrente senoidal da rede elétrica, atendendo aos principais índices de qualidade de energia (IEEE, 1547). A amplitude CC de saída depende da amplitude CA de entrada, do modelo de retificador e do método de disparo das chaves.

Figura 2.6 - Circuito do Retificador Monofásico Controlado.

Fonte: Autor.

Onde: vg é a tensão de fase da rede elétrica; ig é a corrente de entrada; Lg é a indutância de filtragem; RLg é a resistência do indutor de filtragem; S1a, S2a, S3a e S4a são as chaves IGBTs;

PS1a, PS2a, PS3a e PS4a são os respectivos pulsos para acionamentos das chaves; Cdc1 é o

capacitor de filtro da saída; R é a resistência equivalente à carga acoplada, idc1 é a corrente de saída e Vdc1 é a tensão de saída.

O modelo de retificador da Figura 2.6 opera com quatro chaves do tipo IGBT (Insulated Gate Bipolar), controladas por técnica de modulação por largura de pulso (PWM) (Pulse Whidth Modulation). As Neste caso as chaves operam aos pares, em diagonal, com período de bloqueio e condução determinados em função do nível de tensão de saída desejado, quanto maior o período de condução, maior a amplitude da tensão de saída. A razão entre o período de condução e o período total é denominada razão cíclica “d”. Neste trabalho é adotada a PWM para todos os conversores.

2.4. CONVERSOR CC-CC BUCK

O Conversor CC-CC modelo Buck, ou step-down, opera como circuito abaixador de tensão, dessa forma, na faixa de operação adequada, a tensão de saída tem amplitudes menores que a amplitude do sinal de entrada, conforme a razão cíclica imposta.

A Figura 2.8 apresenta o circuito do conversor Buck ideal, ou seja, sem considerar as não idealidades dos componentes.

Figura 2.7 – Circuito do conversor Buck.

Fonte: Autor.

.

Onde: Vdc1 é a tensão de entrada do barramento dc1; SwBuck é a chave IGBT; gBuck é o gate da chave; DBuck é o diodo; LBuck é o indutor; iLBuck é a corrente no indutor, I é a corrente de saída; vLBuck é a tensão no indutor; RBuck é a resistência do indutor; Cdc2 é o capacitor de acoplamento; icdc2 é a corrente no capacitor; R é a resistência equivalente à carga acoplada; idc2

é a corrente de saída no barramento dc2 e vdc2 é a tensão de saída no barramento dc2, igual a

V.

Quando a chave é fechada (condução), o diodo é bloqueado, por estar inversamente polarizado. A corrente de entrada cresce de maneira linear e flui através do indutor para a saída, fazendo a tensão de saída Vdc2 igual à de entrada Vdc1. A chave é mantida fechada por um tempo Ton e depois passa para o estado desligado.

Quando a chave é aberta (bloqueio), a corrente no indutor decresce linearmente da mesma forma, nesse instante o indutor está sob uma tensão negativa. A corrente armazenada no indutor polariza diretamente o diodo e esta corrente flui pelo indutor e pela carga através do diodo. Em um período total Ts = Ton+Toff, o valor médio da tensão de saída Vdc2 é determinado pelo produto da tensão de entrada Vdc1 e da razão cíclica d=Ton/Ts, portanto Vdc2=dVdc1.

Não por acaso, a escolha neste trabalho por um gerador fotovoltaico baseado no conversor CC-CC, modelo Buck, para atuar como emulador eletrônico fotovoltaico (EEFV), foi baseada na necessidade de se controlar a corrente de saída do conversor. Isto é possibilitado pela presença do elemento acumulador de energia (indutor) em sua saída, conforme a topologia. Somado a isso, pelo fato de o conversor Buck apresentar dentre outros dispositivos chaveados uma topologia relativamente simples (MOHAN, 1989), da mesma forma que a topologia aplicada ao seu controle.

2.5. CONVERSOR CC-CC BOOST

O Conversor CC-CC modelo Boost, ou step-up, opera como circuito elevador de tensão, dessa forma a tensão de saída tem amplitudes que variam desde o valor da tensão de entrada, até várias ou infinita vezes este valor, dependendo da razão cíclica.

A Figura 2.8 apresenta o circuito do conversor Boost ideal, ou seja, sem considerar as não idealidades dos componentes.

Figura 2.8 - Circuito conversor Boost.

Fonte: Autor.

Onde: vdc2 é a tensão de entrada do barramento dc2; LBoost é o indutor; iLBoost = idc2, é a corrente no indutor, igual a corrente de entrada; vLBoost é a tensão no indutor; RBoost é a resistência do indutor; vRLBoost é a tensão na resistência do indutor; SwBoost é a IGBT; gBoost é o gate da chave; DBoost é o diodo; e Vdc3 é a tensão do barramento dc3 e no capacitor; icdc3 é a corrente no capacitor; idc3 é a corrente de saída no barramento dc3; R é a resistência equivalente de carga;

Quando a chave é fechada (condução), o diodo é bloqueado, por estar inversamente polarizado. A tensão no indutor se torna instantaneamente igual à tensão de entrada Vdc2 e a corrente de entrada cresce de maneira linear, armazenando energia no indutor. A chave SwBoost

é mantida em condução por tempo Ton e depois passa para bloqueio por tempo Toff.

Quando a chave é aberta (bloqueio), a corrente no indutor decresce. A tensão no indutor polariza diretamente o diodo e a energia armazenada no indutor é transferida para o capacitor e carga através do diodo. A tensão na carga torna-se a somatória da tensão do indutor e da entrada Vdc2, aumentando dessa forma o seu valor. Quando a chave é novamente fechada (condução), o diodo volta ao estado de bloqueio e a tensão de saída será igual à tensão do capacitor, que fornece energia à carga e o ciclo se repete consecutivamente.

Em um período total Ts=Ton+Toff, o valor médio da tensão de saída Vo é determinado pela equação (2.6). Sendo a razão cíclica d=Ton/Ts, quando d=0 a tensão de saída será igual à de entrada e se torna maior à medida que d aumenta.

𝑉0 = 𝑉𝑔( 1

1−𝑑) (2.6)

A escolha do conversor Boost no terceiro estágio, compondo um sistema duplo estágio com o inversor, ocorreu pela necessidade de elevar a tensão do barramento dc3 em relação ao barramento dc2, obrigando o uso de um conversor step-up. A topologia do conversor dispõe o elemento acumulador de energia (indutor) em sua entrada, o que permite o controle da corrente de entrada e a possibilidade da aplicação do método MPPT no controle do barramento dc2.

2.6. INVERSOR FULL-BRIDGE

O inversor é um conversor estático de potência CC para CA, capaz de controlar tanto a frequência como os níveis de tensão e corrente de saída. A partir da modulação dois ou três níveis a tensão de saída do braço inversor pode ser filtrada para entregar uma corrente senoidal com baixa TDH.

Este trabalho utiliza um inversor de fonte de tensão VSI (voltage source inverters) monofásico com topologia full-bridge, ou ponte completa. No VSI a tensão de entrada se mantém constante, independentemente da corrente exigida pela carga, sendo essa característica garantida pelo capacitor do barramento de entrada e pela atuação do seu controlador.

A Figura 2.9 apresenta a topologia básica de um inversor full-bridge.

Figura 2.9 - Circuito do inversor full-bridge.

Onde: Vdc3 é a tensão de entrada do barramento dc3; idc3 é a corrente de entrada do barramento dc3; Cdc3 é o capacitor de acoplamento do barramento dc3; iCdc3 é a corrente do capacitor; iin é a corrente de entrada do inversor; S1b a S4b são as chaves comutadoras; PS1b a PS4b são os gates das chaves; Ls é a indutância de filtragem; iLs é a corrente no indutor; RLs é a resistência do indutor de filtragem; is é a corrente injetada na rede elétrica; vs é a tensão de fase da rede elétrica.

O princípio de funcionamento do inversor é semelhante ao do retificador, por se tratar praticamente do mesmo circuito elétrico e o mesmo sistema de controle, diferenciado apenas pelo sentido do fluxo de potência, que no inversor vai do barramento CC para a saída AC.

2.7. TÉCNICA DE MPPT P&O

As variações nas curvas de características I-V apresentadas em (2.2.1.), deste trabalho, mostram a influência das condições climáticas na operação do módulo FV, que interferem na potência disponível nos terminais de saída do módulo FV, consequentemente do arranjo FV. Estas variações também podem ser observadas nas curvas características P-V (Potência-Tensão), exemplificadas nas Figura 2.10: (a) e (b). Tanto em I-V, quanto em P-V, é possível observar o deslocamento do ponto de máxima potência MPP (Maximum Power Point), que é único em cada curva (destaque em vermelho), em função das variações climáticas que ocorrem a cada instante. Diante dessa dinâmica, para se obter um melhor aproveitamento da energia gerada por um módulo faz-se necessário a aplicação de técnicas de seguimento do ponto de máxima potência MPPT (Maximum Power Point Tracking), que monitora a saída do módulo, garantindo que este opere com a máxima eficiência possível (BRITO, 2012).

Figura 2.10 - (a) Curva P-V para diferentes níveis de radiação; (b) Curva P-V para diferentes temperaturas

(a) (b)

Neste trabalho, ao emular as características de um arranjo FV, simulando as variações climáticas através da variação do Psun e T aplicados no PV-Array, é necessário também a aplicação de técnica MPPT, de modo a gerar a informação utilizada no controle e melhorar o desempenho do conversor Boost. Para tanto, adotou-se a técnica MPPT com método P&O (Perturbe e observe) (BARRETO, 2014).

O método de MPPT P&O consiste em aplicar uma perturbação no sistema e observar sua resposta, mudando o ponto de operação. Para tanto, é realizado periodicamente um incremento ou decremento na variável de controle de referência. Há a necessidade de se medir tanto a tensão, como a corrente de saída do arranjo FV. O fluxograma da Figura 2.11 representa a operação por variação na potência e tensão, medidas do ciclo atual em relação ao ciclo anterior.

Figura 2.11 - Fluxograma de operação do MPPT P&O para variação de potência e tensão.