Avaliação da influência das capacitâncias parasitas dos painéis fotovoltaicos em um inversor ponte completa

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

BRUNA SEIBEL GEHRKE

AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DAS CAPACITÂNCIAS PARASITAS

DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS EM UM INVERSOR PONTE

COMPLETA

Ijuí 2016

BRUNA SEIBEL GEHRKE

AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DAS CAPACITÂNCIAS PARASITAS

DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS EM UM INVERSOR PONTE

COMPLETA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como pré-requisito para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Dr. Douglas Camponogara

Ijuí 2016

UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DAS CAPACITÂNCIAS PARASITAS

DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS EM UM INVERSOR PONTE

Elaborado por

BRUNA SEIBEL GEHRKE

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE ENGENHEIRO ELETRICISTA

Julho de 2016

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Douglas Camponogara – UNIJUÍ Orientador

Prof. Mateus Felzke Schonardie Componente da Banca

Dedico aos meus pais e minha irmã, que sempre me apoiaram.

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais Laerde Sady Gehrke e Ilaine Teresinha Seibel Gehrke pela educação, incentivo e carinho.

A minha irmã Camila pelo carinho, apoio incondicional e conhecimento compartilhado.

Ao orientador professor Dr. Douglas Camponogara pelo apoio no desenvolvimento deste trabalho e pelo conhecimento compartilhado.

Aos professores e aos colegas da Engenharia Elétrica da UNIJUÍ que ao longo do curso compartilharam conhecimento e experiência.

RESUMO

Em decorrência da demanda de energia elétrica, há uma necessidade na diversificação da matriz energética e como alternativas tem-se a geração distribuída e as energias renováveis. Este trabalho apresenta um estudo do inversor ponte completa aplicado a sistemas fotovoltaicos, utilizando as modulações bipolar e unipolar. Quando inversores sem transformadores são utilizados, podem surgir correntes de fuga devido a tensão de modo comum variável, que são indesejáveis. Inicialmente, são apresentadas as principais características dos painéis fotovoltaicos e os conversores para essa aplicação. Além disso, o controle de corrente de saída e controle de tensão do entrada são apresentados. Ao final deste trabalho, são apresentadas simulações e comparações em relação a tensão de modo comum, correntes de fuga e qualidade da corrente injetada na rede para os dois tipos de modulação.

Palavras-chave: Inversor ponte completa. Sistemas fotovoltaicos. Corrente de fuga. Tensão

ABSTRACT

As a result of electricity demand, there is a need to diversify the energy sources, such as distributed generation and renewable energy. This paper presents a study of a full bridge inverter using the bipolar and unipolar modulation techniques applied to photovoltaic systems. When inverters without transformers are used, leakage currents and variable common mode voltage can arise, which are undesirable. Initially, the main characteristics of photovoltaic panels and inverters for this application are presented. In addition, an output current control and an input voltage control are presented. At the end of this study, simulations and comparisons are presented to show the performance of both types of modulation in terms of common mode voltage, leakage currents and quality of the injected grid current.

Key words: Full bridge inverter. Photovoltaic systems. Leakage current. Common mode

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – (a) Penetração do fóton e liberação do elétron e (b) recombinação do elétron. ... 15

Figura 2 – (a) Junção PN e (b) formação do campo elétrico. ... 16

Figura 3 - Célula fotovoltaica. ... 17

Figura 4 – Circuito equivalente de um painel fotovoltaico. ... 17

Figura 5 - Curvas I - V e P - V características do painel. ... 18

Figura 6 – Influência da temperatura e insolação na curva I - V do painel ... 19

Figura 7 – Configuração (a) inversor central, (b) string, (c) mulistring e (d) módulo integrado. ... 21

Figura 8 – Conversor com transformador: (a) e (b) alta frequência e (c) baixa frequência. .... 23

Figura 9 – Circuito elétrico de um conversor meia-ponte de dois níveis. ... 24

Figura 10 – Circuito Elétrico de um conversor NPC de três níveis. ... 25

Figura 11 – Esquema elétrico de um conversor ponte completa. ... 26

Figura 12 – Representação da estrutura de um painel fotovoltaico. ... 28

Figura 13 – Esquema monofásico de um sistema fotovoltaico. ... 29

Figura 14 – Sistema fotovoltaico em termos de tensão de modo comum e diferencial . ... 30

Figura 15 – Formas de onda moduladora e portadora modulação bipolar. ... 34

Figura 16 – Geração do PWM bipolar. ... 34

Figura 17 – Sinal de comando S1 e S4. ... 34

Figura 18 – Sinal de comando S2 e S2. ... 35

Figura 19 – Formas de onda da saída para modulação bipolar. ... 35

Figura 20 – Formas de onda moduladora e portadora modulação unipolar. ... 36

Figura 21 – Geração do PWM unipolar. ... 36

Figura 22 – Sinal de comando S1. ... 36

Figura 23 – Sinal de comando S3. ... 37

Figura 24 – Formas de onda da saída para modulação unipolar. ... 37

Figura 25 – Etapas de operação para modulação bipolar. ... 38

Figura 26 – Etapas de operação para modulação unipolar. ... 39

Figura 27 – Sistema PV simplificado de conexão à rede. ... 40

Figura 28 – Circuito simplificado para malha de corrente. ... 40

Figura 29 – Circuito simplificado para a malha de tensão. ... 41

Figura 30 – Diagrama de blocos do controle em cascata. ... 42

Figura 34 – Esquema elétrico de simulação ... 48

Figura 35 – Correntes de fuga com modulação bipolar, para (a)10 nF, (b)100 nF e (c)200 nF. ... 49

Figura 36 – Correntes de fuga com modulação unipolar, para (a)10 nF, (b)100 nF e (c)200 nF. ... 50

Figura 37 – Corrente injetada na rede para capacitância de 10 nF. ... 51

Figura 38 – Corrente injetada na rede para capacitância de 200 nF. ... 51

Figura 39 – Tensão de modo comum (vcm) e tensão da rede para modulação bipolar. ... 53

LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Estado das chaves conversor meia ponte. ... 24

Tabela 2- Estado das chaves conversor NPC três níveis. ... 25

Tabela 3- Estado chaves modulação bipolar. ... 27

Tabela 4- Estado chaves modulação unipolar. ... 27

Tabela 5 - Distorção máxima das componentes harmônicas de acordo com a norma IEEE 1547. ... 31

Tabela 6 – Parâmetros painel KB255-6BCA/6BPA da Kyocera. ... 44

Tabela 7 – Especificações de projeto dos componentes passivos . ... 44

Tabela 8 - Parâmetros de simulação. ... 48

Tabela 9 – Comparação entre bipolar e unipolar. ... 51

Tabela 10 – Bipolar com filtro de 7,8 mH ... 52

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

DG Gerador Distribuído - Distributed Generator IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

MPP Ponto Máximo de Potência - Maximum Power Point

MPPT Rastreamento do Ponto Máximo de Potência - Maximum Power Point Tracking

NPC Ponto Neutro Grampeado – Neutral Point Clamped PAC Ponto de Acoplamento Comum

PI Proporcional - Integral PIB Produto Interno Bruto PV Fotovoltaico - Photovoltaic

PWM Modulação por Largura de Pulso – Pulse Width Modulation THD Distorção Harmônica Total – Total Harmonic Distorcion

SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 OBJETIVOS ... 13 1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 14 2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 15 2.1 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS ... 15 2.1.1 Princípio de Funcionamento ... 16 2.1.2 Circuito Equivalente ... 17

2.1.3 Características dos Painéis ... 17

2.2 CONFIGURAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 20

2.2.1 Inversor Central ... 21

2.2.2 String ... 21

2.2.3 Multistring ... 22

2.2.4 Módulo integrado ... 22

2.3 CONVERSORES MONOFÁSICOS CC-CA ... 22

2.3.1 Conversores com transformador ... 22

2.3.2 Conversores sem transformador ... 23

2.4 EFEITOS DA UTILIZAÇÃO DO INVERSOR SEM TRANSFORMADOR ... 28

2.4.1 Capacitância parasita ... 28

2.4.2 Tensão de modo comum ... 29

2.4.3 Corrente de fuga ... 30

2.5 CONEXÃO COM A REDE ... 31

3 INVERSOR PONTE COMPLETA ... 33

3.1 PWM ... 33 3.1.1 Modulação bipolar ... 33 3.1.2 Modulação unipolar ... 35 3.2 ETAPAS DE OPERAÇÃO ... 37 3.2.1 Modulação bipolar ... 38 3.2.2 Modulação unipolar ... 38 3.3 FILTRO DE SAÍDA ... 39 3.4 MODELAGEM DO INVERSOR ... 40 3.4.1 Malha de corrente ... 40 3.4.2 Malha de tensão ... 41

3.5 CONTROLE DO INVERSOR ... 42 4 PROJETO DO INVERSOR ... 44 4.1 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO ... 44 4.2 CIRCUITO DE POTÊNCIA ... 45 4.2.1 Capacitor barramento CC ... 45 4.2.2 Filtro do inversor ... 45 4.3 CONTROLE DO INVERSOR ... 46 5 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO ... 48 5.1 ESPECIFICAÇÕES DE SIMULAÇÃO ... 48

5.2 CORRENTE DE FUGA E CORRENTE INJETADA NA REDE ... 49

5.3 TENSÃO DE MODO COMUM ... 52

6 CONCLUSÕES ... 54

1 INTRODUÇÃO

A demanda de energia elétrica está em crescimento tanto no setor residencial como no industrial, então há uma preocupação em melhorar o sistema de geração e distribuição de energia elétrica. Segundo o Balanço Energético Nacional de 2015, que tem como base o ano anterior (2014), o consumo de energia elétrica cresceu 3,1% enquanto o PIB teve um acréscimo de 0,1%. Neste mesmo ano, ocorreu também um decréscimo de 5,6% na energia proveniente das hidrelétricas devido às condições hidrológicas, o que ocasionou um decréscimo na participação das energias renováveis na matriz elétrica (Empresa de Pesquisa Energética, 2015).

No Brasil, as energias renováveis predominam, representando 74,6% da produção. Porém, ainda há utilização de combustíveis fósseis para suprir a demanda total necessária. Para que a energia não renovável seja cada vez menos utilizada, as energias solar e eólica vêm sendo uma alternativa.

Em sistemas com painéis fotovoltaicos, esses atuam como o gerador de energia sendo necessário o uso de inversores para a conversão de energia. A princípio, conversores com transformadores eram utilizados, promovendo uma isolação galvânica entre o sistema e os painéis fotovoltaicos, porém esses conversores aumentam o peso, tamanho e custo do sistema, além de ter baixa eficiência e alta complexidade (Gubía, 2007). Por outro lado, conversores sem transformadores apresentam correntes de fuga, devido à diferença de potencial na capacitância entre os painéis fotovoltaicos e a terra. Essas correntes provocam distorções na forma de onda da corrente de saída do inversor e problemas de interferência eletromagnética (Calais, 1998). Para que as correntes de fuga sejam limitada a poucos miliamperes é necessário que o inversor e juntamente com a técnica de modulação gere uma tensão de modo comum constante. (Gubía, 2007)

Dessa forma, é de extrema importância estudar estratégias de modulação para minimizar as correntes de fuga e manter a tensão de modo comum constante.

1.1 OBJETIVOS

O objetivo do presente trabalho é analisar a influência das capacitâncias parasitas intrínsecas nos painéis fotovoltaicos através de simulações no software PSIM, quando utilizado um conversor monofásico em ponte completa com modulação de tensão (bipolar e unipolar).

Objetivos específicos:

- Apresentar topologias estudadas para a aplicação em painéis fotovoltaicos;

- Projetar um sistema de controle de tensão do barramento CC e controle de corrente de saída;

- Realizar simulações do conversor CC-CA monofásico ponte completa, comparando as modulações bipolar e unipolar;

- Analisar os efeitos das capacitâncias parasitas tanto na tensão de modo comum quanto nas correntes de fuga.

1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

Este trabalho foi organizado em seis capítulos. No segundo capítulo, é realizada uma revisão bibliográfica sobre os sistemas fotovoltaicos, apresentando as principais características dos painéis e dos principais tipos de inversores aplicados a esses sistemas.

No terceiro capítulo, é feita uma análise do inversor monofásico em ponte completa. Além disso, são apresentadas as etapas de operação para as modulações bipolar e unipolar, a modelagem matemática e por fim, a estratégia de controle de corrente de saída e tensão de entrada.

No quarto capítulo, é apresentado o projeto do conversor, tanto a parte de potência como a parte de controle.

No quinto capítulo, são apresentados os resultados de simulações, assim como as comparações para os dois tipos de modulação estudados.

No sexto capítulo, são apresentadas as considerações finais e conclusões, bem como propostas para trabalhos futuros.

2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Os sistemas fotovoltaicos são formados por um agrupamento de painéis fotovoltaicos, que são compostos por uma associação paralela e série de células fotovoltaicas. Esses sistemas são responsáveis por converter energia solar em energia elétrica. A associação desses painéis é feita para que haja uma produção maior de energia, visto que cada célula é capaz de produzir apenas uma pequena quantidade energia.

Os painéis podem ser utilizados para alimentar diretamente pequenas cargas, como de iluminação e pequenos motores CC, assim como podem ser utilizados juntos a inversores para alimentar cargas CA.

2.1 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS

Painéis fotovoltaicos são fabricados com materiais semicondutores capazes de converter a energia solar em energia elétrica. Os raios solares contêm fótons, que quando penetram materiais semicondutores com energia suficiente, liberam elétrons, conforme ilustrado na Figura 1(a). Quando os fótons possuem energia acima da necessária para liberar o elétron, essa energia é desperdiçada em forma de calor (Masters, 2004).

Materiais como silício e germânio, que compõem o grupo IV da tabela periódica e possuem quatro elétrons na camada de valência, são usualmente utilizados em painéis fotovoltaicos. Para não haver recombinação dos elétrons, como ilustrado na Figura 1 (b), os materiais semicondutores são dopados com elementos como boro, que possui três elétrons na camada de valência, e fósforo, que possui cinco elétrons. Esses elementos, pertencem aos grupos III e V, respectivamente.

Figura 1 – (a) Penetração do fóton e liberação do elétron e (b) recombinação do elétron.

Fonte: Adaptado de Masters, 2004.

Si +4 -Lacuna + Elétron Livre Fóton Si +4 - + Fóton

2.1.1 Princípio de Funcionamento

O silício em temperatura zero absoluto não possui elétrons livres para gerar corrente. Com o aumento da temperatura os elétrons se liberam, passando para a banda de condutividade e gerando corrente. Para evitar que elétrons que passaram para a camada de condutividade voltem para as lacunas geradas, duas regiões são formadas para forçar os elétrons em uma direção.

Uma das regiões é formada pela adição de fósforo no silício, que é um elemento pentavalente. Essa região é denominada do tipo N, pois possui um elétron livre. A outra região é formada pela adição de boro, que é um elemento trivalente. Ao contrário da região tipo N, nesta região há um elétron faltando, formando lacunas/buracos. Essa região é denominada de tipo P.

A união dos cristais P e N formam uma junção PN, mostrada na Figura 2(a). No material N, os elétrons difundem-se pela junção e, no material P, as lacunas difundem-se pela junção. Então, os elétrons livres preenchem as lacunas, formando uma camada de depleção, que gera o campo elétrico, conforme ilustrado na Figura 2(b).

Figura 2 – (a) Junção PN e (b) formação do campo elétrico.

Fonte: Adaptado de Masters, 2004.

Quando a junção PN é incidida por raios solares, os fótons com energia suficiente são absorvidos. Assim sendo, os elétrons são atraídos para o lado N, e as lacunas (buracos) para o lado P, conforme ilustrado na Figura 3. Isso faz com que as cargas positivas sejam acumuladas em um dos lados do material e as negativas do outro, gerando uma diferença de potencial que pode ser utilizada para alimentar uma carga.

Campo Elétrico + + + + + + + + + - - -- -- -+ + + -+ + + -+ + + + + + + + + + + + - -- -- -+ + + -+ + + P N P N Região de Depleção Elétrons Livres Lacunas Livres Cargas Positivas Imóveis Cargas Negativas Imóveis Junção ε

Figura 3 - Célula fotovoltaica.

Fonte: Adaptado de Masters, 2004.

2.1.2 Circuito Equivalente

O modelo elétrico do painel fotovoltaico ideal é mostrado na Figura 4. O circuito é composto por uma fonte de corrente 𝐼!", que representa a corrente gerada pelo painel em uma

determinada temperatura e insolação, e por um diodo 𝐷_!! em paralelo, que representa a junção PN do material semicondutor.

As perdas do painel são representadas pelas resistências 𝑅_!! e 𝑅_!, que quantificam as perdas por condução (i.e., perdas do material) e perdas pelas correntes de fuga, respectivamente. (Seguel, 2013)

Figura 4 – Circuito equivalente de um painel fotovoltaico.

2.1.3 Características dos Painéis

O fabricante do painel fotovoltaico sempre fornecerá os seguintes parâmetros:

Fóton - -+ + -+ -+ + + + + + + + + + + - - - - - - - - -- + - + Tipo - N Tipo - P Região de Depleção ε Cargas Negativas Acumuladas Cargas Positivas Acumuladas Fóton

R

R

I

D

V

1. Tensão de circuito aberto (𝑉_!") - máxima tensão obtida nos terminais do painel sem carga.

2. Corrente de curto circuito (𝐼_!") - máxima corrente gerada com seus terminais curto-circuitados.

3. Tensão de máxima potência (𝑉_!"#) - é a tensão quando o painel opera no seu ponto de máxima potência.

4. Corrente de máxima potência (𝐼!"#) - corrente quando o painel opera no seu ponto

de máxima potência.

5. Corrente de máxima potência (𝑃_!"#) - potência quando o painel opera no seu ponto de máxima potência.

Esses valores são obtidos pelo fabricante em condição padrão de teste (do inglês Standart Test Conditions) (STC), ou seja, em uma temperatura de 25ºC e com irradiação solar 1000 W/m2. Nessas condições, as curvas I-V e P-V são apresentadas conforme a Figura 5.

Figura 5 - Curvas I - V e P - V características do painel.

Fonte: Masters, 2004.

2.1.3.1 Impactos da temperatura e insolação na curva I-V

Quando tem-se a variação de temperatura e irradiação solar, as curvas I-V dos painéis sofrem alterações. Na Figura 6, são ilustrados dois gráficos, cujo primeiro representa a influência da temperatura na curva I x V do painel e o segundo a influência da insolação.

No primeiro gráfico, a irradiação solar manteve-se constante em 1000 W/m2_{, e três} diferentes temperaturas foram adotadas (25ºC, 50ºC e 75ºC). Pode-se observar que conforme

a temperatura aumenta, a tensão de circuito aberto reduz e a corrente de curto circuito mantém-se praticamente constante.

No segundo gráfico, em que a irradiação solar foi variada em 200, 400, 600, 800 e 1000 W/m2 para uma temperatura constante de 25ºC, pode-se observar que quanto menor a insolação sobre o painel, menor é a corrente fornecida pelo painel, mantendo a tensão praticamente a mesma.

Figura 6 – Influência da temperatura e insolação na curva I - V do painel

Fonte: Kyocera, 2004

Portanto, percebe-se que a temperatura tem influencia direta sobre a tensão, enquanto a insolação influencia a corrente do painel. Além disso, como pode ser visto nos dois gráficos, a variação de tensão é pequena quando comparada com a variação de corrente.

2.1.3.2 Impactos do Sombreamento na curva I-V

O sombreamento parcial ocorre quando células do arranjo fotovoltaico são cobertas por nuvens, prédios ou outros objetos. Esse sombreamento pode causar quedas dramáticas na saída do painel fotovoltaico quando os painéis estão conectados em série e nem todos recebem a mesma irradiação. Quando um único painel recebe menor irradiação, como a corrente em série é a mesma para todos, os outros painéis não produzem toda a energia que

são capazes. Logo, a corrente gerada é reduzida, assim como a energia total fornecida pelo painel.

2.1.3.3 Ponto de máxima potência

O maior aproveitamento dos painéis fotovoltaicos, na conversão de energia solar em energia elétrica, é obtido quando está operando no seu ponto de máxima potência (do inglês Maximum Power Point) (MPP). A máxima potência fornecida pelo painel sofre influências dos fatores climáticos, tal como temperatura e irradiação. Esses fatores modificam as curvas de operação de corrente e tensão dos painéis, o que altera o MPP. Então, para garantir que o ponto seja rastreado mesmo com mudanças no comportamento, técnicas de controle e algoritmos são utilizados. Os métodos que rastreiam são o MPP conhecidos por MPPT (do inglês Maximum Power Point Tracking).

2.2 CONFIGURAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Os painéis podem ser associados em série para aumentar a tensão de saída, ou podem ser associados em paralelo aumentando a corrente. Logo, para se obter uma maior potência, são feitas combinações série e paralela dos painéis.

Ademais, os painéis fotovoltaicos podem ser classificados de acordo com sua conexão, a partir de quatro configurações: inversor central, string, multistring e módulo integrado (Noor, 2013) (Kjaer, 2005), conforme ilustradas na Figura 7.

Figura 7 – Configuração (a) inversor central, (b) string, (c) mulistring e (d) módulo integrado.

2.2.1 Inversor Central

A topologia inversor central, conforme a [cf., Figura 7 (a)] é a associação de vários painéis em série e em paralelo conectados a um único inversor que converte a corrente contínua para corrente alternada. Com essa topologia uma grande quantidade de potência pode ser gerada, visto que há uma grande quantidade de painéis agrupados. O fato dessa configuração possuir apenas um único inversor, em caso de falha do mesmo toda a potência gerada pelos painéis não será transmitida (Noor, 2013). Outro ponto negativo é não possuir um MPPT individual para cada painel ou string de painéis, fazendo com que nem sempre o sistema atinja a potência máxima.

2.2.2 String

A configuração em string [cf., Figura 7 (b)] consiste na associação em série de painéis fotovoltaicos conectados em um único inversor. Essa topologia possui eficiência maior que a de inversor centralizado visto que é possível implementar o MPPT para cada string (Kjaer, 2005). Observa-se que, quando é feita a associação de poucos painéis em série, é necessário um conversor CC-CC para amplificar a tensão de alimentação (ou do barramento) do inversor.

...

...

...

...

...

...

...

2.2.3 Multistring

A configuração multistring [cf.,Figura 7 (c)] é um evolução da topologia em string. Para esse tipo de conexão, cada string, ou seja, cada associação em série de painéis fotovoltaicos, é conectada ao seu próprio conversor CC-CC. A saída desses conversores é conectada a um respectivo inversor. Essa topologia possui vantagem sobre o inversor central, pois cada string é controlada individualmente, além de ser de fácil expansão e atingir alta eficiência (Kjaer, 2005).

2.2.4 Módulo integrado

Na configuração de módulo integrado [cf., Figura 7 (d)] cada painel é ligado diretamente a um inversor. Essa topologia elimina o problema de perdas devido à incompatibilidade entre os painéis. Uma das grandes vantagens é o projeto modular que possibilita o MPPT individual, aumentando a eficiência do sistema como um todo. Além disso, por possuir uma estrutura modular, o sistema é de fácil expansão. Entretanto, caso seja necessário a amplificação de tensão, a eficiência pode reduzir e o preço pode aumentar (Kjaer, 2005).

2.3 CONVERSORES MONOFÁSICOS CC-CA

Conversores CC-CA, conhecidos como inversores, convertem uma tensão CC para a tensão CA com amplitude e frequência controláveis. Esses podem ser aplicados para baixas potências (até 10kW) para microgeração, tal como em sistemas fotovoltaicos residenciais (Gubía, 2007). Nesses conversores, buscam-se confiabilidade, alto rendimento, dimensões e peso reduzidos, além de baixos custos. Uma classificação bastante útil para este tipo de conversor em aplicações fotovoltaicas está relacionada ao uso, ou não, de transformadores.

2.3.1 Conversores com transformador

Conversores que utilizam transformadores possuem benefícios como isolação galvânica entre o conversor e a rede, além de ser possível a elevação da tensão no secundário do transformador. Na Figura 8, observa-se três variações destes conversores: (a) conversor

com transformador inserido no estágio CC-CC; (b) conversor com transformador inserido no estágio CC-CA; (c) transformador entre o conversor CC-CA e a rede. Para (a) e (b), são utilizados transformadores de alta frequência, enquanto em (c) é empregado um transformador de baixa frequência.

Figura 8 – Conversor com transformador: (a) e (b) alta frequência e (c) baixa frequência.

Inicialmente, os conversores com transformadores de baixa frequência, os quais operam na frequência da rede de distribuição, eram utilizados, porém esse tipo de topologia aumenta o peso, tamanho e o custo do sistema. Com o avanço dos estudos de inversores para aplicações fotovoltaicas, transformadores de alta frequência substituíram os de baixa frequência diminuindo o tamanho e o peso. Entretanto, esse tipo de conversor necessita de maior número de chaves semicondutoras, ocasionando uma maior complexidade por possuir vários estágios de conversão, assim diminuindo o rendimento e a confiabilidade do conversor. Por essa razão, os conversores sem transformadores são mais vantajosos, reduzindo o peso, tamanho, custos e complexidade (Kjaer et al., 2005) e (Calais et. al, 1998).

2.3.2 Conversores sem transformador

Os conversores sem transformador estudados em (Reddy, 2013) para aplicação com painéis fotovoltaicos podem ser agrupados em: conversores meia ponte, com ponto de neutro grampeado (do inglês Neutral Point Clamped) (NPC) e ponte completa. A partir dessas topologias surgem outras variações. Entretanto, neste trabalho, serão brevemente apresentadas as três principais.

2.3.2.1 Meia Ponte

Conversores meia ponte são caracterizados pela simplicidade e baixo custo. Como mostrado na Figura 9, essa topologia consiste em um braço com duas chaves, as quais são alimentadas por uma fonte CC e um barramento capacitivo, que quando ligado à rede é conectado ao neutro.

Figura 9 – Circuito elétrico de um conversor meia-ponte de dois níveis.

Esse tipo de inversor possui uma saída de tensão de dois níveis, sendo que a mesma é igual à metade da tensão de entrada, ou seja +𝑣_!! 2 ou −𝑣_!! 2. A combinação dos estados das chaves pode ser descrita por uma única variável binária, conforme descrita na Tabela 1.

Tabela 1- Estado das chaves conversor meia ponte.

𝑆_! Tensão de saída

1 +𝑣_!! 2

0 − 𝑣_!! 2

Sabendo que 𝑆! é complementar a 𝑆!, obtém-se a seguinte equação para tensão de

saída: 𝑣_! = (2𝑆_! − 1) 𝑣!! 2 ( 1 ) A

v

v

S

S

O inversor meia ponte conectado à rede tem a vantagem de tensão de modo comum constante, fazendo com que não haja corrente de fuga. Isso deve-se a conexão do ponto central do barramento capacitivo ligado ao neutro da rede (Marangoni, 2012). Entretanto, como o neutro está conectado ao barramento a flutuação de tensão aumenta porque há circulação de corrente CA. Esses inversores necessitam o dobro de tensão na entrada para obter a mesma tensão de saída que um conversor ponte completa, o que pode ser considerado um ponto negativo.

2.3.2.2 NPC

O circuito elétrico de um conversor NPC monofásico de três níveis é ilustrado na Figura 10. Essa topologia possui quatro chaves, dois diodos e um barramento capacitivo.

A tensão de saída para essa topologia pode ser representada pela combinação dos estados das chaves, conforme mostrada na Tabela 2. Pode-se notar que três níveis de tensão são obtidos, e assim com o inversor meia ponte somente metade da tensão aplicada é convertida.

Tabela 2- Estado das chaves conversor NPC três níveis.

𝑆_! 𝑆_! Tensão de Saída

0 0 −𝑣_!! 2

0 1 0

1 0 -

1 1 +𝑣!! 2

Figura 10 – Circuito Elétrico de um conversor NPC de três níveis.

A S1 S2 S3 S4 vcc vN

Sabendo que 𝑆_! é complementar a 𝑆_! e 𝑆_! é complementar a 𝑆_! , obtém-se a seguinte equação de tensão de saída:

𝑣_! = (𝑆_!+ 𝑆_!− 1) 𝑣!!

2 ( 2 )

Igualmente ao conversor meia ponte, a topologia NPC requer o dobro de tensão na entrada se comparado com um conversor de ponte completa.

2.3.2.3 Ponte Completa

A Figura 11 ilustra a estrutura do inversor ponte completa, o qual é composto por quatro chaves, sendo duas em cada braço. As chaves do mesmo braço sempre devem fechar alternadamente para que não haja um curto-circuito do barramento capacitivo.

Neste trabalho, a topologia em questão é o objeto de estudo, para qual duas estratégias de modulação são apresentadas: bipolar e unipolar.

Figura 11 – Esquema elétrico de um conversor ponte completa.

Quando a modulação bipolar é utilizada, tem-se a tensão de saída em dois níveis. Pode-se considerar somente uma variável binária para o controle das chaves, como pode ser visto na Tabela 3. A B

S

S

S

S

v

Tabela 3- Estado chaves modulação bipolar.

𝑆_! Tensão de saída

1 +𝑣_!!

0 − 𝑣_!!

Assim, obtém-se que tensão de saída em função da comutação das chaves é:

𝑣_! = 𝑆_! 𝑣_!! + 𝑆_!(−𝑣_!!) ( 3 )

Sabendo que 𝑆_! é complementar a 𝑆_!, tem-se que 𝑆_!=1-𝑆_!, substituindo:

𝑣! = (2𝑆! − 1)𝑣!! ( 4 )

Para a modulação unipolar tem-se uma saída de três níveis. Na Tabela 4, pode-se observar as combinações dos estados das chaves para se obter os três níveis de tensão na saída do conversor.

Tabela 4- Estado chaves modulação unipolar.

𝑆_! 𝑆_! Tensão de Saída

0 0 0

0 1 −𝑣_!!

1 0 +𝑣_!!

1 1 0

A equação de tensão de saída do conversor em função da comutação das chaves do inversor é dada por:

𝑣_! = 𝑆_!𝑆_! 𝑣_!! + 𝑆_!𝑆_!(−𝑣_!!) ( 5 )

Sabendo que 𝑆_!=1-𝑆_!, e 𝑆_!=1-𝑆_! e substituindo as variáveis complementares, obtém-se a obtém-seguinte equação de saída:

𝑣_! = (𝑆_!− 𝑆_!)𝑣_!! ( 6 )

O inversor ponte completa quando utiliza a modulação unipolar, por possuir três níveis na tensão de saída, é vantajoso sobre a modulação bipolar, pois como reduz o tamanho dos componentes passivos (capacitor de entrada e filtro de saída). Isso se deve ao fato que as harmônicas dobram de frequência se comparado com a bipolar (Kerekes, 2007).

2.3.2.4 Considerações sobre as topologias

O inversor ponte completa tem na saída o dobro de tensão que um inversor meia ponte e um NPC, ou seja, para os outros dois inversores é necessário que a tensão aplicada na entrada seja o dobro para que a mesma potência convertida. As correntes que circulam nos semicondutores do conversor CC-CA meia ponte são o dobro se comparado com o ponte completa. Então, para este trabalho, o estudo da topologia de ponte completa é avaliada para os dois tipos de modulação apresentados anteriormente.

2.4 EFEITOS DA UTILIZAÇÃO DO INVERSOR SEM TRANSFORMADOR

Como descrito anteriormente, quando os transformadores são eliminados, surge uma conexão galvânica entre o painel e a rede. Essa conexão acarreta em correntes de fuga e uma tensão de modo comum devido às capacitâncias parasitas do painéis. Nesta seção, são abordadas as definições de capacitância parasita, tensão de modo comum e corrente de fuga.

2.4.1 Capacitância parasita

A capacitância parasita está diretamente ligada às características dos materiais, área de superfície e a espessura dos painéis fotovoltaicos. Outros fatores que também interferem são as condições do meio em que o painel se encontra, como umidade e poeira sobre a superfície do painel, que aumentam o valor da capacitância. (Calais et. al, 1998)

Figura 12 – Representação da estrutura de um painel fotovoltaico.

A capacitância presente nos painéis fotovoltaicos, ilustrada na Figura 12, pode assumir valores que vão de nanofarad até microfarad, gerando correntes indesejáveis (López et al., 2010). Essas capacitâncias fazem parte do circuito ressonante do sistema de painéis

fotovoltaico, filtros e impedância da rede. O amortecimento do circuito pode ser muito pequeno, fazendo com que a corrente de fuga atinja valores muito altos, acima do permitido pela norma.

2.4.2 Tensão de modo comum

Quando utilizamos conversores sem transformador, devido ao chaveamento do conversor ser em alta frequência, uma tensão de modo comum é gerada em relação à terra, o que induz uma corrente entre o painéis fotovoltaicos e a rede, como pode ser visto na Figura 13.

Figura 13 – Esquema monofásico de um sistema fotovoltaico.

Considerando o esquema mostrado na Figura 13, a tensão de modo diferencial (𝑉_!") é obtida pela diferença de 𝑉_!! e 𝑉_!! e a tensão de modo comum (𝑉_!") é obtida pelos valores médios de 𝑉_!! e 𝑉_!! (Barater, 2014), tal como segue:

𝑉_!" = 𝑉_!!− 𝑉_!! ( 7 )

𝑉_!" = (𝑉!!+ 𝑉!!) 2

( 8 )

O valor de 𝑉!!, tensão no primeiro braço, é a diferença de potencial entre o ponto A e

zero, e 𝑉_!! tensão no segundo braço, é a diferença de potencial entre o ponto B e zero. A B S1 S2 S3 S4 L1 L₂ CPV ifuga 0 VA0 VB0

Com o circuito equivalente do painel fotovoltaico, é possível obter um circuito simplificado em termos da tensão de modo diferencial e tensão de modo comum. Pela Figura 14, observa-se que a corrente de fuga varia de acordo com a tensão de modo comum.

Dependendo da topologia do conversor e da estratégia de modulação pode-se ter o problema de corrente de fuga, geradas a partir de valores variáveis de tensão de modo comum.

2.4.3 Corrente de fuga

As correntes de fugas são geradas quando há uma variação de tensão nos terminais do painel fotovoltaico. Dependendo da estratégia de chaveamento do conversor e das condições atmosféricas em que o painel está submetido, as correntes podem trazer problemas severos de interferência eletromagnética e distorção de corrente na saída do conversor. (Calais et. al, 1998)

As correntes de fuga, que circulam pela capacitância parasita, circulam por todo o sistema quando não há uma isolação galvânica, como mostrado na Figura 13, gerando distorções na forma de onda de corrente injetada na rede.

A partir do circuito da Figura 14, pode-se obter a corrente de fuga (corrente de modo comum) que é a soma da corrente que flui pelo indutor L1 mais a corrente que flui por L2, tal como segue:

𝐼!" = 𝑖!! + 𝑖!! ( 9 )

Enquanto a corrente de modo diferencial é obtida pela média da diferença entra a corrente em L1 e L2, tal como segue:

𝐼!" =

𝑖_!!− 𝑖_!! 2

( 10 )

2.5 CONEXÃO COM A REDE

Um gerador distribuído (Distributed Generator)(DG), consiste em uma fonte de geração de energia com um inversor. Essa fonte de geração pode ser desde motores de combustão, até fontes renováveis como PV e aero geradores. O ponto em que esses geradores são conectados à rede é chamado de ponto de acoplamento comum (PAC), e neste ponto a energia entregue deve estar dentro de padrões de qualidade.

Quando sistemas fotovoltaicos são conectados à rede elétrica, é preciso que atendam exigências determinadas por normas. No Brasil, a fiscalização e regulamentação é feita pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), que em 2012 aprovou a Resolução Normativa ANEEL no 482/2012, que permite o consumidor brasileiro gerar sua própria energia elétrica a partir de fontes renováveis e inclusive fornecer o excedente para a rede de distribuição (ANEEL, 2015). Porém, atualmente, ainda não existem normas técnicas brasileiras de qualidade da forma de onda. Desta forma, normas e recomendações internacionais são utilizadas para fazer o controle da qualidade de energia elétrica.

A norma da IEEE 1547 (IEEE 1547, 2013) prevê que sistemas conectados à rede de elétrica devem manter a taxa de distorção harmônica total (THD) de corrente inferior 5%. Na Tabela 5 são apresentados os limites de distorção harmônica para cada faixa de harmônicas.

Tabela 5 - Distorção máxima das componentes harmônicas de acordo com a norma IEEE 1547.

Harmônica individual de

ordem h

h < 11 11 ≤ h < 17 17 ≤ h < 23 23 ≤ h < 35 35 ≤ h Harmônica Total Distorção (THD)

Ímpares (%) 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3

5,0

Pares(%) 1,0 0,5 0,375 0,15 0,075

Além de níveis de THD, a norma IEEE 1547 define que a tensão injetada precisa estar em sincronismo com a rede, ou seja, a amplitude, frequência e ângulo da fase devem estar

dentro dos níveis estabelecidos. O fator de potência no PAC deve ser praticamente unitário, e a injeção de corrente CC na rede deve ser menor que 0,5% do valor da corrente CA injetada; quando utilizado inversores com transformador esse problema é eliminado.

3 INVERSOR PONTE COMPLETA

Neste capítulo, são apresentadas as etapas de operação do inversor ponte completa e a estratégia PWM. Também é abordada a modelagem matemática e a estratégia de controle em malha fechada do inversor.

3.1 PWM

O acionamento das chaves do inversor pode ser feito usando modulação por largura de pulso (do inglês Pulse Width Modulation) (PWM). Quando uma onda senoidal de referência é empregada, tem-se uma modulação conhecida como modulação por largura de pulso senoidal (do inglês Sinusoidal Pulse Width Modulation)(SPWM). Essa estratégia consiste na comparação de dois sinais, sendo um de alta frequência (frequência de chaveamento), conhecido como portadora, e outro de baixa frequência (frequência da rede), conhecido como moduladora

Esse método de acionamento de chaves apresenta dois parâmetros. Um deles é a razão entre a tensão de pico da moduladora e o valor da portadora, chamado de índice de modulação em amplitude 𝑚_!, conforme a equação ( 11 ). E o outro é a razão entra a frequência da moduladora e frequência da portadora que determina o fator de modulação de frequências 𝑚!,

conforme a equação ( 12 ). 𝑚_! = 𝑉! 𝑉_! ( 11 ) 𝑚_! =𝑓! 𝑓_! ( 12 ) 3.1.1 Modulação bipolar

A modulação bipolar, ou modulação de dois níveis, é realizada pela comparação de uma onda senoidal em fase com a tensão da rede e uma onda triangular, tal como mostrado na Figura 15. A frequência da onda senoidal possui mesma frequência da rede (ƒ=60Hz), enquanto a onda triangular possui uma alta frequência na faixa de quilo Hertz.

Figura 15 – Formas de onda moduladora e portadora modulação bipolar.

Figura 16 – Geração do PWM bipolar.

Na Figura 16 está representado o esquema de geração do PWM bipolar, onde mostra que o sinal gerado pelo comparador é responsável por acionar os interruptores. Na Figura 17, temos o sinal de comando dos interruptores 𝑆_! e 𝑆_!, e, na Figura 18, o sinal de 𝑆_! e 𝑆_!. Quando o sinal está em um significa que a chave está ligada, e quando o sinal está em zero desligada (bloqueada).

Figura 17 – Sinal de comando S1 e S4.

0.484 0.486 0.488 0.49 0.492 0.494 0.496 0.498 0.5 Tempo (s) 0 -0.5 -1 0.5 1 Vm Vp 0.484 0.486 0.488 0.49 0.492 0.494 0.496 0.498 0.5 Tempo (s) 0 0.4 1 S1

Figura 18 – Sinal de comando S2 e S2.

Na Figura 19, temos a onda na saída do inversor 𝑉!", que atinge dois níveis de tensão,

essa tensão filtrada e é obtida a tensão 𝑉_!.

Figura 19 – Formas de onda da saída para modulação bipolar.

3.1.2 Modulação unipolar

A modulação unipolar, ou modulação de três níveis, é realizada a partir da comparação de duas tensões senoidais defasadas em 180º com uma onda triangular de alta frequência, como mostrada na Figura 20. Sendo que as duas ondas senoidais possuem frequência e amplitude igual a tensão da rede.

0.484 0.486 0.488 0.49 0.492 0.494 0.496 0.498 0.5 Tempo (s) 0 1 S3 0.484 0.486 0.488 0.49 0.492 0.494 0.496 0.498 0.5 Tempo (s) 0 -200 -400 -600 200 400 600 Vab Vo Tensão (s )

Figura 20 – Formas de onda moduladora e portadora modulação unipolar.

O esquema mostrado na Figura 21 é utilizado para gerar o sinal de comandando para a modulação unipolar. O sinal gerado para o interruptor 𝑆! é apresentado na Figura 22, e um

sinal complementar a esse aciona 𝑆_!. Já, o sinal obtido para 𝑆_! é ilustrado na Figura 23, sendo que 𝑆_! é complementar a esse sinal.

Figura 21 – Geração do PWM unipolar.

Figura 22 – Sinal de comando S1.

0.484 0.486 0.488 0.49 0.492 0.494 0.496 0.498 0.5 Tempo (s) 0 -0.5 -1 0.5 1 Vm1 Vm2 Vp 0.484 0.486 0.488 0.49 0.492 0.494 0.496 0.498 0.5 Tempo (s) 0 1 S1

Figura 23 – Sinal de comando S3.

A tensão na saída do inversor para modulação unipolar apresenta a forma de onda da Figura 24, possui três níveis de tensão e após ser filtrada tem forma senoidal.

Figura 24 – Formas de onda da saída para modulação unipolar.

3.2 ETAPAS DE OPERAÇÃO

Dependendo da modulação aplicada ao inversor as etapas de operação são diferentes. Neste trabalho, foram adotadas as modulações bipolar e unipolar, dois níveis (+𝑣!! e −𝑣!!) e

três níveis (+𝑣_!!, zero e −𝑣_!!) de tensão de saída, respectivamente, sendo que para a primeira modulação obtemos duas etapas de operação e a segunda quatro etapas.

Para a análise das etapas de operação na saída do inversor, foi considerada uma carga resistiva. 0.484 0.486 0.488 0.49 0.492 0.494 0.496 0.498 0.5 Tempo (s) 0 1 S3 0.484 0.486 0.488 0.49 0.492 0.494 0.496 0.498 0.5 Tempo (s) 0 -200 -400 -600 200 400 600 Vab Vo Tensão ( V )

3.2.1 Modulação bipolar

A primeira etapa de operação, conforme ilustrada na Figura 25 (a), ocorre quando os interruptores 𝑆_! e 𝑆_! estão conduzindo a corrente para a carga, e os interruptores 𝑆_! e 𝑆_! permanecem bloqueados. Assim, a tensão sobre a carga é igual a +𝑣_!!.

Na segunda etapa de operação, conforme ilustrada na Figura 25 (b), os interruptores 𝑆_! e 𝑆! são bloqueados e os interruptores 𝑆! e 𝑆! passam a conduzir, alterando o sentindo da

corrente para a carga. Dessa forma, a tensão na carga é igual a −𝑣_!!.

Figura 25 – Etapas de operação para modulação bipolar.

3.2.2 Modulação unipolar

A primeira etapa de operação, conforme ilustrada na Figura 26 (a), acontece quando os interruptores 𝑆_! e 𝑆_! são acionados, sendo os mesmos responsáveis pela condução de corrente até a carga. Nesta etapa os interruptores 𝑆_! e 𝑆_! permanecem bloqueados e a tensão de saída é +𝑣_!!.

Para a segunda etapa, conforme ilustrada na Figura 26 (b), o interruptor 𝑆_! é bloqueado, enquanto 𝑆_! continua conduzindo. O interruptor 𝑆_! permanece bloqueado, e 𝑆_! é acionado. A tensão na carga passa a ser zero.

Na terceira etapa, conforme ilustrada na Figura 26 (c), o interruptores 𝑆_! e 𝑆_! são os responsáveis por conduzir a corrente até a carga. A tensão na carga é −𝑣_!!.

A quarta etapa de operação, conforme ilustrada na Figura 26 (d), 𝑆_! permanece conduzindo e 𝑆_! é ativado novamente, enquanto 𝑆_! e 𝑆_! estão bloqueados. A tensão na carga é zero.

Figura 26 – Etapas de operação para modulação unipolar.

3.3 FILTRO DE SAÍDA

Como visto anteriormente, a tensão de saída do inversor monofásico em ponte completa bipolar assume uma forma de onda de dois níveis, e para modulação unipolar gera uma forma de onda com três níveis. Para as duas modulações a tensão obtida não é uma onda senoidal pura, então filtros passivos são utilizados para filtrar as componentes harmônicas geradas.

Em aplicações de inversores conectados à rede, filtros L e LCL são os mais utilizados. Os filtros LC são pouco utilizados para esta aplicação em virtude da frequência de

ressonância ser susceptível a impedância da rede e às altas correntes de carga. Os filtros L são aplicados quando o sistema processa poucas dezenas de kW, enquanto o LCL é utilizado para sistemas com maior potência. (Araújo, 2012).

3.4 MODELAGEM DO INVERSOR

Sistemas fotovoltaicos conectados à rede necessitam de uma malha de controle de corrente e uma malha de controle de tensão. A malha de corrente tem o objetivo de injetar uma corrente com qualidade à rede, enquanto a malha de tensão tem a finalidade de controlar o fluxo de potência entre o inversor e a rede, mantendo a tensão do barramento CC constante.

O modelo matemático do inversor pode ser obtido a partir da Figura 27.

Figura 27 – Sistema PV simplificado de conexão à rede.

3.4.1 Malha de corrente

Figura 28 – Circuito simplificado para malha de corrente.

Para obter a malha de corrente de saída, o conversor pode ser simplificado como na Figura 28, em que o inversor foi substituído por uma fonte de tensão, a qual varia de acordo com a comutação das chaves. A partir da Figura 28, aplicando a Lei de Kirchhoff das tensões, obtém-se

CC

CA

v

i

v

i

PV

v

i

i

D.i

D.v

v

i

v

𝐷 ∙ 𝑉_!! = 𝐿 𝑑

𝑑𝑡𝑖!+ 𝑣!"#" ( 13 )

Isolando a variável de controle obtém-se:

𝑑 𝑑𝑡𝑖! =

𝐷 ∙ 𝑉_!! − 𝑣_!"#"

𝐿 ( 14 )

3.4.2 Malha de tensão

A malha de tensão de entrada é obtida utilizando a Lei de Kirchhoff das correntes. Assim como para a malha de corrente foram adotadas simplificações. O inversor foi como considerado como uma fonte de corrente, a qual varia de acordo com a corrente do indutor e a comutação das chaves, como mostrado na Figura 29.

Figura 29 – Circuito simplificado para a malha de tensão.

𝑖_!" = 𝑖_!!+ 𝑖_!∙ 𝐷 ( 15 )

Como se deseja controlar a tensão no capacitor, substitui-se 𝑖!!:

𝑖!" = 𝐶!!

𝑑

𝑑𝑡𝑣!!+ 𝑖!∙ 𝐷 ( 16 )

Uma vez que a variável que se deseja controlar é isolada, obtém-se a seguinte equação:

v

i

i

D.i

D.v

v

𝑑 𝑑𝑡𝑣!! =

𝑖_!"− 𝑖_!∙ 𝐷

𝐶_!! ( 17 )

3.5 CONTROLE DO INVERSOR

O controle é feito utilizando as duas malhas em cascata, ou seja, uma malha interna e uma malha externa. A malha interna é responsável por controlar a corrente no indutor de saída e deve apresentar uma dinâmica rápida para impor o seguimento de uma onda senoidal. A malha externa faz o controle da tensão no barramento CC na entrada do inversor, e deve apresentar uma dinâmica mais lenta, pois resulta em uma referência para o controle de corrente.

Figura 30 – Diagrama de blocos do controle em cascata.

Como pode ser visto na Figura 30, o controle é feito a partir de um valor de referência de tensão 𝑣_!!*. O 𝑣_!!* é comparado com o valor lido de tensão no barramento CC 𝑣_!!, produzindo um erro que é controlado por um controlador proporcional-integral (PI). O sinal controlado passa a ser a amplitude da corrente de referência 𝑖!*, a qual é multiplicada por

seno e é comparada com a corrente no indutor. O erro gerado por essa comparação é controlado e gera o sinal de controle para a geração do PWM.

O controle mais simples que pode ser utilizado para este sistema é o controlador PI. Porém, para o controle da corrente de saída este controlador não é o mais adequado por ser um controle para variáveis contínuas. Portanto, a adição de um controlador ressonante seria mais apropriado.

O controlador proporcional P é utilizado para diminuir o erro no regime permanente, porém o erro nunca é anulado por completo. Quando o ganho deste controlador é muito alto pode levar o sistema a instabilidade. Já o termo integral I elimina o erro no regime permanente, porém faz com que o sistema se torne mais lento. Normalmente é utilizado

PI

PI

v

*

v

i

*

PWM

i

juntamente com um controlador do tipo P. Em um controlador PI, o ganho 𝐾_! interfere na rapidez da dinâmica do controle, enquanto o ganho 𝐾_! reduz o erro.

4 PROJETO DO INVERSOR

Neste capítulo, são apresentados o projeto do circuito de potência, incluindo o valor da capacitância do barramento CC e a seleção do filtro de saída. Também são abordados os parâmetros do controle de corrente e tensão de barramento do inversor.

4.1 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO

No projeto do sistema fotovoltaico a configuração em string foi considerada, sendo onze painéis KB255-6BCA/6BPA da Kyocera (Kyocera, 2016) conectados em série. Na Tabela 6, são mostrados os parâmetros do painel fornecidos pelo fabricante. Os painéis fotovoltaicos foram considerados operando sempre no ponto de máxima potência na condição de 1000W/m2 a 25ºC.

Tabela 6 – Parâmetros painel KB255-6BCA/6BPA da Kyocera.

Parâmetros Valores

Potência máxima (𝑃!"#) 255 W

Tensão de máxima potência (𝑉!") 30,8 V

Corrente de máxima potência (𝐼_!") 8,28A Tensão de circuito aberto (𝑉_!") 38,0 V Corrente de curto-circuito (𝐼!") 8,83 A

O inversor é alimentado pela string de onze painéis fotovoltaicos e conectado à rede, os valores dos parâmetros para projeto do inversor encontram-se descritos na Tabela 7.

Tabela 7 – Especificações de projeto dos componentes passivos .

Parâmetro Valores

Tensão eficaz da rede (𝑉!"#") 220 V

Frequência da rede (𝑓_!"#") 60 Hz Tensão do barramento CC (𝑉_!!) 338,8 V

Potência de saída (𝑃_!) 2805,5 W Frequência de chaveamento(𝑓_!) 12 kHz

O índice de modulação de amplitude foi considerado 0,917, considerando que a mínima tensão no barramento é de 338,8 V para obter-se uma tensão de pico na saída igual a 311 V.

4.2 CIRCUITO DE POTÊNCIA

A partir das especificações do sistema PV, são projetados os componentes do circuito de potência, incluindo indutor de saída, capacitor do barramento CC.

4.2.1 Capacitor barramento CC

O capacitor do barramento CC deve considerar a máxima ondulação de tensão neste ponto, que para este projeto foi considerada de 1%. A capacitância foi calculada através da equação ( 18 ) (Mattos, 2011).

𝐶_!! = 𝑃!

4 ∙ 𝜋 ∙ 𝑓_!"#"∙ ∆𝑉_!!,!"# ∙ 𝑉_!! ( 18 )

Para os valores de projeto especificados anteriormente, o valor de capacitor encontrado é de aproximadamente 3,3 mF.

4.2.2 Filtro do inversor

O indutor de saída considera um valor máximo de ondulação na corrente de saída. Como especificado, a ondulação máxima é de 10% da corrente de pico. A equação ( 19 ) define o valor de indutor para a modulação bipolar, e a equação ( 20 ) para modulação unipolar (Mattos, 2011).

𝐿 = 𝑉!!

2 ∙ ∆𝑖_!,!"#∙ 𝑓_! ( 19 )

𝐿 = 𝑉!!

4 ∙ ∆𝑖_!,!"#∙ 𝑓_! ( 20 )

Para os valores especificados o valor do indutor para a modulação unipolar é de 3,9 mH, e para modulação bipolar 7,8 mH.

O indutor na saída (L) do inversor, deve ser dividido em dois (L1+L2), sendo que um é conectado na fase e o outro no neutro. Como mostrado no Capítulo 2, sobre corrente de

corrente de modo diferencial (corrente injetada na rede), a divisão dos indutores não tem influência, pois a corrente passa pelos dois indutores. Porém quando se observa a corrente de modo comum (corrente de fuga), tem-se que metade da corrente passa pela fase e a outra metade passa pelo neutro, ou seja, é a soma das correntes que fluem pelos dois indutores. Então a posição dos indutores interfere na corrente de fuga.

4.3 CONTROLE DO INVERSOR

Na Figura 31, é ilustrado o esquema de controle de corrente de saída e tensão de entrada. Além dessas variáveis, podem ser implementados algoritmos de MPPT e técnicas de sincronismo com a rede, porém este trabalho considerou que o painel opera sempre no seu ponto de máxima potência, e a corrente injetada pelo inversor está em fase com a tensão da rede.

Figura 31 – Diagrama do conversor conectado à rede com controle.

O controle implementado utiliza um modelo simplificado que controla em cascata a tensão do barramento CC e a corrente de saída do inversor. A partir do controle da tensão pode-se regular a amplitude de corrente que o inversor injetará na rede. Dessa forma, quando a corrente do PV é injetada no barramento CC, esse tenderia a aumentar o valor de tensão. Como o barramento é controlado, a corrente do PV passará a ser convertida pelo inversor e injetada diretamente na rede. Esse controle é largamente utilizado, pois opera constantemente na máxima potência do PV, além de ser um controle mais rápido, no qual deixa a tensão do PAC ser controlada pela própria rede (Gehrke, 2016).

Como os valores da amplitude de corrente dependem do erro da tensão no barramento CC, os ganhos foram definidos a partir da variação de erro em cima da tensão no barramento.

CC CA

Controlador

PWM

Considerando que a tensão no barramento varia 1%, a variação fica ±1,7V. Já a variação de corrente considera a parte CA do sistema, a qual pode ser calculada quociente da potência do PV pela tensão, resulta em ±12,8V. Dessa forma, o valor do ganho proporcional é 𝐾!=12,8/1.7=7,5. Para a constante de tempo do controle de corrente considera-se a frequência

de chaveamento, ou seja, 𝑇_!=1/120000=0,000083. Assim, a corrente tem uma resposta rápida, dependendo de cada passo de cálculo.

O controle de tensão deve ser mais lento, pois tem nível CC, sendo que toda a variação é refletida na amplitude de corrente. Inversamente ao controle de corrente, no controle de tensão, a relação da variação de corrente e tensão foi utilizada, 𝐾_!=1,9/12,8=0,15. Enquanto a constante de tempo, deve ser menor que a frequência da corrente de saída de 60Hz, para que a corrente responda corretamente a variação da amplitude, dessa forma 𝑇_!=1/20=0,05.

5 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO

Neste capítulo, serão feitas comparações entre as duas modulações apresentadas no Capítulo 2 para o conversor ponte completa. Para isso será utilizado o software computacional PSIM.

Através das simulações é possível avaliar os efeitos das modulações na tensão de modo comum, na corrente de fuga e corrente injetada na rede.

5.1 ESPECIFICAÇÕES DE SIMULAÇÃO

Os parâmetros de simulação considerados seguem descritos na Tabela 8. Para todas as simulações, considerou-se que os painéis operam em máxima potência. Os parâmetros utilizados no controlador foram os obtidos no Capítulo 4. Como as influências das capacitâncias parasitas (𝐶_!) são analisadas, adotaram-se três valores distintos para análise: 10nF, 100nF e 200nF. Na Figura 32, é apresentado o esquema utilizado para as simulações.

Tabela 8 - Parâmetros de simulação.

Parâmetro Valor

Tensão eficaz da rede (𝑉_!"#") 220 V Frequência da rede (𝑓_!"#") 60 Hz Frequência de chaveamento(𝑓!) 12 kHz Tensão barramento (𝑉_!!) 338,8 V Potência de saída (𝑃!) 2805,8 W Indutância do Filtro 𝐿 (𝐿_! + 𝐿_!) 3,9 mH Capacitância do barramento (𝐶_!!) 3,3 mF

Figura 32 – Esquema elétrico de simulação

A B S1 S2 S3 S4 L1 L₂ Cp

...