XI Salão de Iniciação Científica
PUCRS
Controle digital do Conversor CC-CC Zeta
Gabriel Schneider Silva, Cesar Zollmann, Fernando Soares dos Reis (orientador)
Graduação em Engenharia de Controle e Automação, Faculdade de Engenharia, PUCRS
Resumo
O presente trabalho consiste em executar o controle digital de um conversor Zeta. Para a realização deste controle é utilizada uma placa de processamento digital de sinais da fabricante dSPACE®, esta placa trabalha em conjunto com o software Matlab®, permitindo assim a execução deste controle por meio do Simulink que é uma ferramenta integrante do Matlab.
Introdução
A crescente demanda por sistemas renováveis de energia gerou uma elevação da produção de sistemas baseados em painéis solares fotovoltaicos (PVs). Como fruto do incremento da produção e dos avanços tecnológicos o custo destes equipamentos vêm sendo reduzido. Apesar de o custo da energia solar fotovoltaica ainda ser elevado a competitividade dos sistemas que empregam PVs vem crescendo e as perspectivas futuras são alvissareiras. Atualmente o Brasil se encontra em sétimo lugar dentre os países com maior área coberta do mundo em painéis fotovoltaicos. Na Europa já existem programas relacionados às energias renováveis visando à preservação ambiental e que contam com subsídios governamentais. Esses programas visam estimular a geração distribuída baseada em fontes renováveis, contemplando inclusive a participação de produtores independentes do tipo residencial. Basicamente o subsídio conferido visa à amortização do investimento através de uma tarifa especial que remunera cada quilowatt gerado por fontes alternativas com um valor superior àquele cobrado pela concessionária de energia elétrica. Tornando dessa forma os sistemas que empregam PVs uma alternativa viável para a geração energia limpa e renovável.
Para que os brasileiros também possam desfrutar dos mesmos benefícios que os europeus, no tocante a geração distribuída, são necessárias políticas públicas que visem este
objetivo. O modelo brasileiro baseado em grandes empreendimentos ainda vê com desconfiança a geração distribuída por parte de produtores independentes do tipo residenciais. Atualmente a agência nacional de energia elétrica (ANEEL) não autoriza este tipo de conexão. Se bem que é inegável que o Brasil está buscando não se distanciar demasiadamente dessas tendências globais. Exemplo disto é o programa de incentivo às fontes alternativas de energia elétrica PROINFA, o qual apóia projetos a partir de 1.100 MW de cada fonte.
Para tornar possível a interligação destes painéis a rede elétrica, necessita-se de conversores específicos, dentre eles, o conversor Zeta. O conversor Zeta é um conversor CC-CC cuja finalidade é elevar a tensão na saída do painel solar.
A potência fornecida pelo painel solar varia conforme a intensidade luminosa (insolação) e a temperatura, devido a este fato há a necessidade de se desenvolver alguma forma de controle para obter-se sempre o máximo aproveitamento da potência fornecida pelo painel. Para executar tal tarefa, o presente trabalho utiliza técnicas de controle digital auxiliado por uma placa de processamento digital de sinais da empresa alemã dSPACE®, esta placa é programada via Simulink®, isto permite que todo controle seja criado no Simulink®, após isto, pode-se compilar e enviar este controle diretamente à placa, esta é capaz de executar tarefas tais como leitura e gerar os sinais conforme necessário.
Metodologia
Foi realizada uma extensa revisão bibliográfica sobre qual seria a melhor maneira de se implementar digitalmente o controle do conversor Zeta. O laboratório de eletrônica de potência da universidade possui em um de seus computadores uma placa de processamento digital de sinais tornando possível a execução do controle deste conversor através deste hardware.
A placa utilizada para realizar o controle é uma DS1104 da fabricante alemã dSPACE®, é composta por dois processadores denominados MASTER PPC e SLAVE DSP. A placa é utilizada para criar e gerenciar sistemas de controle em tempo real. É muito útil no desenvolvimento de protótipos, pois possui um link com o Matlab®/Simulink®, desta forma o controle pode ser feito de maneira gráfica e rápida. A dSPACE® fornece juntamente com a placa uma biblioteca de blocos (RTI – Real Time Interface). Para cada função da placa há um bloco especifico que executa determinada função via Simulink®. A implementação do controle utilizando esta ferramenta não apresenta muita dificuldade. Acompanha o pacote
Figura 1 – Placa de Controle DS1104 da dSPACE®.
O processador denominado Master PPC é do fabricante Motorola®, modelo MPC8240®, sendo este o processador principal, responsável pelas rotinas de timer, interrupções, conversores A/D, conversores D/A, entradas I/O, entre outras funções. O processador denominado Slave DSP é do fabricante Texas Instruments®, modelo TMS320F240®, este é o processador de processamento digital de sinais da placa.
O software de desenvolvimento Matlab®, o qual é uma ferramenta computacional muito difundida e utilizada nas áreas exatas em especial na engenharia permite a realização rápida de protótipos através do Simulink®, para a realização de sistemas através de diagramas de blocos. Esta filosofia de prototipagem rápida permite avaliar o desempenho de novas estratégias de controle e de todo tipo de sistema digital.
Para o funcionamento dos conversores de potência é fundamental a geração de ondas moduladas por largura de pulso, também conhecidas pela sigla em inglês, PWM (Pulse Width
Modulation). O software Simulink® pode gerar facilmente sinais PWM nas mais diversas formas, permitindo a realização de controles mais sofisticados capazes de produzir equipamentos mais eficientes se comparado às antigas técnicas analógicas.
Figura 3 - Formas de Onda PWM.
Seguindo a filosofia de prototipagem rápida sugerida pelo fabricante, é fundamental se ter fácil acesso aos pinos de entrada e de saída a fim de validar ou não novas estratégias de controle, por meio da conexão da placa aos conversores de potência.
O conversor CC-CC Zeta opera com uma freqüência de chaveamento de 20 kHz e com um controle feedforward que posiciona o ponto de operação do sistema sempre próximo ao ponto de máxima potencia (MPP) fornecida pelo painel fotovoltaico (PV). A linearização do painel solar deve ser realizada observando-se os efeitos de insolação e de temperatura sobre o painel. Avaliando o comportamento do MPP, pode-se implementar uma estratégia de seguidor do ponto de máxima potência (MPPT). O controle do conversor é realizado de forma digital, visando posicionar o sistema sempre nas proximidades do MPP.
Para realização do controle foi criado no Simulink® o diagrama de blocos do processo, com o auxílio da placa DS1104 da dSPACE® foi possível alimentar este diagrama com as variáveis de entrada, tais como tensão e temperatura. O Simulink por meio do diagrama de blocos processa estes dados de forma a obter sempre o MPP, os dados resultantes alimentam um bloco da biblioteca que acompanha a placa, este bloco é responsável por gerar a modulação PWM (Pulse Width Modulation) a qual é empregada para o controle do conversor CC-CC Zeta.
Resultados
Após um estudo preliminar sobre a funcionalidade da placa dSPACE®, implementou-se o controle feedforward utilizando a ferramenta Simulink®. A prática mostrou-se muito satisfatória. Os resultados atenderam as expectativas do projeto e a implementação do controle mostrou-se muito mais simples, eficaz e rápido em relação à solução analógica. Desta forma, com o controle já definido e testado experimentalmente pode-se dar inicio ao desenvolvimento de um controle dedicado de forma rápida e sem muitos erros.
Conclusão
O presente estudo que embora preliminar demonstrou experimentalmente que a síntese de uma tensão senoidal a partir de um conversor Zeta controlado digitalmente é possível. A utilização de uma plataforma de controle digital se mostrou uma ferramenta poderosa. A plataforma de desenvolvimento empregada se constitui de um PC no qual foi instalada uma placa DS1104 da empresa dSPACE® associada ao software o Matlab®/Simulink®. A flexibilidade deste sistema possibilitou o desenvolvimento e a execução do controle de maneira rápida e fácil, mostrando assim ser uma ferramenta muito útil para prototipagem.
O presente trabalho foi o primeiro passo de uma longa caminhada na busca de novas tecnologias que visam tornar acessível à utilização destes sistemas.
Referências
Barbi, Ivo, Introdução ao Estudo dos Conversores CC-CA. Local de Edição: Editora. 2008.
Lopes, H., Inversor Módulo Integrado Utilizando um Conversor CC-CC Zeta com Controle MPPT
Feedforward. Porto Alegre: PUCRS, 2009. Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica), Faculdade de Engenharia,
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, 2009.
dSPACE® GmbH. DS1104 R&D Controller Board, Installation and Configuration. Paderborn, Germany. 2003. 286p.
dSPACE® GmbH. Real-Time Interface (RTI and RTI-MP) Implementation Guide. Paderborn, Germany. 2003. 294p.
Gomes, H., Controle de Conversores Eletrônicos de Potência empregando Processamento Digital de Sinais. Porto Alegre: PUCRS, 2009, Trabalho de Iniciação Científica.
