Conversor Meia Ponte Ativa Dupla Com Larga
Região de Operação Para Conexão Fotovoltaica à
Rede Monofásica
João André Soares de Oliveira e Montiê Alves Vitorino
Departamento de Engenharia Elétrica – Universidade Federal de Campina Grande, UFCG. Rua Aprígio Veloso, 882, Bairro Universitário – CEP: 58429-900 – Campina Grande – PB
Resumo Este artigo apresenta um gerador fotovoltaico acoplado a um conversor meia ponte ativa dupla, com controle MPPT (Maximum Power Point Tracking) implementado, para interligação com a rede monofásica. Um inversor tipo VSI (Voltage Source Inverters) foi utilizado para conversão da tensão contínua em alternada. A topologia do sistema integrado será apresentada junto a seus princípios. As estratégias de controle utilizadas serão discutidas e a comprovação da eficiência demonstrada por simulação.
Palavras-chaves Fotovoltaico, MPPT, Inversor, Redes Inteligentes.
I.INTRODUÇÃO
As redes inteligentes (smart-grids) são um paradigma emergente na geração e distribuição de energia, oriundas de um esforço mundial em melhorar e modernizar as redes de energia elétrica. Um dos principais pontos desta nova rede elétrica é a alteração no abastecimento de demandas de energia, utilizando de fontes limpas e renováveis: solar, eólica. Os sistemas de conversão da eletrônica de potência são utilizados para garantir duas premissas básicas: a segurança na regulação do nível de tensão e a densidade de potência no barramento CC requerida pelos dispositivos de potência. [1] Para a interligação dos sistemas de geração e distribuição da energia, utilizam-se dois estágios de conversores. No primeiro, um conversor CC-CC é associado à fonte de geração, no caso estudado, solar, para que seja implementado um algoritmo de rastreamento para a máxima eficiência do painel solar; este conversor atuará transferindo a potência fornecida pela painel ao barramento CC. No segundo estágio, um inversor é acoplado para que seja gerada a tensão da rede e, assim, haja a injeção de corrente no sistema consumidor. Dois pontos surgem deste nível de acoplamento: o primeiro se trata da necessidade de controle de tensão do barramento CC, sendo este referência para geração da onda senoidal. Além disso, o sincronismo entre a forma de onda gerada pelo inversor e a rede deve ser alcançado. Há, basicamente, duas classes gerais de algoritmos para realização de monitoramento da tensão.
P. Autor, joao.soares@ee.ufcg.edu.br, S. Autor, vitorino@dee.ufcg.edu.br, Tel. +55-83-2101-1293, Fax +55-83-2101-1418.
Este trabalho foi parcialmente financiado pelo CNPq, através do Projeto Institucional de Bolsas de Iniciação Científica, e pela ELETROBRAS Convênio ECV 002/2011.
A primeira baseia-se em métodos que observam as passagens por zero da senoide da rede, estimando a fase e a frequência. A segunda classe, escolhida para implementação neste artigo, baseia-se em algoritmos de detecção de fase em malha fechada - PLL (PhaseLockLoop).
A descrição da topologia do sistema pode ser vista na Fig. 1, Ip e Vp são, respectivamente, a corrente e a tensão geradas pelo painel fotovoltaico, Vcc é a tensão gerada pelo conversor CC-CC, sendo o mesmo valor de Vbar, tensão do barramento CC, Ibar, sua corrente, If e Vf são, respectivamente,a corrente e tensão de entrada no filtro e Vca e Ica são, respectivamente, tensão e corrente na rede. A modelagem da rede elétrica monofásica foi realizada por meio de uma fonte de tensão com uma impedância série de linha, Zr.
As simulações foram realizadas e cálculos de eficiência na geração de energia do painel, THD (Total Harmonic Distortion), fator de potência na carga, potência consumida pela rede e demais parâmetros foram utilizados para validar a topologia dos circuitos e as técnicas de controle implementadas.
Fig. 1. Sistema monofásico de geração distribuída.
II.GERADOR FOTOVOLTAICO
(2)
(5) (1)
(4) (3) silício é da ordem de 0,5 V à 25º C e a corrente com célula em curto-circuito é da ordem de 30 mA/cm². As células formam a unidade básica da geração, sendo agrupadas em arranjos série-paralelo formando blocos básicos denominados de módulo. Com objetivo de elevar ainda mais a tensão e corrente gerada, associa-se tais módulos formando o painel fotovoltaico. A unidade geradora deste artigo é formada por um painel com 9 módulos fotovoltaicos da Kyocera – KC120-1. Cada módulo alcança uma potência máxima de 120 W, para uma irradiação de 1000 W/m². [2]
A. Modelo do Gerador
Descreve-se o circuito da célula solar como mostrado na Fig. 2. A corrente em função das condições naturais da célula é descrita por Iph, a junção das camadas de semicondutores é representada pelo diodo, além das resistências parasitas Rs e Rp. [2]
Fig. 2. Modelo matemático do gerador fotovoltaico.
A corrente I, pela Lei de Kirchhoff das Correntes, é dada como a corrente de irradiação Iph, menos a soma das correntes ID(corrente do diodo)e IR (corrente de carga) (1).
𝐼 = 𝐼𝑝ℎ −𝐼𝐷− 𝐼𝑅
Substituindo os valores de corrente, obtém-se (2), onde Io é a corrente de saturação do diodo, V é a tensão terminal, m é o fator de idealidade do diodo, Vt = kT/q é a tensão térmica, k
sendo a constante de Boltzman’s, q a carga elementar do
elétron e T é a temperatura dada em Kelvin.
𝐼 = 𝐼𝑝ℎ −𝐼𝑂(exp (𝑉 + 𝑅𝑠𝐼𝑚𝑉𝑡 ) − 1) −𝑉 + 𝑅𝑠𝐼𝑅𝑝
A equação (2) descreve a curva de caracterização do painel. A influência da temperatura e da insolação é descrita por (3), onde Iphn representa a corrente de irradiação sob condições padrão, G é a irradiação por metro quadrado e Gn a irradiação nominal. Aprofundando-se ainda mais no modelo, é visto também a equação que descreve a variação da corrente de saturação do diodo (4), onde Eg corresponde à energia de banda do semicondutor (1,12 eV para o silício) e m’ é o fator
de idealidade dividido pelo número de células em série.
𝐼𝑝ℎ = 𝐼𝑝ℎ𝑛𝐺𝑛𝐺
𝐼𝑜 = 𝐼𝑜𝑛 (𝑇𝑛𝑇)3exp (𝐸𝑔𝑚′( 1 𝑉𝑡′−
1 𝑉𝑡 ))
Na Fig. 3 pode-se ver a simulação do painel utilizado neste trabalho para uma irradiação de 1000 W/m² e uma temperatura de 298,16 K. As coordenadas do ponto destacado no gráfico corrente versus tensão são 165,2 volts e 7,059 amperes; no
gráfico potência versus tensão tem-se: 164,6 volts e 1166 watts.
Fig. 3. Curvas característica do painel para condições normais.
B. Rastreamento do Ponto de Máxima Potência
O painel possui um ponto de operação denominado MPP -Ponto de Máxima Potência (em inglês, Maximum Power Point). Este, varia com a insolação e temperatura do painel, devendo ser constantemente monitorado para que o sistema opere sempre nas suas proximidades. A implementação do algoritmo de rastreamento do ponto de máxima potência, visto na Fig. 4, acontece no controle de chaveamento de um conversor CC-CC, neste trabalho utilizou-se um conversor Meia Ponte Ativa Dupla, devido suas características de isolação galvânica e alta eficiência na transmissão de potência. [3]
Fig. 4. Algoritmo para o método Condutância Incremental.
Entre os algoritmos propostos na literatura, implementou-se o Condutância Incremental (em inglês, Incremental Conductance). O fluxograma para implementação pode ser visto na Fig. 4. O método se baseia no cálculo da derivada da potência em relação à tensão, alterando o valor da tensão de referência. Se a derivada for positiva, incrementa-se a tensão, se for negativa, decrementa-se (5).
𝑑𝑃 𝑑𝑉 =
𝑑[𝐼𝑉]
(6)
(9)
(10) (8) (7)
(11)
(11)
(12)
(13)
(15) (14) III.CONVERSOR MEIA PONTE ATIVA DUPLA
O conversor utilizado foi um Meia Ponte acoplado por um transformador de alta frequência. Nessa topologia o modo de operação é coordenado por dois estágios de chaveamento. O controle das chaves é realizado por meio do algoritmo Condutância Incremental, em que será gerado uma tensão de referência e com um controlador do tipo PI associado a um limitador de sinal, pode-se obter o ciclo de trabalho para definição da abertura e fechamento das chaves. [4]
Este conversor, por ser bidirecional e funcionar como um conversor em cascata que pode ser um elevador ou abaixador de tensão, possibilita atingir uma larga faixa de operação para rastreamento do ponto de máxima transferência de potência. A equação de espaço de estados do conversor pode ser vista em (6). As varáveis de estado são: Il, corrente no indutor de
acoplamento, Vci, tensão no capacitor de entrada e Vco, tensão no capacitor de saída. Para efeitos de modelagem, o transformador foi considerado ideal e com relação de espiras de 1:1.
[𝑉𝑐𝑖′𝐼𝑙′ 𝑉𝑐𝑜′] =
[
0 𝑞3𝐿𝑐 −𝑞4𝐿𝑐
−𝐶𝑐𝑖 0𝑞3 0
𝑞4
𝐶𝑐𝑜 0 0 ]
[𝑉𝑐𝑖𝐼𝑙 𝑉𝑐𝑜] +
[
0 0
1
𝐶𝑐𝑖 0
0 1
𝐶𝑐𝑜] [𝐼𝑝𝑣𝐼𝑐𝑐 ]
De acordo com os valores das chaves, alcança-se faixas distintas de tensão e corrente na saído do conversor, mantendo como referência o valor de tensão fornecido pelo algoritmo de rastreamento.
IV.INVERSOR
O inversor utilizado é um VSI (Voltage Source Inverters), o mesmo deve impor uma tensão senoidal em fase com a tensão da rede. O inversor é modelado para implementação de seu controle e as tensões de polo de referência são geradas com base em (7) e (8). Estas, são dependentes do chaveamento q1 e q2. [5][6][7]
𝑉10 = (2𝑞1 − 1)𝑉𝑏𝑎𝑟2
𝑉20 = (2𝑞2 − 1)𝑉𝑏𝑎𝑟2
Para que haja o controle de corrente na saído do inversor, realiza-se um acoplamento com uma impedância; esta, atuará como filtro de corrente, daí tem-se um inversor de tensão controlado por corrente. O filtro utilizado é um LC, seus parâmetros foram calculados por meio de (9) e (10), respectivamente.
𝐶𝑓 ≅𝑤𝑐𝑉𝑐𝑎²2𝑃𝑛𝑜𝑛√ 𝑤² 𝑤𝑐² − 2
𝐿𝑓 = 𝑊𝑐²𝐶𝑓1
Os parâmetros Pnon, wc e Vca correspondem, respectivamente, à potência nominal, frequência de ressonância e tensão na carga. Para fins de dimensionamento, foram desconsideradas as resistências intrínsecas aos elementos acumuladores de energia referente ao valor de tensão fornecido pelo algoritmo de rastreamento. [8]
V.CONTROLE PWM
O inversor de tensão será controlado por modulação por largura de pulso (em inglês, Pulse Width Modulation), obtendo-se um controle de tensão linear na saída. Define-se, incialmente, a tensão de referência de polo (11). [9][10]
𝑉𝑔′= 𝑉′10 + 𝑉′20
As tensões de referência de polo V’10 e V’20 variam entre –Vbar/2 e +Vbar/2, frações da tensão de barramento. A partir daí, calculam-se as tensões médias de polos, somando uma tensão de referência homopolar V’µ para aumento do grau de liberdade (11) e (12).
𝑉′10 = 𝑉′𝑔 + 𝑉′µ
𝑉′20 = 𝑉′µ
A tensão V’µ pode ser escolhida arbitrariamente, desde que satisfaça a condição (13), garantindo que o sinal do PWM não sature, visto que o sinal de referência da portadora varia entre –Vbar/2 e +Vbar/2. Reescrevendo (13), pode-se chegar em (14). [11]
max (−𝑉𝑏𝑎𝑟2 , −𝑉𝑏𝑎𝑟2 − 𝑉′𝑔) ≤ 𝑉′µ
≤ min (𝑉𝑏𝑎𝑟2 ,𝑉𝑏𝑎𝑟2 − 𝑉′𝑔)
−𝑉𝑏𝑎𝑟2 − min(0, 𝑉′𝑔) ≤ 𝑉′µ ≤𝑉𝑏𝑎𝑟
2 − max(0, 𝑉′𝑔)
Define-se, também, um fator de distribuição µ de maneira que fique no intervalo dado por [-1,1], permitindo escolher V’µ da forma mostrada em (15).
𝑉′µ = 1
2(1 + µ)V′µmax + 1
2(1 − µ)V′µmin
Os estados das chaves podem ser obtidos comparando-se uma triangular com as tensões de referência V’10 e V’20.
VI.CONTROLE DO SISTEMA
senoidal sincronizada com a rede por um algoritmo de implementação PLL (Phase Lock Loop). [12] [13]
Fig. 5. Diagrama de bloco do controle do sistema.
O sinal de erro da comparação com a corrente do filtro é compensado por um PI-Modificado que irá fornecer a tensão de referência V’g, entrada do filtro. Esta, será comparada com uma portadora definida com base na tensão de barramento medida, gerando, portanto, os sinais de gatilhos para o chaveamento.
VII.RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES
Para analisar o comportamento do sistema apresentado, utilizou-se os programas de simulação: Matlab e PSIM. Alguns dos parâmetros dos circuitos foram: potência do painel em condições nominais, Ppainel = 1150 W, tensão controlada Vpainel = 170 V, tensão de referência do barramento Vbar = 320 V.
O tempo de simulação foi de 3 s, sendo aplicado um degrau de insolação para t = 0,8 s.
Na Fig. 6 pode-se comprovar que a tensão gerada pelo inversor está em fase com a tensão da rede. Medindo o THD da tensão de referência gerada no filtro obtém-se 1,1%, que sugere um ótimo desempenho para o sistema controlado.
Fig. 6. Tensão no filtro e na rede.
A corrente injetada na rede deve estar em fase com a referência, na Fig. 7 pode-se verificar este fato. Nota-se, também, que a partir de 0,8s, momento de aumento da insolação, a corrente injetada também cresce. O THD da corrente foi de 3,75%.
Fig. 7. Corrente injetada na rede.
A tensão controlada do barramento para garantir a geração da onda senoidal para a rede pode ser vista na Fig. 8. O degrau de insolação perturbou a tensão, gerando um período transitório, mas o controlador atuou fazendo a tensão retornar à sua referência.
Fig. 8. Tensão no barramento CC.
Na Fig. 9 apresentam-se a corrente e tensão na saída do filtro (na rede). O fator de potência calculado foi de 99.6%, praticamente unitário.
Fig. 9. Tensão e corrente na rede.
o rastreamento da potência máxima oferecida pelo painel. Este resultado, pode ser vista na Fig. 11.
Fig. 10. Tensão controlada no painel fotovoltaico.
Fig. 11. Rastreamento da potência máxima transmitida.
VIII.CONCLUSÃO
Este artigo apresentou o estudo das etapas de conversão para a interligação de um sistema fotovoltaico à rede elétrica monofásica. Com base nos resultados, constatou-se a eficiência das técnicas de controle de tensão e de fase, implementadas pelos controladores PI e PI-modificado, além de PLL, destacando também o algoritmo MPPT na sua atuação de rastreamento do ponto de máxima transferência de potência do sistema gerador fotovoltaico. O fator de potência unitário, baixa distorção da corrente injetada e da saída de tensão foram características comprobatórios da modelagem e implementação das técnicas de controle.
IX.AGRADECIMENTO
Os autores agradecem o suporte dado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), a ELETROBRAS Convênio ECV 002/2011 e ao Laboratório de Eletrônica Industrial e Acionamento de Máquinas (LEIAM-UFCG).
REFERÊNCIAS
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photovoltaic power tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions," Generation, Transmission and Distribution, IEE Proceedings- , vol.142, no.1, pp.59,64, Jan 1995.
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[13] Solanki, P.P.D.; Dhimmar, N.J.; Patel, N.J., "PLL For Single Phase Grid Connected Inverters," Power Electronics, IJERT on , vol.4, no.5, October 2013.
