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1. Je T 100577 om PF j OS peN A DE sus PAS a ie Zz i eeraa 100 W is Na a a Do Ma a ut Lg AMO 0 1 0 11 0 12 0 13 0 14 0 15 0 16 0 17 0 18 0 19 0 2 Boost FE oe A A l a der dd 5 a oe as LCN 0 1 100 d Ko A Ed LA e o Rd o 0 1 0 11 0 12 0 13 0 14 0 15 0 16 0 17 0 18 0 19 0 2 Boost de 3 estados Fim EN F E em pT E oOo s i 1 E Y i J N fo 100 Fa CA at as EA Tue a 0 1 0 11 0 12 0 13 0 14 0 15 0 16 0 17 0 18 0 19 0 2 Buck Boost 10067 de 0 j 100 200 s Net 0 1 0 11 0 12 0 13 0 14 0 15 0 16 0 17 0 18 0 19 0 2 Buck Boost de 3 estados 10057 Es OS na a a 100 yf Pi ri h Na p Nt w ud Naa M 0 1 0 11 0 12 0 13 0 14 0 15 0 16 0 17 0 18 0 19 02 Fonte Galotto Junior 2011 O objetivo desta compara o visualizar a qualidade de onda da corrente obtida com cada topologia A distor o harm nica total da corrente de cada conversor tamb m foi calculada separadamente para a compara o CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 103 poss vel verificar que a maior parte das topologias integradas apresentaram problemas durante o cruzamento por zero exceto as que possuem 3 estados tri state Isso ocorre devido a tentativa de controlar o inversor como conversor CC CC Al m disso o conversor boost integrado tamb m n
2. Er Vs 100 V div f b Fonte Galotto Junior 2011 Pode ser observado que as tens es na chave s o predominantemente positivas As chaves e S s o complementares e possuem os mesmos esfor os Elas s receber o tens o reversa se houver invers o de polaridade antes da invers o da tens o de sa da A Figura 5 23 mostra os esfor os para a chave S2 Esta chave e a sua complementar 4 apresentam comportamentos diferentes para cada semiciclo Isto ocorre porque estas chaves operam como chave de roda livre ou de transfer ncia de energia Quando a chave opera como roda livre h maior quantidade de tens es reversas e vice versa Figura 5 23 Esfor os de tens o e corrente na chave S gt Bx Vs 100 V div Iso 10 A div Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 126 Na Figura 5 24 a chave S tamb m recebe muito pouca tens o reversa S haver tens o reversa sobre esta chave na tentativa de retornar energia para a fonte Figura 5 24 Esfor os de tens o e corrente na chave Sp Vss 100 V div k Ts 10 A div SEE Fonte Galotto Junior 2011 A Figura 5 25 apresenta a medi o experimental da inje o de corrente na rede com medi o experimental das pot ncias de entrada e de sa da Figura 5 25 Opera o completa do inversor buck boost tri state V 200 V div P
3. C amp K amp A Ad IC amp IK amp B amp B Saux K amp B amp Bd K amp A Ad
4. Power System Research Elsevier Amsterd v 8 n 3 p 296 305 2009 4 BELTRAN H et al Review of the islanding phenomenon problem for connection of renewable energy systems Renewable Energy and Power Quality Journal Valencia v 4 n 1 p 201 205 April 2006 ISSN 2172 038X 5 GALOTTO L et al Non linear controller applied to boost DC DC converters using the state space average model In BRAZILIAN POWER ELECTRONICS CONFERENCE COBEP 9 2009 Bonito Conference Bonito Sobraep 2009 p 733 740 6 BONN R H Developing a next generation PV inverter In PHOTOVOLTAIC SPECIALISTS CONFERENCE 29 2002 Albuquerque Conference Albuquerque IEEE 2002 p 1352 1355 7 RODRIGUEZ C AMARATUNGA G A Analytic solution to the photovoltaic maximum power point problem IEEE Transactions on Circuits and Systems I Regular Papers New York v 54 n 9 p 2054 2060 sept 2007 ISSN 1549 8328 8 MUTOH N OHNO M INOUE T A method for MPPT control while searching for parameters corresponding to weather conditions for PV generation systems IEEE Transactions on Industrial Electronics New York v 53 n 4 p 1055 1065 june 2006 ISSN 0278 0046 REFER NCIAS 133 9 SALAS V et al Review of the maximum power point tracking algorithms for stand alone photovoltaic systems Solar Energy Materials and Solar Cells Amsterd v 90 n 11 p 1555 1578 2006 ISSN 0927 0248 10 PANDEY A DASGUPTA N
5. a T dE r e a m 7 rE z b a a o E 7 E hi x a ma E AP NDICE B C LCULO DOS ELEMENTOS MAGN TICOS 142 9 AP NDICE B CALCULO DOS ELEMENTOS MAGN TICOS Os par metros iniciais necess rios para o dimensionamento de um indutor basicamente s o a corrente m xima a indutancia necess ria e a frequ ncia de opera o Com estes par metros podem ser selecionados o n cleo e o condutor da bobina O n cleo escolhido quanto ao seu material principalmente pela a sua indu o m xima pelas perdas de foucault e histerese e pela sua dimens o rea da se o por onde passa o n cleo e a rea da janela onde alocada a bobina A escolha do condutor mais simples e est relacionada sua capacidade de condu o de corrente ou resist ncia m xima para redu o de perdas Com o aumento da frequ ncia surge o efeito skin que leva ao uso dos fios Litz Existem condutores e fios diferenciados no mercado como no caso dos transformadores planares mas a metodologia aplicada procura a m xima generaliza o do m todo de projeto para que possa ser utilizado se necess rio Inicialmente pode se calcular o n mero de espiras a partir da indut ncia desejada e do Al ou relut ncia do n cleo a partir da equa o B 1 Enquanto a se o m nima do n cleo do indutor para que n o atinja a satura o magn tica pode ser obtida com B 2 Unindo as equa es pode ser verificar atrav
6. o do conversor Figura 5 10 e rastreamento de um perfil de irradia o di rio t pico Figura 5 11 Como apresentado nos cap tulos anteriores este m todo apresentou uma r pida resposta frente s varia es de intensidade de irradia o Na inicializa o o tempo de resposta foi em torno de 0 5 segundo Os resultados da Figura 5 10 foram levantados apenas controlando a corrente de entrada e sem invers o de polaridade na sa da ou seja no modo CC CC Figura 5 10 Resposta Din mica do M todo Beta Escala de Tempo 200 ms div V py 20 Vidiv ST o E Ppy 100 W div Fonte 28 A resposta apresentada na Figura 5 11 foi levantada utilizando um software de controle do simulador solar da Agilent Com este software poss vel aplicar um perfil de irradia o solar e tamb m medir simultaneamente a pot ncia extra da do painel Com isso poss vel calcular ao final do ensaio o fator de rastreamento experimental Este m todo rastreia CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 118 rapidamente mas apresentou erros devido ao par metro Beta ser uma aproxima o do MPP Portanto este n o permite a otimiza o do rastreamento em todos os pontos de opera o Figura 5 11 Resposta do M todo B para um perfil de irradia o di rio t pico Pp W x Tempo s 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Fonte 28 5 4 2 Conex o com a rede A Figura 5 12 apresenta a compara
7. MUKERJEE A K A simple single sensor MPPT solution IEEE Transactions on Power Electronics New York v 22 n 2 p 698 700 march 2007 ISSN 0885 8993 11 XIAO W DUNFORD W G A modified adaptive hill climbing MPPT method for photovoltaic power systems In POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE PESC 35 2004 Aachen Conference Aachen IEEE 2004 v 3 p 1957 1963 ISSN 0275 9306 12 SERA D et al Optimized maximum power point tracker for fast changing environmental conditions IEEE Transactions on Industrial Electronics New York v 55 n 7 p 2629 2637 july 2008 ISSN 0278 0046 13 FEMIA N et al Optimization of perturb and observe maximum power point tracking method IEEE Transactions on Power Electronics New York v 20 n 4 p 963 973 july 2005 ISSN 0885 8993 14 FERMIA N et al Predictive adaptive MPPT perturb and observe method IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems New York v 43 n 3 p 934 950 july 2007 ISSN 0018 9251 15 LIU F et al A variable step size INC MPPT method for PV systems IEEE Transactions on Industrial Electronics New York v 55 n 7 p 2622 2628 july 2008 ISSN 0278 0046 16 KOIZUMI H KUROKAWA K A novel maximum power point tracking method for PV module integrated converter In POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE PESC 36 2005 Recife Conference Recife IEEE 2005 p 2081 2086 17 KOIZUMI H KUROKAWA K A no
8. lt http www tessin com br gt Acesso em jul 2011 44 JAIN S AGARWAL V A single stage grid connected inverter topology for solar PV systems with maximum power point tracking IEEE Transactions on Power Electronics New York v 22 n 5 p 1928 1940 sept 2007 ISSN 0885 8993 45 GAO F et al Diode assisted buck boost current source inverters In Power Electronics and Drive Systems 7 2007 Thailand Conference Thailand Electrical Engineering Electronics Computer Communications and Information Technology Association 2007 p 1187 1193 46 LIANG T J SHYU J CHEN J F A novel DC AC boost inverter In ENERGY REFER NCIAS 47 48 49 50 J D2 I 54 Conference Washington IEEE 2004 p 629 634 LOH P C et al Topological development and operational analysis of buck boost current source inverters for energy conversion applications In Power Electronics Specialists Conference PESC 37 2006 Jeju Conference Jeju IEEE 2006 p 1 6 ISSN 0275 9306 CALAIS M et al Inverters for single phase grid connected photovoltaic systems an overview In POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE PESC 33 2002 Cairns Annual Cairns IEEE 2002 v 4 p 1995 2000 SCHIMPF F NORUM L E Grid connected converters for photovoltaic state of the art ideas for improvement of transformerless inverters In NORDIC WORKSHOP ON POWER AND INDUSTRIAL ELECTRONICS NOR
9. o da carga em stand alone teve a priori maior enfoque acad mico uma vez que n o se pode garantir CAP TULO 6 CONCLUS ES 131 continuidade de abastecimento a partir de uma fonte exclusivamente solar sem armazenamento Por m este exemplo de utiliza o foi apresentado para abrir possibilidades de aplica es Na pr tica os microinversores dos m dulos CA dever o operar somente em conex o com a rede O prot tipo final foi aprimorado com a substitui o de semicondutores por aqueles mais adequados para a obten o experimental da curva de efici ncia e com a redu o de placas e conectores Este est muito pr ximo de se transformar em um produto restando apenas embarcar o controle e compactar os circuitos al m dos acabamentos mec nicos O prot tipo apresentou uma efici ncia um pouco abaixo da estimada devido a elementos extras como rel e jumpers presentes no seu circuito para flexibilizar a opera o de m ltiplas topologias Esta caracter stica foi preparada apenas para benef cio acad mico e o produto final n o necessita dela Apesar de a efici ncia esperada ser equivalente do conversor de dois est gios ela somente poss vel utilizando semicondutores de custo elevado o que uma das maiores desvantagens do conversor Outra desvantagem o tamanho do indutor necess rio para realizar o desacoplamento de pot ncia no lugar de capacitores Al m do volume este indutor tamb m eleva o peso e o cust
10. verifica o poderia ser enviado por PLC a partir das subesta es por exemplo e o gerador CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE 47 distribu do funcionaria somente na presen a deste sinal Em caso de perda de comunica o ou Interrup o do sinal o gerador distribu do seria desligado A velocidade de detec o depende da velocidade de tr fego do sinal O principal limitador destes m todos est na viabilidade econ mica devido ao custo da tecnologia de comunica o que poder se viabilizar num futuro pr ximo com o desenvolvimento das redes inteligentes Smart Grids em conjunto com os conceitos das micro redes de GD 3 3 5 Medidas de desempenho da detec o de ilhamento Os meios mais utilizados para avaliar a qualidade de cada m todo de detec o est o relacionados principalmente ao tempo para a detec o Non Detection Zone NDZ aos dist rbios na rede el trica e ao custo de implementa o Estas caracter sticas ser o utilizadas nas pr ximas sess es para classificar e comparar os principais m todos que poder o ser utilizados neste trabalho 3 4 RESULTADOS DE SIMULA O Para a simula o da conex o com a rede foi considerado o sistema representado pelo diagrama unifilar da Figura 3 6 Neste exemplo para an lise a imped ncia de conex o com a rede Z um circuito RL s rie onde o indutor de 10 mH e a resist ncia de 0 1 Q Esta imped ncia a equivalente considerando tamb m a indut
11. 2 Ferrites EE Ferro Sil cio Tipo EI NEE 40 17 12 Chapa E96 43 100 IP12 42 6mm de espessura do n cleo 0 5mm de air gap Peso n cleo 58g 32g Dimens es n cleo 40x34x12mm 35x29 5x6mm Bee 0 4 T 1 2 T Al aH espir 100 BBA N eq B 1 145 121 A MBa Sm Ae m nimo eq B 3 117 mm ok 206 mm 0k Bitola necess ria 24Awg 0 21mm 4A 0 084 Q metro 3x rea cobre gt m rz mm rea da Janela 154 mm ok 97 5 mm Imagem em perspectiva dos n cleos CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE Para estes c lculos o indutor com o n cleo de ferro apresentou o menor peso e volume Este era o resultado esperado uma vez que este n cleo permite uma maior indu o magn tica 3 6 CONCLUS O Este cap tulo apresentou as principais estrat gias necess rias para realizar a conex o com a rede el trica Os m todos de anti ilhamento foram apresentados e avaliados para permitir a sua sele o uma vez que s o essenciais em atender s normas t cnicas Internacionais O sincronismo e o controle da corrente da rede tamb m foram apresentados e dimensionados assim como o indutor de conex o Estas an lises foram feitas de forma independente da topologia de conversor a ser escolhida atrav s da conex o com uma fonte de tens o ideal com a rede por meio de uma indut ncia pura complementando os resultados dos pr ximos cap tulos Desta forma a indut ncia de conex o dimensionada a mesma para to
12. 978 1 4244 8008 1 30 KITAMURA A et al Islanding phenomenon of grid connected PV systems In PHOTOVOLTAIC SPECIALISTS CONFERENCE 28 2000 Anchorage Conference Anchorage IEEE 2000 p 1591 1594 31 INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS IEEE Standard 1547TM standard for interconnecting distributed resources into electric New York 2003 32 MAHAT P CHEN Z BAK JENSEN B Review of islanding detection methods for distributed generation In ELECTRIC UTILITY DEREGULATION AND RESTRUCTURING AND POWER TECHNOLOGIES DRPT 3 2008 Nanjuing Conference Nanjuing IEEE 2008 p 2743 2748 33 SMITH G A ONIONS P A INFIELD D G Predicting islanding operation of grid connected PV inverters IEE Proceedings on Electric Power Applications Stevenage v 147 n 1 p 1 6 jan 2000 ISSN 1350 2352 34 ETXEGARAL A EGUIA P ZAMORA I Analysis of remote islanding detection methods for distributed resources In INTERNATIONAL CONFERENCE ON RENEWABLE ENERGIES AND POWER 11 2011 Las Palmas de Gran Canaria Conference Las Palmas de Gran Canaria s n 2011 p 13 15 35 JANG S I KIM K H An islanding detection method for distributed generations using voltage unbalance and total harmonic distortion of current IEEE Transaction on Power Delivery New York v 19 n 2 p 745 752 April 2004 36 O KANE P FOX B Loss of mains detection for embedded generation by system REFER NCIAS 13
13. Freq Hz 65 i l 55 0 9 0 95 1 1 05 1 1 1 15 tempo s Fonte Galotto Junior 2011 Para este m todo SMS a instabilidade da frequ ncia pode se comportar de forma diferente quando m ltiplos inversores estiverem conectados em ilha e o tempo NDZ pode variar Existem trabalhos que avaliam os m todos anti ilhamento com maior profundidade nestes cen rios 32 M ltiplos inversores com diferentes m todos tamb m poderiam ser testados Para este trabalho uma avalia o individual de cada m todo suficiente para a escolha preliminar do m todo mais adequado ao prot tipo proposto No m todo da imped ncia a inje o de corrente de alta frequ ncia pode ser facilmente percebida na tens o da rede em condi es de ilhamento como na Figura 3 12 CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE Figura 3 12 Resultado para o m todo de imped ncia Tens o ap s a imped ncia da rede com m todo da imped ncia 250 I T i 200 250 0 9 0 95 1 05 1 1 1 15 tempo s Fonte Galotto Junior 2011 3 4 3 Compara o dos M todos de Anti Ilhamento Para avalia o dos m todos de detec o de ilhamento o caso onde h equil brio foi utilizado por ser o mais cr tico Neste caso os m todos passivos s o incapazes de detectar o ilhamento por isso n o foram simulados Os m todos remotos tamb m n o
14. Resultados experimentais em stand alone com inversor boost tri state 121 Figura 5 18 Resultados experimentais em stand alone com inversor buck boost tri state 122 Figura 5 19 Opera o completa do inversor buck boost tri state c ires 125 Figura 5 20 Detalhe das correntes no lado CC do buck boost tri state 123 Figura 5 21 Rampa de partida programada para a tens o de sa da e para a corrente no PMO RD OUR RENDER ENE RR RR RR RR EIE NE A E ETETE 124 Figura 5 22 Esfor os de tens o e corrente na chave 5 asi cencudecescnnsucenniasdenieansisasvesestenteasssecavansees 125 Figura 5 23 Esfor os de tens o e corrente na chave So ssssesesessssssseeeesssssesesssssssseesesssesreeessse 125 Figura 5 24 Esfor os de tens o e corrente na chave Sp essssessssessssssesressesseessseseessesrressseresssses 126 Figura 5 25 Opera o completa do inversor buck boost tri state ssssseesssesessseressssreesseeees 126 Figura 5 26 Curvas de efici ncia experimental para o inversor buck boost tri state 127 Figura A 1 Modelo em Simulink do inversor convencional de 2 est gios 139 Figura A 2 Modelo em Simulink do inversor boost cccccsssercccesseerccesssseeccessseceecesssnseees 139 Figura A 3 Modelo em Simulink do inversor boost tri state screen 140 Figura A 4 Modelo em Simulink do inverso
15. a varia o de D independente de D2 no tri state permite um aumento deste ganho acima do buck boost convencional assim como mostrado na Figura 4 25 Figura 4 25 Compara o do ganho est tico entre o buck boost convencional e tri state 35 Ideal i sen Real Ry 1 Ohm i Tri State Real D 1 D 2 i e Tri State Real D D 5 i N o1 Ganho est tico V V 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 Raz o C clica ou Tempo de Curto Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 87 4 4 5 Malhas de controle de tens o O c lculo do ganho est tico apresentado consiste apenas na varia o de D e D2 em malha aberta Presumindo uma indut ncia para o m nimo de ondula o de corrente aproximadamente constante a equa o din mica da tens o de sa da pode ser simplificada em 4 30 Vo _ ILb RolLb D gt CoSt1 Ro RoCo S 1 4 30 Com constante o ganho est tico s 0 se torna unicamente dependente de D2 e da carga Portanto a tens o poder ser controlada de forma independente da corrente de entrada A carga de sa da tamb m pode ser considerada como um dist rbio para a malha de controle de modo que o diagrama em malha fechada est apresentado na Figura 4 26 com o controle e a planta em tons diferentes Figura 4 26 Diagrama de blocos do controle de Vo
16. e Cd que s o utilizadas para a sobreposi o dos pulsos Os pulsos 77 T e T s o produzidos com as combina es l gicas indicadas na figura A interpreta o f sica de T o estado de curto circuito ou carga do indutor enquanto T o estado de transfer ncia de pot ncia ou descarga do indutor e T o estado de roda livre da energia no indutor Portanto estes tr s pulsos gerados s o suficientes para a modula o Tri State proposta Entretanto a sele o das chaves que receber o estes pulsos depender da topologia utilizada e um sinal adicional enviado ao modulador para que este seja ajustado em fun o da topologia Para identificar o pulso que deve ser direcionado a cada chave preciso considerar tamb m a polaridade de sa da A Tabela 5 2 mostra os pulsos que recebem cada chave em fun o da polaridade de sa da para o inversor Boost tri state A Tabela 5 3 mostra os pulsos para as chaves do inversor Buck Boost tri state Tabela 5 2 Chaveamento para o boost tri state Chave Semi ciclo positivo Semi ciclo negativo L gica S1 ligada desligada C Cd S2 Ty T2 CT CT S3 desligada ligada CCl S4 T2 T CL CT Saux T3 T3 T B Bd B Bd Tabela 5 3 Chaveamento buck boost tri state Chave Semi ciclo positivo Semi ciclo negativo L gica Si ligada desligada C Cd S2 T3 T CT CT S3 desligada ligada E asc S4 Ty T3 CL CT Saux T T T A Ad A Figura 5 7 mostra o circuito de modula
17. especialmente vida til compat vel com a do painel Neste contexto este trabalho utiliza conversores com Integra o de est gios CC CA visando alcan ar os principais requisitos necess rios para que possam ser uma alternativa vi vel para a aplica o apresentada A principal contribui o do trabalho consiste em uma nova estrat gia de controle n o encontrada na literatura a qual permite realizar o controle independente da entrada e da sa da destes conversores com um est gio semelhante ao conversor de dois est gios Desta forma esta estrat gia permite realizar o desacoplamento de pot ncia indutivo que substitui os capacitores do link CC principal limitador da vida til dos conversores por um indutor Este controle poss vel devido ao grau de liberdade adicional obtido com a modula o Tr s Estados Tri State Adicionalmente realiza se uma revis o e avalia o de alguns dos diversos algoritmos de MPPT Maximum Power Point Tracking e anti ilhamento para a sele o dos mais adequados aos conversores desta aplica o Os resultados de simula o mostram as formas de onda dos conversores integrados Boost e Buck Boost 2 e 3 estados e do conversor de dois est gios convencional para compara o Estes resultados se resumem em duas tabelas com resultados quantitativos e qualitativos da compara o permitindo selecionar o melhor conversor para cada aplica o A principal caracter stica dos conversor
18. o opera com tens o de sa da menor do que a entrada aumentando a distor o Os gr ficos da Figura 4 44 mostram a corrente fornecida pelo painel a e a corrente no indutor L b Nas configura es convencional boost 3 estados e buck boost 3 estados foram utilizadas pequenas capacit ncias em paralelo do painel Para os demais um capacitor 150 vezes maior utilizado para o desacoplamento Com os 3 estados a corrente de entrada pode ser controlada para ser mais pr xima da continua assim como no conversor convencional de dois est gios Figura 4 44 Correntes na sa da do painel PV e no indutor L para as estruturas analisadas E Convencional com 2 est gios Convencional com 2 est gios 20 ao O OPEP e Ml i i Wh 5 0 i i 0 1 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2 0 1 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2 Boost Boost 15 r 20 4 AUY RLL dd kk a i h b1 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2 0 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2 a Boost de 3 estados Boost de 3 estados 20 J a VA ne J ol a ee oe ge a ee 5 0 0 1 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2 0 1 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2 Buck Boost Buck Boost 15 T T T T T T T Fe P 20 i J LOM h Ai h h VV VY PAPAI AM AA MAMA 5 i i L if ol fi L L ji 0 1 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2 0 1 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2 dE Buck Boost de 3 estados Buck Boost de 3 estados 20 4 E
19. s de B 3 que a se o depender apenas do material Al e BY al m dos par metros iniciais de projeto N L R 4 B 1 Acmm 10 B 2 Ae mm 10 B 3 Onde I a corrente m xima sobre o indutor AP NDICE B C LCULO DOS ELEMENTOS MAGN TICOS 143 B a indu o m xima admitida pelo n cleo sem satura o L a indut ncia previamente dimensionada A a rea m nima da se o do n cleo N o n mero de espiras Re a relut ncia do circuito magn tico Al o inverso da relut ncia Para facilitar alguns fabricantes de n cleos 42 fornecem o n mero de espiras para atingir a indut ncia desejada atrav s do par metro Al dado em nanohenry por espira ao quadrado que o inverso da Relut ncia Por m alguns n cleos precisam ser calculados apropriadamente atrav s do seu circuito magn tico Entre os materiais mais utilizados est o o ferrite o ferro sil cio e os n cleos de p de ferro Os ferrites s o mais utilizados para n cleos onde a alta frequ ncia predominante enquanto o ferro sil cio se restringe a baixas frequ ncias devido s perdas apesar de permitir n cleos menores para a mesma indut ncia e correntes O n cleo de p de ferro permite fluxos em alta frequ ncia e possui alta capacidade de indu o interna e uma alternativa aos n cleos de ferrite Aproximadamente poss vel reduzir em at 14 do volume do indutor com p de ferro comparado ao ferrit
20. temperatura e incid ncia do painel com degraus positivos e negativos A refer ncia de pot ncia m xima destacada nas linhas tracejadas das figuras 2 9 a 2 16 Figura 2 9 M todo da raz o c clica constante malha aberta D constante 250 200 150 Pot ncia W gt oO qa Oo oO 50 Fonte Galotto Junior 2011 Figura 2 10 M todo da tens o constante V constante I T 250 T 200 7 150 100 Pot ncia W 50 Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT 34 Pot ncia W Pot ncia W Figura 2 11 M todo da tens o constante V constante com corre o de temperatura i l 250 I l 150 100 Pot ncia W 50 50 0 Fonte Galotto Junior 2011 Figura 2 12 M todo escalada climbing hill Escalada Escalada modificada 250 250 l 200 200 150 _ 150 100 100 os O 5 50 a 50 0 0 50 50 0 1 2 3 4 5 6 tempo s Fonte Galotto Junior 2011 Figura 2 13 M todo de condut ncia incremental InC
21. 100 W div SS P 100 Widiv Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 127 5 7 4 Efici ncia do circuito de pot ncia A Figura 5 26 apresenta o resultado experimental das efici ncias em diferentes pontos de pot ncia de sa da A curva com efici ncia melhorada consiste em um ajuste de Tr m nimo timo em cada condi o de carga O prot tipo anterior tamb m possu a semicondutores diferentes o que possibilitou levantar curvas de efici ncia Figura 5 26 Curvas de efici ncia experimental para o Inversor buck boost tri state Efici ncias medidas 90 80 70 60 Yo 50 lt IGBT IRG4PC50U MUR840 IL cte IGBT IRG4PC50U MUR840 IL timo Mosfet Diodo SiC Shottky IL timo 30 20 50 100 150 200 P py Fonte Galotto Junior 2011 Embora estas curvas de efici ncia estejam menores do que as efici ncias estimadas existem mais elementos no prot tipo que poderiam ser eliminados do produto final como rel de mudan a de topologia e alguns conectores por exemplo O indutor tamb m pode ser constru do com uma resist ncia interna ainda menor para elevar a efici ncia Tanto a estima o quanto a medi o experimental da efici ncia desprezaram o consumo de energia em fontes auxiliares sensores circuitos digitais e de condicionamento Estes circuitos possuem um consumo fixo indepe
22. 100V div ra re pm IA div Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 122 5 7 RESULTADOS DO INVERSOR BUCK BOOST TRI STATE Comparado s demais estruturas avaliadas neste trabalho o inversor buck boost tri state apresentou o menor THD 3 5 na Figura 5 18 nos ensaios preliminares em stand alone Portanto este foi escolhido para realizar a conex o com a rede e ser mais explorado Figura 5 18 Resultados experimentais em stand alone com inversor buck boost tri state r 100V div 10A div E Fonte Galotto Junior 2011 5 7 1 Desacoplamento de pot ncia A Figura 5 18 tamb m indica a corrente de entrada descont nua na frequ ncia de chaveamento para o Buck Boost Tri State Por m utilizando um capacitor de filtro em paralelo com o painel poss vel verificar pela Figura 5 19 que a corrente de Iz oscila enquanto py se mant m constante na m dia CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 125 Figura 5 19 Opera o completa do inversor buck boost tri state Ipv 10 A div E a HAITI VET A AIAG A tes VV VU VY V V V V V VV Fonte Galotto Junior 2011 O efeito da filtragem da descontinuidade da corrente de entrada demandada pelo conversor em conjunto com o desacoplamento de pot ncia indutivo pode ser melhor verificado na Figura 5 20 onde s o mostradas as 3 correntes simultaneamente Figura 5 20 Detalhe das correntes no lado CC do b
23. 15 Neste ponto se diferem os m todos e os resultados finais do projeto de acordo com a aplica o Alguns buscam o balan o de energia entre o capacitor e indutor para minimizar ambos outros podem enfocar mais custo ou peso O m todo de projeto considerado neste trabalho consistem em manter uma atenua o m nima de 20 dB nas correntes em 60 Hz A parcela do numerador da equa o 4 6 indica o primeiro ponto de cruzamento por O dB da resposta em frequ ncia do filtro Este ponto pode ser alocado em 600 Hz atrav s da equa o 4 7 para garantir a atenua o esperada de todas as correntes abaixo desta frequ ncia Assim com pior caso Vcc m nimo de Vcc 200 V o C 1 3 UF o 1 o E 271Vcc 600 4 7 Com o capacitor de sa da definido valor do indutor obtido a partir da equa o 4 5 que fica L 2 1 mH 4 3 3 Capacitor de Desacoplamento do Link CC Este conversor possui a vantagem de ter um controle independente entre a entrada e a sa da Assim a corrente solicitada na entrada cont nua e com um ripple controlado em fun o do dimensionamento da indut ncia por isso n o necess rio o capacitor de desacoplamento na entrada O capacitor de desacoplamento deste conversor o do link CC Apesar de ser o mesmo capacitor de sa da do conversor boost ele n o pode ser dimensionado apenas para a atenua o do ripple de tens o nesta aplica o Este capacitor permite que a diferen a de pot ncia in
24. 18 Estas s o as correntes m dias calculadas na frequ ncia de chaveamento Figura 4 18 Correntes m dias na frequ ncia de chaveamento do conversor convencional Fonte Galotto Junior 2011 A partir desta figura tamb m podem ser calculados os valores m dios na Figura 4 19 integrando no per odo da frequ ncia da rede CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 19 Figura 4 19 Correntes m dias do conversor convencional ZA lL pice l Lp lp 1 D T m Fonte Galotto Junior 2011 Estes valores est o em fun o da corrente de pico do indutor de sa da que dever manter uma rela o com a corrente de entrada em fun o da raz o c clica D para que a tens o m dia no link CC seja constante A Tabela 4 2 apresenta as considera es utilizadas para o c lculo das perdas em cada componente Tabela 4 2 Equa es de c lculo da efici ncia Tipo das perdas Componente Equa o Em condu o IGBT N caton X Lida MOSFET Ras on X Leficaz Diodo Von X TT Resist ncia s rie R on X Kficaz De chaveamento IGBT Ps Perdas totais de chaveamento dissipativo em mJ A ciclo no datasheet do componente Ps x Ic x fs MOSFET Tc tempo de cruzamento obtido no datasheet do componente Te x las 2 Xx Vas 2 x fs DIODO Desprezado O gr fico da Figura 4 20 mostra a curva de efici ncia aproximada em fun o da pot ncia de sa da para diferentes tipos de semicondutores utilizados desconsiderando se as perd
25. 2 considerando que V considerado um dist rbio na planta 3 2 CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE Portanto o diagrama de blocos desta planta pode ser representado na Figura 3 14 Figura 3 14 Diagrama de blocos da conex o com a rede el trica Fonte Galotto Junior 2011 A tens o de sa da do conversor controlada para atuar na corrente de sa da Por isso a frequ ncia de largura de banda da malha de controle de tens o deve ser superior frequ ncia de largura de banda da malha de controle da corrente injetada Em malha fechada apenas um ganho proporcional necess rio pelo tipo do sistema e uma malha de alimenta o direta feedfoward geralmente utilizada para anular o efeito da tens o da rede que j a mesma sensoriada para o sincronismo Neste caso o diagrama de blocos da conex o com o controle fica representado conforme Figura 3 15 Figura 3 15 Diagrama de blocos da conex o com a rede controlada Fonte Galotto Junior 2011 A frequ ncia de corte desta malha de controle acima ser K L rad s Para rastrear a corrente em 60 Hz com pequeno erro esta frequ ncia da malha deve ser superior que foi considerada 10 vezes acima da frequ ncia nominal da rede Assim chega se em 3 3 que determina a rela o necess ria entre K e L para que haja rastreamento da corrente com esta malha de controle 54 CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE a 7 gt 10 60 2
26. 2011 4 6 COMPARA O DOS RESULTADOS ENTRE AS TOPOLOGIAS Os demais modelos de simula o para todas as topologias analisadas nas compara es deste cap tulo podem ser observados no Ap ndice A A partir dos modelos foi poss vel confirmar uma simplifica o significativa alcan ada no controle e nos circuitos de pot ncia com a Integra o e uso da modula o tri state Como n o h mais um est gio CC intermedi rio no inversor Buck boost integrado os algoritmos de MPPT e de conex o devem se comunicar diretamente De fato n o h desvantagens imediatas do ponto de vista do controle A desvantagem est na corrente de CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 102 entrada que a vari vel que refletir as varia es de pot ncia no lugar da tens o do est gio CC o que resultaria na necessidade de um maior capacitor de desacoplamento passivo em paralelo com o painel Al m disto parte da energia solar dispon vel durante os transit rios ser perdida prejudicando o fator de rastreamento 4 6 1 Compara es gr ficas A Figura 4 43 mostra a corrente injetada na rede com uma escala de 10 vezes para facilitar a compara o com a tens o da rede desde a inicializa o e a conex o de cada conversor A pot ncia de sa da fica pr xima de 300 W que a m xima dimensionada para os conversores Figura 4 43 Corrente injetada x 10 na rede para os conversores avaliados Convencional com 2 est gios 200
27. 4 Perdas W em carga nominal para cada componente do buck boost tri state 95 Tabela 4 5 Compara o entre as topologias avaliadas em 300 W ssee ii 105 Tabela 4 6 Compara o quantitativa entre as topologias avaliadas ccccccessssscceeessesneeees 105 Tabela 4 7 Dimensionamento dos componentes PASSIVOS ccceseeeccceesseseneeeecesseesseeeeceeessanes 105 Tabela 4 8 Possibilidade de conversores em fun o da caracter stica de maior interesse 107 Tabela 5 1 Especifica es do circuito de pot ncia do prot tipo e condi es de opera o 110 Tabela 5 2 Chaveamento para o boost tri state cccccesseceessssseceeseseeceescseeecesseeesessesseeseseaes 114 Tabela 5 3 Chaveamento buck boost tri State ccccccssccesccceescccsccceecccscccuscecscecsescesccueceeees 114 S mbolo Vey Vey Voc py Ppy LISTA DE SIMBOLOS Significado Tens o do painel fotovoltaico Refer ncia de tens o do painel fotovoltaico Tens o de circuito aberto do painel fotovoltaico Corrente do painel fotovoltaico Pot ncia do painel fotovoltaico Vari vel que representa o ponto de opera o do painel fotovoltaico Temperatura do painel fotovoltaico Corrente injetada na rede Refer ncia de corrente injetada na rede Frequ ncia angular da rede rad s Frequ ncia da rede Hz Pot ncia reativa injetada na rede Imped ncia de conex o com a rede Tens o da rede
28. 60 Hz Figura 4 3 Caracter sticas do filtro de sa da para opera o isolada Fonte Galotto Junior 2011 Para conectar a rede el trica grid connected a sa da do conversor necessita de um indutor de conex o com a rede como descrito no cap tulo anterior Desta forma o diagrama do lado CA dos conversores com conex o a rede apresentado na Figura 4 4 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 64 Com uma sa da LCL para VSI ou CL para CSI o mesmo conversor poderia alimentar cargas em paralelo com o capacitor e poderia se conectar rede por meio do segundo indutor Lo A vantagem poderia estar na possibilidade de conectar cargas priorit rias ao conversor que operariam isoladamente no caso da interrup o da rede el trica Mas a desvantagem est no aumento do n mero de componentes e na complexidade do controle aumentando o custo Este modo de funcionamento n o foi avaliado para cargas n o lineares uma vez que o conversor apresentado n o pode alimentar uma carga continuamente por n o possui uma armazenagem interna de longa dura o como baterias Figura 4 4 Caracter sticas do filtro de sa da para opera o isolada e com conex o rede Fonte Galotto Junior 2011 Para um conversor operar somente com conex o a rede necess rio somente 1 indutor na sa da do VSI para controlar a inje o de corrente na rede como na Figura 4 5 Para o CSI permanece a necessidade do filtro CL a menos que a
29. GALOTTO JUNIOR L CANESIN C A Inversor CS boost monof sico em aplica es com fontes renov veis In INTERNATIONAL CONFERENCE ON INDUSTRY APPLICATIONS INDUSCON 9 2010 S o Paulo Conference S o Paulo IEEE 2010 p 1 6 BRITO M A G SAMPAIO L P MELO G A GALOTTO JUNIOR L CANESIN C A Main maximum power point tracking strategies intended for photovoltaics In BRAZILIAN POWER ELECTRONICS CONFERENCE COBEP 11 2011 Natal Conference Natal IEEE 2011 p 524 530 BRITO M A G SAMPAIO L P GALOTTO JUNIOR L CANESIN C A New integrated zeta and cuk inverters intended for standalone and grid connected applications In BRAZILIAN POWER ELECTRONICS CONFERENCE COBEP 11 2011 Natal Conference Natal IEEE 2011 p 657 663 BRITO M A G GALOTTO JUNIOR L SAMPAIO L P CANESIN C A Research on photovoltaics review trends and perspectives In BRAZILIAN POWER ELECTRONICS CONFERENCE COBEP 11 2011 Natal Conference Natal IEEE 2011 p 531 537 146 AP NDICE D PROT TIPO 147 13 GALOTTO JUNIOR L BRITO M A G SAMPAIO L P CANESIN C A Integrated single phase converters with tri state modulation suitable for photovoltaic systems In BRAZILIAN POWER ELECTRONICS CONFERENCE COBEP 11 2011 Natal Conference Natal IEEE 2011 p 436 443 14 GODOY R B BRITO M A G GALOTTO JUNIOR L GARCIA R C KIMPARA M L M CANESIN C A Tri st
30. V cte V cte temp Escalada InC Escalada mod InC mod Beta Oscila o Ripple M todos Fonte Galotto Junior 2011 A Tabela 2 5 mostra uma compara o num rica e qualitativa entre os m todos apresentados Al m do fator de rastreamento tamb m importante saber a quantidade de sensores necess rios a complexidade de implementa o e a depend ncia de par metros do painel Uma tabela semelhante a esta apresentada em 2 O m todo beta foi considerado de complexidade alta devido ao c lculo logar tmico de sua equa o CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT Tabela 2 5 Compara o geral dos m todos de MPPT M todo F R Sensores Complexidade Dependente de de par metros do Implementa o painel D cte 78 4 Nenhum Mais baixa Sim V cte 92 0 Vpy Baixa Sim V cte e 93 8 Vey Tpy M dia Sim temperatura Escalada 86 4 Vpy py Baixa N o InC 86 4 Vey py M dia Nao Escalada 89 7 Vpy py M dia Sim modificada InC modificado 90 2 Vpy py M dia Sim B 96 9 Vpy py Alta Sim Oscila o 93 1 Vpy Baixa Sim Ripple 96 4 Vpy py M dia Nao 2 7 CONCLUSAO Este capitulo apresentou a avalia o dos principais m todos de rastreamento da m xima pot ncia MPPT Muitos outros m todos baseados em intelig ncia artificial e processamento de sinais ou com estimadores de par metros para permitir que os m todos dependentes do painel sejam automaticamente ajustados n o foram avaliados neste trabalho No entant
31. a rede Claramente este n o o caso das c lulas fotovoltaicas que precisam dos conversores est ticos para o processamento da energia enquadrando se desta forma na natureza oscilat ria exigida pela rede el trica em CA Para realizar a conex o entre duas fontes de tens o senoidais imprescind vel que a frequ ncia e a fase destas tens es sejam as mesmas no instante da conex o evitando circula o de corrente entre as fontes Estas normalmente s o identificadas por PLL ou pelo cruzamento por zero da tens o Ap s o alcance do sincronismo e o In cio da conex o rede Inicia se a transfer ncia de pot ncia que pode ser realizada com variados algoritmos de controle A frequ ncia da rede el trica varia levemente ao longo do dia requerendo que esta seja acompanhada constantemente pelo conversor Pequenas diferen as na frequ ncia podem levar a descolamentos de fase variando a pot ncia fornecida para a rede CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE 41 O controle de pot ncia pela fase ou ngulo de pot ncia entre duas fontes de tens o alternada o mais comum entre grandes geradores por m em pequenos conversores a imped ncia de conex o precisa ser muito grande para que ngulos muito pequenos n o transfiram grandes pot ncias Al m deste fato o controle fica mais suscet vel instabilidade amea ando a confiabilidade e a seguran a do conversor A segunda alternativa realizar a conex o por meio
32. carga A corrente demandada pela carga determina o valor m nimo de 7 assim uma nova filosofia de controle poderia ser criada ajustando a corrente do indutor em fun o da carga para aumentar a efici ncia em diferentes carregamentos Realizando a mesma an lise para as correntes eficazes em alta frequ ncia tem se a Ilustra o das correntes da Figura 4 33 Estes valores podem ser obtidos a partir da equa o de valores eficazes na frequ ncia de chaveamento Figura 4 33 Correntes eficazes totais na frequ ncia de chaveamento do buck boost tri state Ip N 1 D Iso Fonte Galotto Junior 2011 De forma semelhante aos valores m dios em baixa frequ ncia os valores eficazes podem ser obtidos resultando nos valores apresentados na Figura 4 34 CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 93 Figura 4 34 Correntes eficazes totais do buck boost tri state NR GS len 2 1 D1 2 les RMS l RMS Vin Ro le 2 1 D1 Fonte Galotto Junior 2011 Assim como nos valores m dios os valores eficazes em baixa frequ ncia das chaves S e S s o os mesmos das chaves S gt e S4 Com os valores m dios e eficazes das correntes calculadas as perdas j podem ser estimadas desconsiderando se as perdas magn ticas e nos elementos capacitivos O gr fico da Figura 4 35 mostra a curva de efici ncia estimada para este conversor com pot ncia m xima especificada em 300 W para 6 combina es diferentes de s
33. corrente modulada possa ser injetada diretamente na rede el trica o que pode n o ser tolerado na maioria das instala es devido a interfer ncias eletromagn ticas e distor es harm nicas Figura 4 5 Caracter sticas do filtro de sa da para opera o somente com conex o rede Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 4 1 4 Lado CC Uma vez selecionado o tipo de inversor a ser utilizado VSI ou CSI podem ser levantadas alternativas de montagem das topologias no lado CC do circuito Para o VSI ha basicamente uma op o com a entrada fotovoltaica que consiste em usar um conversor CC CC para fornecer um n vel de tens o apropriado para a entrada inversora como na Figura 4 6 Figura 4 6 Op o de entrada CC para o VSI Fonte Galotto Junior 2011 Para o inversor CSI s o apresentadas duas op es de entrada 1 est gio simples ou Tri State 50 51 com desacoplamento indutivo conforme Figura 4 7 Na primeira op o a mais comum o indutor tem somente a fun o de boost e o CSI tem o controle sobre a sua carga e descarga de forma complementar como um boost CC CC convencional Por outro lado utilizando uma modula o Tri State e com a topologia apropriada poss vel controlar a carga e a descarga de forma independente gra as ao acr scimo do terceiro estado respons vel por manter a corrente constante chamado estado de roda livre A opera o Tri state ser anal
34. de relev ncia para os objetivos deste trabalho Tabela 4 8 Possibilidade de conversores em fun o da caracter stica de maior interesse Caracter stica de interesse Retorno sobre o investimento Payback Durabilidade Vida til Menor Custo Mais de Energia Menor Peso e Volume Premissa Mais energia Melhor THDi e F R Maior efici ncia Menos custo Menos componentes Melhor fator de utiliza o Indutores e Capacitores Menores Menos componentes Menos capacitores Menos componentes Melhor fator de utiliza o Indutores e Capacitores Menores Melhor THDi e F R Maior efici ncia Menos componentes Indutores e Capacitores Menores Maior efici ncia Op o prov vel Convencional Boost Tri State Buck Boost Tri State Boost Boost Tri State Buck Boost Tri State Boost Convencional Boost Tri State Buck Boost Tri State Boost estrutura convencional com 2 est gios possui o melhor F U e razo vel nas demais medidas Por m a que apresenta a maior quantidade de componentes Os conversores de 3 estados possuem as menores THD os melhores F R fator de rastreamento e os menores capacitores Por m apresentam os maiores indutores Uma observa o importante que os conversores tri state tamb m podem ter os seus indutores reduzidos sob a pena de necessitar de um maior capacitor de desacoplamento na entrada que ainda pode ser vantajoso por s
35. de varia o da corrente Um bloco integrador pode ser colocado em seguida para fazer o papel de incremento ou decremento da corrente do painel em fun o da varia o calculada 2 CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT 28 Figura 2 2 Modelo do m todo de escalada Fonte Galotto Junior 2011 2 2 4 Condut ncia incremental InC Este m todo muda a maneira de detec o do sentido de varia o da corrente para o ponto timo de pot ncia A Tabela 2 2 mostra a l gica deste m todo Tabela 2 2 L gica do algoritmo de escalada dl py A Toy Sentido da corrente dV py Voy Diminui Aumenta A varia o da corrente tamb m feita em passo constante por isso as suas respostas tendem a ser muito parecidas com os m todos de escalada Da mesma forma h diversos aprimoramentos com passo vari vel que melhoram a resposta deste algoritmo O modelo para este m todo est apresentado na Figura 2 3 Figura 2 3 Modelo do m todo de Condut ncia Incremental InC Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT 29 Comparando com o m todo da escalada pode ser verificado que a nica diferen a entre eles est na forma de c lculo do sentido de varia o da corrente para o aumento da pot ncia 2 2 5 M todo beta O m todo beta 18 consiste na aproxima o do ponto de m xima pot ncia por meio do equacionamento de uma vari vel intermedi ria 5 definida em 2 1 P Inl py Voy
36. do conversor com 2 est gios L 2 in py 11 AE 4 19 A varia o da energia pode ser calculada em fun o da pot ncia de sa da durante 4 de ciclo de 60Hz que a mesma apresentada em 4 9 Desta forma a indut ncia pode ser obtida em fun o da pot ncia m xima e da varia o de corrente admitida como em 4 20 PoV2 2 ne tpm 15 7 60 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 83 Portanto a indut ncia aumenta quanto maior a pot ncia de sa da e diminui quanto maior a corrente de opera o e maior a oscila o de corrente admitida Semelhante ao VSI a corrente m nima determinada pelo limite necess rio para a modula o e a corrente m xima determinada pelo limite da capacidade dos componentes O limite m nimo est relacionado corrente de sa da de pico e ao valor m ximo de Dz de modo que obede a restri o em 4 21 la Doi 4 21 Como exemplo para P 300 W Ip 10 Ae Ip 7 A a indut ncia necess ria 44 mH Aumentando a corrente m xima para 16 A e a m nima para 12 A a indut ncia muda para 20 mH Este aumento da corrente tamb m aumentar os esfor os sobre os semicondutores e ter implica o sobre a efici ncia e o valor timo para cada projeto precisa ser estudado Embora o valor da indut ncia necess ria seja muito elevado o uso desta indutancia est eliminando o capacitor do link CC da topologia convencional de dois est gios De modo que a princip
37. em longo prazo para que estes problemas sejam sanados sem que haja a necessidade de elimina o da opera o em ilha Deste modo as redes com GD seriam fortalecidas aumentando a estabilidade e a regula o mesmo em condi es de falhas reduzindo drasticamente a ocorr ncia de blecautes e ou melhorando se os ndices de desligamento Em um prazo n o t o longo a conex o rede pode ser interrompida ao detectar o ilhamento sem desligar o sistema de GD de tal forma a manter o abastecimento de cargas locais Os m todos anti ilhamento existentes se dividem em remotos locais passivos ou locais ativos como em 4 32 e 33 Os passivos consistem em prote es usuais com o uso de rel s de sub e sobre tens es disjuntores e fus veis Os m todos ativos se baseiam na atua o direta do conversor e na compensa o m xima da frequ ncia e tens o Os m todos remotos t m sido cogitados recentemente pelo avan o na tecnologia de comunica es como o PLC Power Line Communication os quais podem ser muito eficazes mas ainda s o mais caros que os m todos locais 34 O seu desempenho e custo tamb m depende da disponibilidade e 42 CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE 43 da lat ncia do link de comunica o Assim ainda n o s o economicamente vi veis em muitas aplica es especialmente em conversores de baixas pot ncias onde m todos locais geralmente s o mais indicados Caso a carga seja superior GD
38. em troca da redu o da energia capacitiva CAPITULO 6 CONCLUS ES 129 6 CONCLUS ES GERAIS Os principais m todos para o rastreamento do ponto timo de extra o de pot ncia MPPT de pain is fotovoltaicos foram apresentados O objetivo extrair energia com a m xima efici ncia e envi la a um barramento comum V rios trabalhos mostram a tend ncia atual de se utilizar o barramento CA a rede el trica de distribui o convencional como barramento comum assim como a utiliza o de conversores de est gios integrados para a redu o de custos Portanto neste trabalho foram avaliadas as metodologias de conex o com a rede el trica e os algoritmos de prote o contra o ilhamento O fen meno do ilhamento foi descrito bem como os seus problemas associados Os principais m todos de detec o de ilhamento foram apresentados e simulados Os m todos de MPPT e de anti ilhamento que t m sido propostos s o os mais diversificados podendo ainda com o uso de t cnicas de processamento de sinais como as ondeletas Wavelets ou com t cnicas de IA como o neuro fuzzy serem aperfei oados Em geral as bases dos algoritmos s o muito semelhantes e estes incrementos de desempenho acrescentam vantagens somente para aplica es espec ficas Portanto n o se buscou o dom nio de todos os m todos e sim dos principais que possam facilitar o estabelecimento de uma estrat gia simples de baixo custo e robusta que atenda aos requisito
39. fotovoltaica devem ser selecionadas as cargas priorit rias se isto for poss vel ou o fornecimento deve ser interrompido 3 3 1 Influ ncia da pot ncia gerada Os efeitos da sa da da rede nos terminais do conversor dependem da rela o entre a carga e a pot ncia gerada Isto ocorre porque o conversor normalmente controlado para injetar pot ncia ativa constante na rede sem observar a carga deixando a rede respons vel para manter o equil brio Em caso de falta de pot ncia em rela o GD fotovoltaica a rede complementa o restante e em caso de excesso ela absorve Portanto em caso de falta na rede se houver mais pot ncia gerada do que demandada a tens o se eleva e vice versa Da mesma forma se houver um perfeito equil brio entre a carga e a pot ncia gerada GD o efeito da perda da rede torna se impercept vel com o algoritmo convencional como mostra a Figura 3 1 A linha tracejada indica o momento em que a rede desconectada do inversor do sistema de GD fotovoltaica Figura 3 1 Efeitos do ilhamento na tens o Carga em equil brio 200 200 1 05 1 1 1 15 Pot gerada em dobro AWWA i 0 9 1 05 1 1 1 15 Pot gerada pela metade Z h u m m 200 2006 200 1 05 1 1 1 15 tempo s Fonte Galotto Junior 2011 m m m CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE 44 Pode ser afirmado que o pior caso para a detec o d
40. funcionamento do controle da inje o de pot ncia na rede O controle realizado de modo a manter a tens o m dia de 250 V no link CC atrav s do aumento ou redu o da pot ncia de sa da enquanto a pot ncia de entrada permanece constante e no ponto maximo com a utiliza o de um algoritmo de MPPT Figura 4 39 Controle de pot ncia em fun o da tens o do link CC para conversor de 2 est gios Tens o da Rede Vo e a Tens o de Sa da Vo NARA G ANA AAW AAA yo HE g anta l E V uuy o po PEDE REAR 0 0 05 0 1 0 15 02 0 25 03 035 04 045 05 Pot ncia Instantanea da entrada Poy e injetada na rede Pq Seu CANO Call ABNDIHADADA P PV ae MAT IN i hk p 9 o nN MOI nont 0 0 05 0 1 0 15 02 0 25 0 3 0 35 0 4 0 45 0 5 Corrente da rede I a lt 0 E g F 1 5 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 03 0 35 04 045 05 Tensao do link CC 300 gt 200 e O Dt rl AR a 100 0 0 05 0 1 0 15 02 0 25 03 0 35 0 4 0 45 0 5 Tempo s Fonte Galotto Junior 2011 CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES O transit rio em baixa frequ ncia observado corresponde resposta do controle enquanto a oscila o em 120 Hz corresponde as diferen as de pot ncia entre a entrada e a sa da O foco deste conversor a opera o em conex o com a red
41. ilhamento foi feita para dar suporte tamb m escolha de uma topologia de conversor Em um conversor de dois est gios os algoritmos podem ser projetados independentemente por m em uma estrutura integrada como em um m dulo CA eles devem atuar em conjunto Exceto para a modula o com 3 estados que permite esta atua o independente na entrada e na sa da com o desacoplamento ativo de pot ncia assim como no conversor de 2 est gios O conversor boost integrado a topologia mais simples apresentada contudo verificou se a dificuldade no controle da qualidade da forma de onda da corrente e da tens o o que deve ser levado em considera o Um prot tipo gen rico foi constru do para testar as principais topologias integradas baseadas em CST Os resultados experimentais foram levantados e os algoritmos de MPPT sincronismo com PLL e anti ilhamento foram testados separadamente e posteriormente em conjunto O melhor resultado de distor o com pouca oscila o na corrente de entrada foi apresentado pelo Buck Boost Tri State A sua efici ncia estimada foi compat vel com o conversor de 2 est gios A efici ncia experimental ficou abaixo da estimada possivelmente pelo excesso de itens no circuito do prot tipo que poderiam ser removidos para um produto final Os resultados em conex o com a rede permitiram a inje o de pot ncia ativa e a desconex o e reconex o autom tica na ocorr ncia de falhas na rede A alimenta
42. indutor do boost e o indutor do filtro Ambas as indut ncias foram projetadas baseadas nas metodologias descritas Com estes par metros com as correntes e frequ ncias poss vel dimensionar o indutor utilizando os mesmos m todos apresentados para o dimensionamento do indutor de conex o com a rede nas se es 3 5 2 no Ap ndice B e tamb m encontrados em 55 e 56 O projeto do indutor de conex o foi feito de modo independente da topologia de inversor utilizada O indutor boost deve ser projetado para alta frequ ncia onde a corrente m dia CC a corrente no MPP do painel A Tabela 4 1 apresenta os resultados de dois exemplos de n cleos projetados que atendem s especifica es sendo o escolhido o da direita Tabela 4 1 Tabela de exemplos de indutores f sicos para o boost no conversor convencional Tipos de N cleos NEE 55 28 25 130 IP12 NEE 42 21 15 4000 IP12 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES I 42 Com Gap de 1 5 mm Peso n cleo 262g 88g Dimens es n cleo 55x56x25mm 42x42x15mm Br 0 4 T 0 4 T Al nHespira 130 w N eq B 1 60 19 Ae 421 mm 240 mm Ae m nimo eq B 3 333 mm ok 2Imm Bitola necess ria 18Awg 0 82 mm 11A 0 021 Q metro 3x rea cobre 149 mm 195 mm rea da Janela 375 mm ok 256 mm ok Imagem em perspectiva dos n cleos EY Com rela o ao indutor do filtro de sa da este apresentou a mesma indut ncia que o indutor de conex o A sua corre
43. ip T a a w Pe es eu 107 NAO a PO e O ke nae Ge a b 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2 o 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2 Tempo s Tempo s a Ipy b Ir Fonte Galotto Junior 2011 As oscila es nos indutores tamb m s o menores o que reduz a pot ncia comutada pelos semicondudores melhorando o Fator de Utiliza o 58 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 104 Nos conversores com 3 estados o indutor desempenha a mesma fun o de armazenador de energia similar ao capacitor do link CC da topologia convencional Este o motivo da redu o das oscila es na corrente de entrada configurando um desacoplamento indutivo A efici ncia dos conversores para a melhor combina o de chaves para as duas principais topologias avaliadas tamb m pode ser visualizada na Figura 4 45 Nesta figura verifica se que o conversor tri state apresentou melhor efici ncia em carga leve desde que a corrente de L seja vari vel em fun o da carga Figura 4 45 Compara o entre a melhor efici ncia estimada para cada conversor 100 98 96 94 Pa s ann ey 92 lt a snan sann mm 90 88 Pr Se q 86 84 82 2 estagios Buck Boost Tri State 80 50 100 150 200 250 300 Po W Fonte Galotto Junior 2011 4 6 2 Compara es num ricas Para facilitar a escolha e a comp
44. is PV s o chaves para a obten o do m ximo aproveitamento fotovoltaico e consequentemente o m ximo retorno de investimento em uma instala o fotovoltaica Este cap tulo apresentar os principais m todos existentes seus princ pios de funcionamento e os resultados esperados Por fim apresenta se uma compara o entre estes m todos a qual facilitar na escolha do mais adequado para a aplica o desejada 2 1 INTRODU O AOS M TODOS DE MPPT Atualmente existe uma grande variedade de algoritmos para o rastreamento do ponto timo de pot ncia absorv vel de pain is PV 2 22 A maioria deles resumida da literatura como P amp O Perturb and Observe Perturbar e Observar 3 por descrever exatamente a base do funcionamento destes algoritmos Entretanto esta nomenclatura muito abrangente e n o define um nico tipo de metodologia Os m todos s o basicamente divididos em off line e on line 2 Os primeiros se baseiam em conhecimentos pr vios das fontes e o ponto timo ajustado ocasionalmente Ao contr rio nos m todos on line o ajuste do ponto timo feito continuamente Entre os m todos off line podem ser citados Raz o c clica fixa 2 e m todos baseados em modelo 7 Tamb m podem considerar as condi es atmosf ricas 8 Apesar de serem m todos muito simples e normalmente n o necessitarem de sensoriamento sendo de baixo custo a baixa precis o de rastreamento levar a uma opera o menos e
45. modificado 250 250 l 200 200 150 _ 150 100 S 100 Cc O 5 50 2 50 0 0 50 50 0 1 2 3 4 5 6 Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT 35 Pot ncia W Pot ncia W 250 Pot ncia W 250 50 100 250 200 150 100 Figura 2 14 M todo f Beta Fonte Galotto Junior 2011 Figura 2 15 M todo da oscila o do sistema Oscila o 0 1 2 3 4 5 6 tempo s Fonte Galotto Junior 2011 Figura 2 16 M todo da correla o do ripple I 1 2 3 4 5 6 tempo s Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT 36 2 6 COMPARA O DOS M TODOS O Fator de Rastreamento FR de cada m todo apresentado na Figura 2 17 mostra a energia aproveitada do painel em rela o dispon vel no per odo da simula o A raz o c clica constante mostra o pior caso onde mais de 20 da energia n o aproveitada O m todo B apresentou o melhor resultado atingindo mais de 95 de aproveitamento para as condi es de simula o Figura 2 17 Fator de rastreamento dos m todos de MPPT Fator de rastreamento 100 D cte
46. no buck boost tri state lo Fonte Galotto Junior 2011 Neste diagrama os blocos da planta e do controle est o diferenciados em tonalidade A constante K deve ser dimensionada para rastrear a tens o em 60 Hz devendo responder acima de 10 vezes desta frequ ncia 4 31 O limite da frequ ncia de Nyquist tamb m deve ser obedecido piada 4 31 ILb Kop Utilizando feedforward da corrente de sa da uma vez que esta esteja sendo sensoriada poss vel melhorar o desempenho da planta para a rejei o de dist rbios especialmente para cargas n o lineares como mostra a Figura 4 27 CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES Figura 4 27 Controle de Vo no buck boost tri state com feedforward Fonte Galotto Junior 2011 A planta equivalente simplificada se torna independente dos dist rbios da corrente de sa da Neste caso o projeto da constante somente desconta o valor de Jz que cancelado antes de enviar a lei de controle planta 4 4 6 Malhas de controle de corrente A tens o de sa da tamb m pode ser considerada um dist rbio para a malha de corrente de modo que a equa o da din mica da corrente do indutor est em 4 32 Eb D Lp S 4 32 Esta corrente poderia ser controlada de modo semelhante tens o no link CC do conversor com 2 est gios Por m para a aplica o com alimenta o a partir de um painel fotovoltaico o controle da corrente de entrada constante priorit rio d
47. o Tri State desenvolvido e na Figura 5 8 est o esquem tico deste circuito A vers o mais antiga foi constru da utilizando CIs de portas l gicas e comparadores A vers o nova utiliza um PLD Programmable Logic Device CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 115 GAL16V8 para a reprodu o das equa es l gicas para cada uma das 5 chaves substituindo 4 circuitos Integrados Foram acrescentados optoacopladores l gicos HCPL 2211 nas tr s sa das de PWM utilizadas para a prote o da placa de controle Figura 5 7 Circuito de modula o primeira vers o esquerda e vers o nova com PLD a direita ue a Fonte Galotto Junior 2011 O circuito de modula o atual mais protegido compacto e flex vel Os jumpers adicionados no circuito anterior permitiam a mudan a da topologia No circuito atual o sinal da topologia enviado por meio de um optoisolador de baixa frequ ncia Este sinal fornecido pela chave no painel frontal que tamb m alimenta o rel que modifica a topologia Figura 5 8 Circuito de modula o primeira vers o esquerda e vers o nova com PLD a direita U18 VCC 4 Circuito de Modula o 4 E C5 c4 100n 9 100nF Said 3 a 2 a UITA 13 4050 Paux 14 co 2 nd 15 16 17 U17B JUMPER 18 19 5 4 4050 e o JUMPER U17C 7 6 HCPL 2211 vec 5 ISO1 4 10k 4550 d Ho ai U17D 77 OPTO ISOLATOR 2 1 9 10 JUMPER R63 4 VF1 voi Tol P3 4050 VF2 voz 3 25 ud U17E VFA ve
48. o inversor tamb m deve possuir caracter stica de elevador integrando se os est gios A redu o para um nico est gio pode reduzir o numero de componentes passivos e ativos reduzindo o custo e a complexidade do conversor e melhorando a efici ncia Estas s o as premissas e motiva es Iniciais para a avalia o das topologias integradas 4 1 3 Lado CA Isolado ou Conectado Rede Para o conversor operar de forma isolada stand alone a sua sa da deve ser fonte de tens o para atender a maioria das cargas que s o concebidas para operar com fontes de tens o regulada Nestes casos a sa da um filtro LC sintonizado para eliminar a frequ ncia de chaveamento proveniente de um inversor fonte de tens o VSI Voltage Source Inverter ou um capacitor para se carregar com a corrente pulsante para uma estrutura inversora fonte de corrente CSI Current Source Inverter como na Figura 4 3 Nesta figura os blocos VSI e CSI correspondem s estruturas inversoras que fornecem tens o chaveada ou corrente chaveada respectivamente como ilustrado Os componentes passivos s o necess rios devido carga considerada que necessita de fonte de tens o regulada com baixa distor o harm nica formato senoidal Por esta raz o estes componentes s o projetados primeiramente como filtros Eles tamb m s o determinantes da din mica do conversor que deve ser considerada durante o projeto para permitir o rastreamento satisfat rio em
49. o neste capacitor funcionando como um desacoplamento ativo de pot ncia A desvantagem do capacitor no link CC com dois est gios est na tens o de opera o que deve ser maior do que o pico da tens o da rede para inversores VSI CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 67 O capacitor em paralelo com a tens o de entrada necessita de maior capacit ncia para atender ao desacoplamento que geralmente em torno de 0 5 mF kW ou pode ser calculado com a equa o 4 1 1 Em compensa o este capacitor n o precisa suportar a mesma tens o que o link CC Para que haja um fator de utiliza o do painel acima de 98 importante que a oscila o de tens o esteja abaixo de 8 5 1 Ep gt A 4 1 2T fg VMpp AVpy Um inversor com a estrat gia de controle apresentada utilizando o grau de liberdade adicional da modula o Tri State elimina por completo a necessidade de um capacitor de desacoplamento de pot ncia pois este desacoplamento pode ser feito utilizando o indutor armazenador de energia como ilustra a Figura 4 10 Figura 4 10 Desacoplamento de pot ncia indutivo Est gio Inversor Fonte Galotto Junior 2011 Esta uma das principais contribui es deste trabalho envolvendo a integra o de est gios com opera o Tri state onde tal solu o para a redu o dr stica de capacitores no circuito conveniente com o maior desafio atual o aumento da vida til dos conversores As modula es
50. poderia ser reduzida a 300 V Tabela 5 1 Especifica es do circuito de pot ncia do prot tipo e condi es de opera o Componentes Valor Capacitor C 8 8 UF Indutor L 20 mH Indutor de conexao L 5 mH Diodos Schottky SiC 12 A 600 V IDH12S60C MOSFETS 47 A 500 V IRFPS43N50K Pain is considerados Sanyo Kyocera Tens o de entrada no MPP 41 33 V 26 3V Corrente de entrada no MPP 51A 7 61 A Pot ncia m xima do painel 210 6 W 200 14 W Tens o de circuito aberto 50 9 V 32 9 V Corrente de curto circuito 5 57 A 8 21 A Condi es de Opera o Valor Tens o de sa da CA RMS 127 V Corrente m xima de entrada 10A CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 111 Para permitir a utiliza o de diferentes topologias o indutor conectado externamente para poder ser facilmente substitu do Uma chave externa no painel frontal tamb m permite a troca interna do conversor de topologia Buck Boost para Boost por meio de rel s A Figura 5 3 mostra a placa do prot tipo desenvolvido para permitir os testes com as topologias avaliadas e a Figura 5 5 mostra o esquem tico do circuito de pot ncia O Ap ndice D mostra maiores detalhes da constru o do prot tipo Figura 5 3 Detalhe da placa do prot tipo za Ea a i cm i Sensores e Mudan a Cofidicionamento gt de Topologia E de Sinais ay Gate Drives ove NE Fonte Galotto Junior 2011 Na Figura 5 3 est o destacados os circuitos de con
51. que utilizam energia solar fotovoltaica PV Photovoltaic t m sido almejadas por muitas d cadas Entretanto at hoje enfrentam resist ncias e dificuldades para a sua expans o H diversas raz es para isto e muitos requisitos que devem ser atendidos para o consumidor para a rede e para o bom funcionamento das c lulas PV 1 Para a rede s o necess rios detectar ilhamento caso de falha da rede de CA e continuidade da conex o do sistema de gera o PV limitar a inje o de corrente cont nua CAPITULO 1 INTRODU O 19 na rede de CA elevados indices de qualidade de energia no ponto de conex o isola o galv nica obrigat rio em alguns pa ses aterramento e seguran a Para as c lulas PV s o importantes extra o da m xima pot ncia operando no Ponto de M xima Pot ncia MPP Maximum Power Point para tanto o ripple ondula o de tens o deve ser usualmente inferior a 8 5 como a pot ncia instant nea injetada na rede pulsante no dobro da sua frequ ncia o est gio inversor precisa de desacoplamento de pot ncia a fim de que a pot ncia instant nea drenada dos pain is PV seja aproximadamente constante Para o usu rio s o convenientes custo acess vel menor tempo para o retorno do Investimento elevada efici ncia do sistema alta confiabilidade do sistema longa vida til e baixo custo de manuten o seguran a operacional aterramento do painel e isola o para elevados n
52. seja este um m todo off line Apesar de ser o m todo mais improv vel para utiliza o ele se torna uma boa refer ncia de pior caso para compara o de desempenho com os demais m todos 2 2 2 Tens o constante Este m todo necessita apenas do sensoriamento da tens o de sa da do painel e o seu funcionamento se baseia apenas no rastreamento da tens o de sa da para uma refer ncia entre 70 at 80 da tens o de circuito aberto Este n vel de tens o aproxima se do ponto m ximo de pot ncia dos pain is sendo que apenas a tens o de circuito aberto precisa ser previamente conhecida geralmente na inicializa o a vazio Apesar de ser muito simples e preciso a aproxima o do ponto maximo de pot ncia gera uma imprecis o que leva perda de efici ncia O modelo para este m todo est representado na Figura 2 1 Figura 2 1 Modelo do m todo de tens o constante Vpy Voc 0 78 Fonte Galotto Junior 2011 Portanto este m todo consiste apenas em uma malha fechada para a regula o da tens o no painel simplesmente invertendo o sinal de realimenta o em virtude de sua resposta inversamente proporcional ao aumento da corrente Para temperatura constante a tens o no ponto m ximo de pot ncia varia muito pouco por m com a varia o da ZM temperatura esta tens o alterada Melhorias neste m todo utilizam um sensor de 26 CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT x as temperatura d
53. 6 impedance monitoring In International Conference on Developments in Power System Protection 6 1997 Nottingham Proceedings Nottingham s n 1997 p 95 98 ISSN 0537 9989 37 INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS IEEE Standard 929 2000 recommended practice for utility interconnected photovoltaic PV New York 2000 38 RASHID M H Power electronics handbook 3 ed Canada ELSEVIER 2010 1389 p 39 WU T F et al Predictive digital controlled three phase bi directional inverter with wide inductance variation In ENERGY CONVERSION CONGRESS AND EXPOSITION ECCE 2 2010 Atlanta Annual Atlanta IEEE 2010 p 37 44 40 WU T F et al Predictive current controlled 5 kW single phase bidirectional inverter with wide inductance variation for DC microgrid applications IEEE Transactions On Power Electronics New York v 25 n 12 p 3076 3084 December 2010 41 KARIMI GHARTEMANI M et al Control of three phase converters for grid connected renewable energy systems using feedback linearization technique In INTERNATIONAL CONFERENCE ON CONTROL AND EMBEDDED SYSTEMS ICPCES 1 2010 Bari Conference Bari IEEE 2010 p 179 183 42 THORTON ELETR NICA N cleos de ferrite S o Paulo Thorton Eletr nica 2011 Disponivel em lt http www thornton com br produtos htm gt Acesso em jul 2011 43 TESSIN IND STRIA E COM RCIO L minas para transformadores S 1 s n 2011 Disponivel em
54. 7 g 3 3 Esta equa o permite determinar o ganho K em fun o da indut ncia mas esta n o pode ser projetada apenas com est equa o desej vel determinar o valor m nimo da indut ncia em fun o do peso tamanho e custo do conversor para que ele possa operar adequadamente Valores pequenos de indut ncia podem levar a varia es bruscas da corrente e o controle precisa ser r pido para limitar corrente inclusive considerando varia es desta indutancia 39 Como o sistema discretizado seja pela amostragem do controle ou pela frequ ncia de chaveamento esta velocidade de resposta estar relacionada a estas frequ ncias 3 5 1 Dimensionando a indut ncia m nima de conex o Para reduzir custo peso e volume sempre desej vel que o indutor seja o menor poss vel Por outro lado o ripple de chaveamento precisa ser atenuado e principalmente a estabilidade da conex o precisa ser garantida 7 O crit rio do ripple normalmente o primeiro a ser utilizado para dimensionar a indut ncia m nima 40 e pode ser determinada a partir de 3 4 com base na frequ ncia de chaveamento f e da atenua o desejada em dB Aap A gts E TA 3 4 O problema associado observando somente este crit rio que muitas vezes o ripple ja atenuado pelo filtro de sa da como o primeiro LC dos filtros LCL utilizados para conectar com a rede Al m disto considerando a fonte de tens o ideal n o h ripple de cha
55. 9 Com esta integra o o controle do inversor e da eleva o de tens o est no mesmo conversor A din mica deste inversor a mesma do conversor boost que lenta e dif cil de controlar em altas frequ ncias devido presen a de um zero no semi plano direito Alguns autores apresentaram propostas de conversores CSI de 3 estados com alguns componentes adicionais para melhorar a din mica como 52 e 53 Outro problema est na impossibilidade de controlar tens es de sa da menores do que a entrada Na topologia convencional com 2 est gios esta caracter stica do boost n o relevante porque o Inversor faz o trabalho de abaixador Exatamente por esta raz o que um conversor buck boost n o utilizado antes do inversor Por m a integra o com um buck boost resolve este problema de controle Para integrar um inversor com um buck boost a Figura 4 12 mostra um procedimento semelhante ao anterior onde o indutor e o capacitor podem ser retirados O diodo pode ser retirado na segunda etapa mas a chave de entrada n o pode ser substitu da pelas chaves do Inversor como no caso anterior Figura 4 12 Etapas para a Integra o dos est gios buck boost e inversor Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 70 Pode ser observado na Figura 4 11 e na Figura 4 12 que a integra o reduz consideravelmente a complexidade do circuito Nestas figuras foram esquematizados os circuitos para opera o isol
56. CV py 2 1 Onde c g 7kTN uma constante como descrita em 2 Conforme as condi es de opera o do painel mudam o valor do 5 no ponto timo de pot ncia permanece quase constante Desta forma o p pode ser continuamente calculado atrav s da tens o e da corrente do painel realimentado uma malha fechada convencional mee com refer ncia 5 constante como mostra a Figura 2 4 Figura 2 4 Modelo do m todo f Fonte Galotto Junior 2011 2 2 6 Oscila o do sistema Este m todo se baseia nos princ pios da m xima transfer ncia de pot ncia e utiliza as oscila es para determinar o ponto timo de opera o 19 No ponto timo a raz o entre a amplitude da oscila o e o valor m dio da tens o constante A sua Implementa o caracterizada basicamente pela utiliza o de filtros como mostra a Figura 2 5 A constante ko apresentada na figura a que relaciona o valor m dio da tens o e a amplitude da oscila o e deve ser ajustada para que atinja o ponto timo Sua vantagem est na necessidade exclusiva CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT 30 da medi o da tens o do painel e a sua Implementa o pode ser feita facilmente com circuitos anal gicos Figura 2 5 Modelo do m todo da oscila o do sistema Vp VpyM dio lp gt Amplitude da oscila o de Vpy Fonte Galotto Junior 2011 2 2 7 Correla o do ripple O m todo da correla o do ripple 22 23
57. D2 Nas equa es m dias a mudan a ocorre invertendo o sinal das parcelas multiplicadas por D2 Portanto pode se manter as mesmas equa es m dias considerando que D varia de 1 a 1 e o seu sinal indica a invers o de polaridade Estas equa es m dias ponderando no tempo para cada estado de opera o est o em 4 16 Lo l Vi D1 Vp Dz 0 4 16 Cabo ed 5 Iip E Io D2 a lo 1 D D2 Reduzindo obt m se as equa es 4 17 e 4 18 na forma matricial o Vi D Vo D2 4 17 Co Vo Io hp D2 _D D 0 i 0 TL ip la b bh y Dz Tel lu o L o c 2 t c 0 O CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 82 Para o Inversor mant m se as mesmas equa es apenas invertendo a polaridade que pode ser representada por D2 lt O Para Dz 1 D o modelo se torna igual ao buck boost convencional A Figura 4 23 mostra este modelo m dio em diagrama de blocos Figura 4 23 Diagrama de blocos do modelo m dio do buck boost tri state Fonte Galotto Junior 2011 Observa se que D influencia diretamente somente na corrente do indutor Enquanto D gt influencia na tens o de sa da com alguma interfer ncia na corrente do indutor 4 4 1 Dimensionamento da indut ncia O dimensionamento da indut ncia L pode ser realizado com base na energia armazenada necess ria para que haja m nima oscila o na corrente atrav s deste indutor conforme 4 19 semelhante ao capacitor do link CC
58. EDA taa eai 28 Mendo I entire aE EEEE IETEN SE EA ONEA EAREN 29 Oscila d do SUS DE re pr a a ii 29 Coreia ao do IC ie a trer er trer a teter EA 30 MEDI ES DE DESEMPENHO srs atest csc atone oll bain allantoid erases aC tdisdaa aa Tat eincsiSecenesane 31 MODELO DE C LULAS FOTOVOLTAICAS crccioesnictcesccesunnsdenaysananasenctianobanteatiaiaepaanuabandedanediareansieaacacdenosenbarecs 31 Model CN O roca esa a SL nee adandade ees ioe aaa Gots eee sea as ae J1 RESULTADOS DE SIMULA O DOS M TODOS cccssccsccccessssssscsececssssssssssesscsssssssseceessssssssecesessssseseseseeens 32 COMPARA O DOS METODOS si ci sicec veaueasestnstousasisulwaceosussdinanbstesessietsasusesscscaviuyase exces GenrsotouseectiuewacenatensavPes 36 IN te cea cc bip sunsets ante ad O A RE Sad no ii 37 OPERA O COM CONEX O REDE DE CA cissssssssssscsssssssscsssssssscsssssssssssssssscsssssssscssssssssssssssene 39 PERSPECTIVAS DAS GERA ES FOTOVOLTAICAS cccccssssssssssssssssssssssssssessseseseeseseseeeseseseeeeeeeeeeseseeeeeeeeees 39 INC RIN resect era coal E CS 40 ANTI ILHAMENTO cisco wereneduutavievedcadulseussinsiosd endiinsivve dani eesemspsied dotrwsteovasdiee es esaadidovemavwntoienunensienpnbedeewasauineniavivessavintes 41 IAPIMENCIA da potencid per said a sukisibadiandubicai bihewbisedewnssdiaementdeaniasaesatoaaivns 43 Mevdos OSSIAN OS TOCO N ieee seer an CE E E dt M todos VA AD RN NS DR E RR te reeeeeessseseeene 44 IVA CLOT sss teeters cs O
59. L A E eres asad 46 Medidas de desempenho da detec o de IhAMEN1O ccccccccsseccccsvecceceeesseeeeesussaeesessseeesssseeeesensssaeseeneaees 47 3 4 3 4 1 3 4 2 3 4 3 3 5 Dd IDA 3 6 4 1 4 1 1 4 1 2 4 1 3 4 1 4 4 1 5 4 2 4 2 1 4 2 2 4 3 4 3 1 4 3 2 4 3 3 4 3 4 4 3 5 4 4 4 4 1 4 4 2 4 4 3 4 4 4 4 4 5 4 4 6 4 4 7 4 5 4 5 1 4 5 2 4 6 4 6 1 4 6 2 RESULTADOS DE SIMULA O as adia RENN ENTENEN EDE EENES EEE e 47 SOC OES POVEO SMCTONISINO a ari EE AE EEEE EEE EE S 48 Simula es para o Anti Ilhamento iiieererreeeerrreeeenerrereaaenereeeanere eee aneaereeaneae enc naaearene nara renenanearos 49 Compara o dos Metodos de Anti lhamento pecus in inesauiizantiinecadas devanvennurdoonsadedansevraaiereeecandnandanctiessnaeies 52 MODELO DIN MICO DA CONEX O COM A REDE saci acesseuvessusecaviveonnestenatahiandiisedanuacsascacusesarssbusoesnsassbecnesdecnnes 53 Dimensionando a indut ncia m nima de conex o eeescsssseeeeeeseeeererrrresrsessesssesrererersesessessresereeeeeeesessssss JJ Dimensionamento do indutor de conex o senseincsnsisvsnintinsudeinmdenesiveddniavsrinianddontaedebensed levindenteinvdvereretatbentwess 37 CONC ee E a E E E E E E ano antesacececannessoes 59 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES wissssistosscesonsostsensvsosseasesesesnosndssnsesonsenssensnsossvedesesvonsenissncnsenseeaes OU AVALIA O E VARI VEIS CONSIDERADAS sevsssccviessoxsetesesecsvesasusivnese
60. La 0 0 05 0 1 0 15 0 2 025 03 0 35 04 0 45 0 5 Pot ncia Instant nea da entrada P py e injetada na rede Pq oe ALLA A P PV z MAMA AAA DOADA 5 a o A rl Wi g o Es nee CUT TUVT Te 0 0 05 0 1 0 15 0 2 025 03 0 35 04 0 45 40 5 Corrente da rede I 5 lt a J f V 5 0 0 05 0 1 0 15 0 2 025 03 0 35 04 0 45 40 5 Corrente do indutor Ip 40 E tee nies na Td 0 0 0 05 0 1 0 15 0 2 025 03 035 04 0 45 0 5 Tempo s Fonte Galotto Junior 2011 A Figura 4 42 mostra o detalhe do desacoplamento entre a pot ncia de entrada e de sa da de modo que a corrente aumenta quando a pot ncia de sa da menor e diminui quando a pot ncia de sa da elevada CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 101 Figura 4 42 Detalhe do desacoplamento de pot ncias atrav s do indutor para o inversor Integrado Buck boost tri state Pot ncia Instantanea da entrada P py e injetada na rede Po 400 200 0 0 48 0 482 0 484 0 486 0 488 0 49 0 492 0 494 0 496 0 498 0 5 Corrente da rede 19 A oan a a ee EN E 5 0 48 0 482 0 484 0 486 0 488 0 49 0 492 0 494 0 496 0 498 0 5 Corrente do indutor Ip 20 lt 1 ange a CR dia a CR 10 0 48 0 482 0 484 0 486 0 488 0 49 0 492 0 494 0 496 0 498 0 5 Tempo s Fonte Galotto Junior
61. MELLO L F P D An lise e projeto de fontes chaveadas S 1 rica 1996 488 p MAGMATTEC Indutores e transformadores Cachoeirinha s n 2009 Disponivel em lt http www magmattec com br magmattec content index php gt Acesso em 10 jul 2011 ERICKSON R W MAKSIMOVIC D Fundamentals of power electronics 2 ed S 1 Kluwer Academic Publisher 2004 883 p WIKIPEDIA Saturacao magnetismo S l s n J 2011 Disponivel em lt http pt wikipedia org wiki Satura C3 A7 C3 A30_ magnetismo gt Acesso em 10 jul 2011 MARTIGNONTI A Transformadores 8 ed Porto Alegre Globo 1991 308 p BARBI I Projetos de fontes chaveadas Florian polis Edi o do Autor 2001 332 p 138 AP NDICE A MODELOS DE SIMULA O 139 S AP NDICE A MODELOS DE SIMULA O Figura A 1 Modelo em Simulink do inversor convencional de 2 est gios Fonte Galotto Junior 2011 Figura A 2 Modelo em Simulink do inversor boost emi ma e re Ei ae E E Fonte Galotto Junior 2011 AP NDICE A MODELOS DE SIMULA O 140 Figura A 3 Modelo em Simulink do inversor boost tri state Es a te O E e mga Figura A 4 Modelo em Simulink do inversor buck boost A E eS ye i Fl mm rE ach Fonte Galotto Junior 2011 AP NDICE A MODELOS DE SIMULA O 141 Figura A 5 Modelo em Simulink do inversor buck boost tri state 6 ma A ia Peg em
62. NVERSORES 73 4 3 2 Segundo est gio Inversor O projeto do inversor consiste principalmente no dimensionamento do filtro de sa da Existem diversas metodologias para projetos destes filtros 54 Provavelmente a mais simples consiste no ajuste da indut ncia em fun o da ondula o de corrente permitida e no ajuste da capacit ncia para eliminar o ripple de tens o na frequ ncia de chaveamento A Figura 4 15 mostra o modelo m dio do inversor utilizado para levantar o seu equacionamento A partir deste circuito poss vel levantar as fun es de transfer ncia da tens o de sa da 4 3 e da corrente no indutor 4 4 Figura 4 15 Modelo m dio do inversor de sa da com filtro LC Lo lio lo Co m Vcc T Fonte Galotto Junior 2011 Vo LoCos2 1 Vo 4 3 Lo 2 LoCos 1 4 4 A Figura 4 16 mostra a representa o em diagrama de blocos destas equa es Figura 4 16 Diagrama de blocos do VSI com filtro LC Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 74 Projetando a frequ ncia natural do filtro para que seja 10 vezes menor do que a frequ ncia de chaveamento conforme 4 5 poss vel garantir grande atenua o no ripple de chaveamento da tens o 1 fs 4 5 21 LolCo 10 Independente da combina o de L e C escolhida a frequ ncia de corte para a reposta da tens o n o muda A rela o entre a indut ncia e a capacit ncia pode ser encontrada a partir d
63. ODELOS DE SIMULA O nsnesssesesssssscosossssccoosssscccoosssssccooossssscorsssssscossssesscesssss 139 AP NDICE B C LCULO DOS ELEMENTOS MAGN TICOS sssssssssossssssssssssecsseceseesseeess 142 APENDICE Ca AR ING OS cicsscctessecssvsstecssccsertacss nha 145 AP NDICE D PROT TIPO ccccccccsccoscsescceccecssccscesesscesssscesscssesesecececececececececececececacacececceccasceceees 148 CAPITULO 1 INTRODU O 1I INTRODU O GERAL E OBJETIVOS DA TESE Este cap tulo apresenta os objetivos gerais desta Tese considerando se o desenvolvimento de sistemas de gera o fotovoltaicos conectados rede de distribui o em corrente alternada em baixa tens o bem como os principais desafios requisitos t cnicos e operacionais para estes sistemas Neste contexto apresenta se a estrutura o para o trabalho e a metodologia para seu desenvolvimento 1 1 OBJETIVOS GERAIS Esta Tese visa o desenvolvimento de equipamentos inversores monof sicos para permitir a conex o de m dulos fotovoltaicos com a rede el trica em corrente alternada CA de baixa tens o comercial ou residencial em 127 V ou 220 V considerando se a possibilidade de integra o de est gios com os prop sitos iniciais principais de redu o de custos eleva o de rendimento e aumento da vida til considerando se as aplica es monof sicas de baixa pot ncia inferiores a 300 W 1 2 EXIG NCIAS DO SISTEMA COM INSTALA O PV As instala es
64. OS DE MPPT 32 Figura 2 7 Modelo avaliado em simulink Vpv Sun PV ARRAY Temp Fonte 28 Tabela 2 3 Especifica es do painel escolhido para as simula es Item Valor Pot ncia m xima Pinax 200 Wp Tens o no MPP Vmpp 26 3 V Corrente no MPP Impp 7 61 A Tens o de circuito aberto Voc 32 9V Corrente de curto circuito Ie 8 21 A Coeficiente de temperatura de Lc a 3 18x10 A C Figura 2 8 Curvas de Pot ncia x Tens o para varia es de irradia o e temperatura 180 1000 W m 1507 120 Liss Em 500 W m 2 oo z 90 J A a AL 60 60L HH 30 i i l i i i i j io 5 10 15 20 25 30 35 Vo 5 10 15 20 5 35 Vpy V Vpv V Fonte 28 2 5 RESULTADOS DE SIMULA O DOS M TODOS O modelo por valores m dios do conversor CC CC Boost foi utilizado para simular a varia o de carga controlada em Simulink Foi adicionada uma oscila o no modelo m dio atrav s da multiplica o da entrada com um sinal triangular em alta frequ ncia para representar o efeito do ripple como um ru do Os par metros do conversor utilizado est o detalhados na Tabela 2 4 CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT 33 Tabela 2 4 Par metros do conversor boost utilizado para simula o Par metros Valor Indut ncia 100 mH Capacit ncia 10 mF Resist ncia de carga 10 Q Frequ ncia 1 kHz Todas as simula es foram realizadas considerando as mesmas varia es de
65. PIE 6 2008 Espoo Conference Espoo Helsinki University of Technology 2008 LOH P C et al Tri state current source inverter with improved dynamic performance In POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE PESC 37 2006 Jeju Conference Jeju IEEE 2006 p 1 7 ISSN 0275 9306 GALOTTO L et al Integrated inverter topologies for low power photovoltaic systems In CONFER NCIA INTERNACIONAL EM APLICA ES INDUSTRIAIS INDUSCON 9 2010 S o Paulo Conference S o Paulo IEEE 2010 p 1 5 VISWANATHAN K ORUGANTI R SRINIVASAN D A novel tri state boost converter with fast dynamics IEEE Transactions on Power Electronics New York v 17 n 5 p 677 683 sep 2002 ISSN 0885 8993 WU W C BASS R M YEARGAN J R Eliminating the effects of the nght half plane zero in fixed frequency boost converters In POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE PESC 29 1998 Fukuoka Annual Fukuoka IEEE 1998 v 1 p 362 366 ISSN 0275 9306 MICHELS L et al Metodologia de projeto de filtros de segunda ordem para inversores de tens o com modula o PWM digital SBA Controle amp Automa o Sociedade Brasileira de Automatica Campinas v 16 n 2 p 221 242 Apr June 2005 ISSN 0103 1759 137 CONVERSION ENGINEERING CONFERENCE IECEC 37 2002 Washington REFER NCIAS 55 56 57 58 59 60 61 BROWN M Power supply cookbook 2 ed S 1 Newnes Elsevier 2001 280 p
66. Resist ncia da carga Para teste em stand alone quando est sem a rede Tens o de sa da do conversor Indut ncia de conex o com a rede Capacitor de desacoplamento de pot ncia Tens o do ponto de m xima pot ncia Corrente do ponto de m xima pot ncia Frequ ncia de chaveamento rea da janela do n cleo onde s o alocadas as bobinas de cobre Inverso da relut ncia magn tica dependente do n cleo e da geom trica Indu o magn tica m xima que o n cleo permite sem satura o Campo magn tico Indut ncia do filtro de sa da do inversor VSI Corrente da indutancia do filtro de sa da do inversor VSI Capacitor CA do filtro de sa da do inversor D gt Rib Tro Isp Corrente de sa da do conversor Quando em conex o com a rede L ndice de modula o do inversor VSI Indutor de boost Corrente do indutor de boost Razao ciclica Corrente do diodo do Boost CC CC Capacitor do link CC Tensao do link CC Corrente de sa da do inversor CSI antes do capacitor Co Varia o de energia na pot ncia instant nea CA monofasica Pot ncia de sa da Tens o de entrada Quando a entrada um painel fotovoltaico V Vpy Raz o c clica que determina o estado de curto circuito nos conversores Tri State Raz o c clica que determina o estado de ativo de transfer ncia de energia nos conversores Tri State Resist ncia interna do indutor Lp Corrente da carga Ro Corrente da chave auxiliar
67. SIN C A Single stage converters for low power stand alone and grid connected PV systems In INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INDUSTRIAL ELECTRONICS ISIE 20 2011 Berkeley Symposium Berkeley IEEE 2011 p 1112 1117 5 SAMPAIO L P BRITO M A G GALOTTO JUNIOR L MELO G A CANESIN C A Single phase current source boost inverter for renewable energy sources In INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INDUSTRIAL ELECTRONICS ISIE 20 2011 Berkeley Symposium Berkeley IEEE 2011 p 1118 1123 6 GALOTTO JUNIOR L BRITO M A G SAMPAIO L P CANESIN C A Inversor boost monofasico como alternativa de baixo custo e alta densidade de AP NDICE D PROT TIPO 10 11 12 pot ncia para fontes alternativas de energia In CONGRESSO BRASILEIRO DE AUTOM TICA CBA 18 2010 Bonito Congresso Bonito SBA 2010 p 3686 3693 GALOTTO JUNIOR L BRITO M A G SAMPAIO L P CANESIN C A Integrated inverter topologies for low power photovoltaic systems In INTERNATIONAL CONFERENCE ON INDUSTRY APPLICATIONS INDUSCON 9 2010 S o Paulo Conference S o Paulo IEEE 2010 p 1 5 BRITO M A G GALOTTO JUNIOR L SAMPAIO L P CANESIN C A Avalia o das principais t cnicas para obten o de MPPT de pain is fotovoltaicos In INTERNATIONAL CONFERENCE ON INDUSTRY APPLICATIONS INDUSCON 9 2010 S o Paulo Conference S o Paulo IEEE 2010 p 1 6 SAMPAIO L P BRITO M A G de
68. Sp Li 1 2 IA A 1 2 2 Ledi Lo 1 4 AAD ZZ 2 2 1 aoe Ze 2 2 4 2 2 5 2 20 2 2 7 2d 2 4 2 4 1 Ds 2 6 LAS IA 3 2 J3 JL 33 2 Sds 3 3 4 RR SUM RIO INTRODU O GERAL E OBJETIVOS DA TESE ceeeeeemeneeneeneeneeneeneenseneeneensensensersenses 18 OBI TIVOS GERAIS touisioiea iene isa asa aire pio dA is eiaa 18 EXIG NCIAS DO SISTEMA COM INSTALA O DN uol iai oia q Poa na es id 18 Extra o da Mama Potenci dos Paineis PV sso ssssaccrccecssevassapatasesetesiniededgelereediaritisn eies Haga 19 Conex o com a rede e ANA UNGINCIIO sivsiscoussssesesarsannniasssdsreaedenedtesaurdaauatontavinusenstacreeniadasiusisnssetddpeapnianseeess 20 OO eT Toe OOS bo rare bird ERORE EE E TRE EEEE EE TEE T E 21 TOPOLOGIAS DE CONVERSORES PARA SISTEMAS PV uniansariso diana OS Er Sr 21 METODOLOGIA E ORGANIZA O DO TRABALHO c csssssesssessssssssssssssssesesesesesssseseseseseseseeseeeceseeeeeseeeeens 22 ALGORITMOS DE RASTREAMENTO DE M XIMA POT NCIA MPPT csssssssssssssessseee 24 INTRODU O AOS M TODOS DE MPPT rear rear narra aerea rata aereas 24 DETALHAMENTO DOS M TODOS DE MPPT 0 cssssssssssssscccccccsccecssscsssssssssssececscscsesseceescsssssssseceeeees 26 PMO Ge GO aorta piada A ld EE 26 TTS LOCOS A CADA RR RR RR DR RR DNS IRS NPR ND RR RR eee eens 26 Escalada Aill Cn Die OO resortes T eia Ceia ana nd sad Co cui 27 Condut ncia incremental ING east anrai S
69. T permitindo uma CAP TULO 1 INTRODU O 20 resposta din mica r pida e armazenagem de energia interna quando necess rio Estes algoritmos ser o descritos mais detalhadamente no cap tulo 2 deste trabalho 1 2 2 Conex o com a rede e Anti ilhamento A opera o do conversor conectado rede 1 necessita de controle preciso da pot ncia injetada e tamb m da frequ ncia para permitir o sincronismo e conex o ap s o funcionamento do conversor O controle da pot ncia feito pelo controle do ngulo de pot ncia em grandes geradores no entanto para pequenas pot ncias o controle pelo ngulo necessitaria de uma indutancia de conex o muito elevada para que varia es muito pequenas de ngulo nao resultassem em grandes varia es de pot ncia Assim torna se mais conveniente e confi vel o controle da pot ncia pela corrente injetada na rede O sincronismo com a frequ ncia da rede um procedimento ainda mais comum para o qual normalmente se utiliza um circuito para travamento de fase das tens es rede e conversor denominado PLL Phase Locked Loop Outro algoritmo importante para sistemas com conex o rede o de anti ilhamento 4 que possibilita ao conversor detectar uma situa o de falha no fornecimento de energia el trica falha da rede de CA desconectando o da rede para que por seguran a parte da mesma n o seja mantida energizada Existem no entanto diversos m todos para tentar detectar o ilhament
70. Tri State possuem dois sinais de compara o D e D2 por m normalmente D mantido fixo apenas para melhorar a resposta din mica do controlador Neste trabalho ao contr rio os dois sinais s o utilizados como lei de controle permitindo a realiza o do desacoplamento Os detalhes desta aplica o ser o mais profundamente explorados no decorrer dos pr ximos cap tulos 4 2 INTEGRA O DE EST GIOS Esta integra o consiste na uni o dos est gios inversor e elevador nas topologias sem isola o galv nica A principal vantagem est na redu o do n mero de componentes e na CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 68 simplifica o do circuito O conversor boost CC CC pode ser integrado ao inversor convencional VSI eliminando o diodo o capacitor e por consequ ncia a chave do est gio boost que pode ser substitu da pelas chaves do inversor O resultado desta integra o leva ao inversor CSI Os passos para esta integra o est o apresentados na Figura 4 11 onde os componentes que podem ser retirados em cada etapa est o destacados importante observar tamb m que os diodos em anti paralelo com as chaves do inversor VSI devem ser retirados para que ele possa operar como CSI Estes diodos causariam curto circuitos com o capacitor de sa da durante a opera o Figura 4 11 Etapas para a integra o dos est gios boost e Inversor Fonte Galotto Junior 2011 CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 6
71. a o tri state o ganho depende da raz o entre D e D2 e pode alcan ar grandes ganhos mesmo com pequeno tempo de curto circuito Assim como no boost ou no buck boost te rico o ganho m ximo infinito No entanto na pr tica este ganho est limitado devido as perdas do conversor No tri state o ganho infinito quando D gt igual a zero Por m a corrente do indutor tamb m vai para o infinito 4 24 lo lp E 4 24 2 No entanto na pr tica h uma limita o para esta corrente que est relacionada resist ncia do indutor Assim o ganho m ximo de tens o do conversor est relacionado m xima corrente Izp e um modelo mais detalhado necess rio As novas equa es de estado considerando a resist ncia do indutor est o em 4 25 em 4 26 na forma matricial CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 86 pm V Dy Vo Dz Rip lip 4 25 Co V lo Izp D2 D R ane D i E Lb Lp a 0 TL A 4 26 Vo fe 0 Yo _1 f 0 Vi c Com estas equa es a corrente m xima ser atingida no valor indicado em 4 27 ViDy Vo D gt 4 27 I Lb sa E a tens o maxima para uma carga resistiva R de acordo com 4 28 O lp D od D 4 28 Ro Rib Simplificando 4 28 chega se nova express o do ganho est tico em 4 29 Vo D ESTE T a 4 29 2 Ro D22 Deste modo verifica se que h uma redu o do ganho est tico pr tico como esperado Por outro lado
72. a e sa da e alimenta o de fontes auxiliares isoladas Figura 5 1 Bancada de ensaios Oscilosc pio e Simulador de array solar esquerda o prot tipo ao centro e computador com a placa de controle direita a ki assi j va 1 Fonte Galotto Junior 2011 O controle do prot tipo feito utilizando a placa controladora dSpace modelo 1104 com conector fixado na caixa met lica A Figura 5 2 mostra o diagrama da instala o el trica da bancada junto com as principais prote es e transformadores isoladores CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 110 Figura 5 2 Diagrama el trico da bancada de ensaios Fontes auxiliares Prot tipo Transformador 1 1 ie T E 2 Ro Disjuntor para Alimenta o geral com a conex o contatora e botoeira de Medi es emerg ncia o SAS fa Tens o de entrada Transformador 1 1 Y 7 Oscilosc pio Fonte Galotto Junior 2011 A Tabela 5 1 mostra os componentes utilizados na confec o do prot tipo Alguns deles diferenciam aos componentes projetados em fun o da disponibilidade O Mosfet de 47 A foi escolhido por apresentar baixo valor de resist ncia em condu o Apesar de estar sobredimensionado pela sua capacidade este o componente mais indicado em fun o da resist ncia que um par metro cr tico para efici ncia A tens o como elemento mais determinante no custo destes componentes
73. a se necess rio adotar medidas de desempenho que possam ser utilizadas como crit rios de compara o Al m das medidas t picas de respostas din micas como erro em regime permanente overshoot e tempo de assentamento tamb m h m tricas adicionais que s o utilizadas nestes casos Como a energia transmitida essencial neste trabalho uma medida muito importante o fator de rastreamento 2 que trata do percentual de energia dispon vel que foi convertida O ripple de tens o em regime permanente tamb m de vital import ncia pois h um limite de ripple para que o painel permane a efetivamente no ponto de m xima pot ncia Outros fatores como a facilidade de implementa o n mero de sensores e custo tamb m s o desej veis 2 4 MODELO DE C LULAS FOTOVOLTAICAS 2 4 1 Modelo Alg brico O modelo utilizado neste trabalho baseia se no apresentado em 27 para Simulink MatLab Este originalmente uma fonte de corrente vari vel em fun o da tens o de sa da irradia o e da temperatura A Figura 2 7 mostra como foi utilizado o bloco de fun o do Matlab no Simulink para a aplica o do pamel como fonte A capacit ncia utilizada a capacit ncia intr nseca do painel ou a capacit ncia de desacoplamento A Tabela 2 3 apresenta as especifica es do painel escolhido para levantar os resultados de simula o O painel com estas especifica es possui as curvas apresentadas na Figura 2 8 CAP TULO 2 ALGORITM
74. ada Quando for necess ria a opera o com conex o rede ent o um indutor precisa ser adicionado ao circuito como apresentado anteriormente O capacitor de desacoplamento de pot ncia para a opera o tima do m dulo fotovoltaico que ficar em paralelo com o painel tamb m precisa ser adicionado 4 2 1 Integra o com outros conversores CC CC O m todo de integra o apresentado pode ser facilmente aplicado a outros conversores desde que possuam caracter sticas elevadoras O conversor CC CC Cuk tamb m foi integrado a um inversor VSI como mostra a Figura 4 13 Neste caso a estrutura integrada final ainda permanece como um inversor VSI Figura 4 13 Etapas para a integra o dos est gios Cuk e inversor Vi n Fonte Galotto Junior 2011 CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES O conversor resultante possui uma caracter stica interessante para sistemas fotovoltaicos conectados rede considerando se que tanto a entrada quanto a sa da s o em corrente caracter stica estrutural do conversor Cuk CC CC 4 2 2 Resposta din mica dos conversores integrados Ao fazer a integra o os conversores ficam sujeitos ao mesmo comportamento din mico dos conversores CC CC e como o controle da sa da requer alta frequ ncia de largura de banda gt 1 kHz para alcan ar um n vel de distor o harm nica aceit vel em 60 Hz o controle da sa da torna se dificultoso em modo tens o Por outro lado ao realizar o c
75. adsiadaidosteskrnrasasieuidefiaresliiddisign dass 111 Figura 5 5 Esquem tico do circuito de pot ncia do prot tipo ssesessseseeossseesssseressssersssssres 112 Figura 5 6 Gera o de pulsos da modula o de tr s estados com banda de sobreposi o 113 Figura 5 7 Circuito de modula o primeira vers o esquerda e vers o nova com PLD OL APREENDER EOE SNS RD AROS On 115 Figura 5 8 Circuito de modula o primeira vers o esquerda e vers o nova com PLD GUTERRES RR DO ERR RR PR RR 115 Figura 5 9 Modelo de controle com o dSpace sesseeseseeeessesesssseessseesseesssseressseesssreeseeressseresssees 116 Figura 5 10 Resposta Din mica do M todo Beta Escala de Tempo 200 ms div 117 Figura 5 11 Resposta do M todo B para um perfil de irradia o di rio t pico Pp W x MATOS numas nscceansaecaneopsums E E A bos saanesoustsaanscateantioutiaras 118 Figura 5 12 Sincronismo entre a tens o de sa da e a tens o da rede antes da conex o 118 Figura 5 13 Opera o com conex o rede do inversor Buck Boost Tri State 119 Figura 5 14 Atua o do m todo de identifica o de ilhamento SMS eeeeccceeesseeeeeeees 120 Figura 5 15 Reconexao com a rede el trica ap s a sua FeStAUTACAO cccccceeesetteeeeeeseesteeeees 120 Figura 5 16 Resultados experimentais em stand alone com inversor boost 121 Figura 5 17
76. al vantagem imediata o aumento da vida til que a principal meta dos conversores aplicados em gera o fotovoltaica atualmente 4 4 2 Constru o do indutor Determinada a indut ncia o indutor deve ser dimensionado considerando primeiramente que o seu fluxo predominantemente cont nuo A Tabela 4 3 apresenta algumas alternativas de indutores L para o inversor Buck Boost Tri State S o apresentadas duas alternativas com n cleo de ferro sil cio e outra com n cleo de p de ferro O n cleo de p de ferro mais pesado mas por seu formato toroidal pode facilitar a sua aloca o f sica no circuito Um segundo projeto com n cleo de ferro apresentado um pouco mais al m do usual seria utilizar pequenos m s permanentes para gerar um fluxo oposto ao fluxo CC aumentando a corrente admiss vel antes de atingir a satura o do n cleo No exemplo apresentado na tabela o mesmo n cleo de ferro utilizado por m com menor espessura e peso CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 84 Tabela 4 3 Tabela de exemplos de indutores f sicos para indutor L do buck boost tri state Tipos de N cleos 4HS500 43 18mm de espessura Toroidal 2 5mm de air gap P de Ferro 026 57 Peso n cleo 2 1 kg 2 4 kg Dimens es n cleo 125x150xi8mm 132x132x40mm Al nHespira eq BA 226298 N eq B 1 297 259 Ae 900 mm 1050 mm A minimo eq B 3 841 mm ok 839 mm ok Bitola necess ria 2 1 mm 3x rea c
77. also performed The simulated results show the waveforms of integrated Boost Buck Boost Two and Three States and the conventional two stage converter for comparison These results are briefed in two tables with quantitative and qualitative comparison allowing the selection of the best converter for each application The main feature of the integrated converters for grid connection is the reduction of one filter inductor and one series diode when compared with the conventional converter During operation the control dynamics is more complex to Boost or Buck Boost inverters with two state switching and the power decoupling only is possible using parallel capacitors with the solar panel The inductive power decoupling expected with the proposed control strategy was demonstrated with tri state switching boost and buck boost inverters Experimentally it has also been verified that the presented control allowed power decoupling in trade of increasing the boost inductor needed The experimental efficiency obtained with appropriate semiconductors is about 85 in the developed prototype Extra circuits in the prototype which would not existed in a final product could increase the efficiency close to the theoretically estimated Concluding the presented converter proposed to reach the expectations of improved lifetime through the substitution of capacitive energy storage by inductive Nevertheless it has the drawback of the increased inductor siz
78. ara o das topologias foram utilizadas algumas medidas cl ssicas propostas na literatura 38 58 como a Pot ncia Comutada Pc o Fator de Utiliza o F U as energias magn tica E L e capacitiva E C armazenadas a distor o harm nica total de corrente THD1 o Fator de Rastreamento F R a efici ncia na pot ncia m xima e a quantidade de componentes Chaves diodos indutores e capacitores Os resultados levantados por meio de simula o est o apresentados na Tabela 4 5 A Tabela 4 6 mostra uma compara o quantitativa entre os componentes passivos e ativos utilizados CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES Tabela 4 5 Compara o entre as topologias avaliadas em 300 W Topologia inversores Convencional Boost Boost Tri State Buck Boost Buck Boost Tri State PC W 2096 2395 3250 1675 2447 F U Po Pc 0 14 0 13 0 09 0 18 0 12 EL J 0552 0 067 2 630 0 040 2 639 EC J 20 25 0 675 0 005 0 675 0 005 THDi 5 6 123 6 3 1 12 8 6 2 F R 95 89 90 82 89 105 n 86 83 A varia o do fator de rastreamento em fun o da topologia para o mesmo MPPT uma caracter stica importante que reflete a capacidade de armazenamento de energia solar durante transit rios da inje o de pot ncia na rede Desta forma mesmo que toda a energia n o seja enviada para a rede ela drenada do painel e armazenada internamente Tabela 4 6 Co
79. as magn ticas e nos elementos capacitivos CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 80 Figura 4 20 Efici ncia aproximada do inversor para diferentes tipos de componentes 95 ion e IGBT IRG4PC30UD 70 MOSFET IRF740 Rds on 0 5 e MOSFET SiHP22N60S Rds on 0 16 MOSFET STW34NB20 Rds on 0 075 65 50 100 150 200 250 300 Po W Fonte Galotto Junior 2011 4 4 PROJETO DO CONVERSOR BUCK BOOST TRI STATE O circuito completo do conversor Buck Boost Tri state considerado para a realiza o do projeto e equacionamentos est apresentado na Figura 4 21 Figura 4 21 Circuito completo do conversor Buck Boost Tri state Fonte Galotto Junior 2011 O modelo m dio em espa o de estados deste conversor pode ser levantado a partir de 4 16 considerando as tr s etapas de funcionamento ilustradas na Figura 4 22 onde D T o estado de curto circuito D2 T o estado ativo ou de transfer ncia de energia e o 1 D D2 T o estado de roda livre ou de manter a energia no indutor CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 81 Figura 4 22 Etapas de chaveamento do inversor buck boost tri state S4 S3 D T D gt T Vin Lp Co Vino amp S S2 S4 ODD T Dat S3 Vin Co Vim iS Sb S4 Sb Fonte Galotto Junior 2011 Verifica se tamb m na Figura 4 22 que existem dois tipos de estados no intervalo correspondente a
80. ate space vector modulation for three phase integrated inverters In BRAZILIAN POWER ELECTRONICS CONFERENCE COBEP 11 2011 Natal Conference Natal IEEE 2011 p 911 917 148 A APENDICE D PROTOTIPO PROT TIPO A APENDICE D 11 da placa do prototipo tico Ed Figura D 1 Esquem apog To o T g e ISQUISAON epp req zNoo x s y gt lt 00 gt 9 z ZNO9 zNo9 E Eh dequnndusundoa eee HaNaz 30010 y L a zit i E E Y3N3Z 30010 L u gt sta er Y ugs HaNaz 30010 1 HaNaz 30010 anu via or a AL aii Y E Y br sv sw OST AA S
81. ath i ya UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA unesp J lio de Mesquita Filho Faculdade de Engenharia Campus de Ilha Solteira Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica Laborat rio de Eletr nica de Pot ncia LEP Luigi Galotto Junior Inversores Integrados Monof sicos Aplicados em Sistemas Fotovoltaicos com Conex o Rede de Distribui o de Energia El trica Orientador Prof Dr Carlos Alberto Canesin Ilha Solteira SP Dezembro 2011 AVAVAY UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA AVA U nesp YY JULIO DE MESQUITA FILHO Campus de Ilha Solteira PROGRAMA DE P S GRADUA O EM ENGENHARIA EL TRICA Inversores Integrados Monof sicos Aplicados em Sistemas Fotovoltaicos com Conex o Rede de Distribui o de Energia El trica LUIGI GALOTTO JUNIOR Orientador Prof Dr Carlos Alberto Canesin Tese apresentada Faculdade de Engenharia UNESP Campus de Ilha Solteira para obten o do t tulo de Doutor em Engenharia El trica rea de Conhecimento Automa o Ilha Solteira SP Dezembro 2011 FICHA CATALOGR FICA Elaborada pela Se o T cnica de Aquisi o e Tratamento da Informa o Servi o T cnico de Biblioteca e Documenta o da UNESP Ilha Solteira Galotto Junior Luigi Inversores integrados monof sicos aplicados em sistemas fotovoltaicos com conex o rede de distribui o de energia el trica Luigi Galotto Junior Ilha Solteira
82. binagem mas usual considerar a janela dever ser maior do que 3 vezes a rea de cobre 60 A bitola deste condutor pode aumentar se for desej vel a redu o da resist ncia s rie mas implicar na necessidade de aumento do n cleo Estes s o crit rios de projeto que determinar o o custo o volume o peso e a efici ncia do componente final Em alta frequ ncia deve se considerar o efeito skin nos condutores e utilizar fios entrela ados Litz O projeto f sico do indutor tamb m pode ser encontrado em 55 56 e 61 AP NDICE D PROT TIPO 145 10 AP NDICE C ARTIGOS 1 GALOTTO JUNIOR L BRITO M A G SAMPAIO L P MELO G A CANESIN C A Comparative analysis of MPPT techniques for PV applications In INTERNATIONAL CONFERENCE ON CLEAN ELECTRICAL POWER ICCEP 3 2011 Ischia Conference Ischia IEEE 2011 p 99 104 2 GALOTTO JUNIOR L BRITO M A G SAMPAIO L P CANESIN C A Evaluation of integrated inverter topologies for low power PV systems In INTERNATIONAL CONFERENCE ON CLEAN ELECTRICAL POWER ICCEP 3 2011 Ischia Conference Ischia IEEE 2011 p 35 39 3 GALOTTO JUNIOR L BRITO M A G SAMPAIO L P CANESIN C A Evaluation of MPPT techniques for photovoltaic applications In INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INDUSTRIAL ELECTRONICS ISIE 20 2011 Berkeley Symposium Berkeley IEEE 2011 p 1039 1044 4 GALOTTO JUNIOR L BRITO M A G SAMPAIO L P CANE
83. buck boost tri state 87 Figura 4 27 Controle de Vo no buck boost tri state com feedforward cceesseceeeeseeeeeeeneees 88 Figura 4 286 Controle da potencia de entrada srcisactscenatanoacueaesatepceacsenopteaesnuernenanedveoptesaveteaasubasuanss 89 Figura 4 29 Correntes m dias na frequ ncia de chaveamento no estado ativo do buck boost Lig asi e E RR E E AEE TANA A E E A NTT 89 Figura 4 30 Correntes m dias na freq de chaveamento com roda livre do buck boost tri BA a EA EE E EEEE A A A A E 90 Figura 4 31 Correntes m dias totais na frequ ncia de chaveamento do buck boost tri state 91 Figura 4 32 Correntes m dias totais do buck boost tri state cese eee 92 Figura 4 33 Correntes eficazes totais na frequ ncia de chaveamento do buck boost tri state 92 Figura 4 34 Correntes eficazes totais do buck boost tri state sssesseeeessseeessesressessessssreesssees 93 Figura 4 35 Curvas de efici ncia do buck boost tri state para diferentes semicondutores 93 Figura 4 36 Curvas de efici ncia do buck boost tri state com I vari vel em fun o da C a E E US RR RR E 94 Figura 4 37 Esquema de controle do sistema convencional esseeesseeeeseseeeessseeessseeresssresssssees 96 Figura 4 38 Resultados da conex o e transfer ncia de pot ncia para o conversor convencional de dois ESti IOS a ssccatsccinssattonosasssnseopsconcoasse eoostasssanaseastaessoesetatendcesnsec
84. c a i5 VF2 2 VCC JUMPER HCPL 2211 4050 SinalTopologia a P4 an e of Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 116 5 3 MODELO DE CONTROLE NO DSPACE O mesmo bloco de controle utilizado nas simula es pode ser aproveitado durante os ensaios experimentais utilizando as placas de controle dSpace 1104 O modelo na Figura 5 9 compilado e controlado por uma interface personalizada em tempo real montada no software Control Desk Figura 5 9 Modelo de controle com o dSpace TE va 1 vo 3 lg Controle Sncronemo Conasrx o amp AntHzlandmg ILimed auto ILimed vel u 0 05 Biss ER Vp 4 Lib di Controle MPPT e Energia em Li Fonte Galotto Junior 2011 Uma das grandes vantagens em utilizar a plataforma de prototipagem rapida do dSpace consiste na possibilidade de utilizar os mesmos blocos de controle na simula o e no conversor real o que permite a r pida compara o e valida o dos modelos com o sistema real Os blocos est o separados para fazer o MPPT e a conex o com a rede de forma independente CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 117 5 4 RESULTADOS INDIVIDUAIS DOS ALGORITMOS Foram levantados inicialmente os resultados isoladamente para validar cada algoritmo Em seguida o conversor foi operado com todos os algoritmos simultaneamente injetando pot ncia na rede el trica 5 4 1 Resultados do MPPT O M todo Beta foi avaliado em 2 condi es inicializa
85. controle deste conversor realizado em duas partes distintas O MPPT pode ser feito separadamente da conex o com a rede devido ao desacoplamento permitido pelo link CC Pode se notar que a tens o do link CC a nica vari vel em comum aos dois blocos de controle A tens o baixa significa que mais energia pode ser drenada do painel at que o link CC atinja o valor m ximo de projeto 300 V neste caso enquanto que para o inversor CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES significa que menos energia deve ser injetada na rede Se a tens o aumenta o inversor aumenta a inje o de pot ncia para equilibrar a tens o do link CC projetada para permanecer em 250 V Quando esta for menor do que 200 V o inversor desliga A Figura 4 38 mostra os resultados de simula o obtidos e os eventos adicionados durante a simula o est o indicados Estes mesmos eventos ser o repetidos para todas as demais simula es O sistema foi simulado por um per odo de 2 segundos onde ocorrem os eventos de varia o de irradia o e de falha e retorno da rede como indicados no gr fico Inicialmente o inversor liga automaticamente sincroniza conecta e inicia a transfer ncia de pot ncia O primeiro evento o aumento da incid ncia de energia sobre o painel e em seguida ocorre a redu o desta incid ncia A pot ncia injetada de acordo com a disponibilizada pelo painel Figura 4 38 Resultados da conex o e transfer ncia de pot ncia
86. das Para um produto final o circuito deve ser otimizado em fun o da topologia escolhida e como prot tipo o circuito possui maior interesse acad mico pela sua flexibilidade Figura 5 5 Esquem tico do circuito de pot ncia do prot tipo Circuito de Pot ncia J6 ae CON2 V4 5 Vout2_grid 1 Vin E D9 CON1 T MOSFET N GDS JP3 CON1 DIODE SCHOTTKY 6 i Con_Sensor_lg JP2 D7 D8 9 Vo2 Con Sensor ILb DIODE SCHOTTKY DIODE SCHOTTKY Es 1 CON1 Lb 20m C16 1000uF eS D6 DIODH SCHOTTKY K3 R61 Rel 12V 2 SSN Q2 MOSFET N GDS C22 Vin 4 7n CON1 Vi J8 CON2 Fonte Galotto Junior 2011 5 2 CIRCUITO DE MODULA O O circuito de modula o foi elaborado para permitir o chaveamento na frequ ncia de projeto com uma banda de sobreposi o Esta banda o oposto da banda morta utilizada nos Inversores VSI A Figura 5 6 ilustra os pulsos necess rios para a realiza o desta modula o CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 113 Figura 5 6 Gera o de pulsos da modula o de tr s estados com banda de sobreposi o Fonte Galotto Junior 2011 O circuito necessita dos sinais PWM na entrada A correspondente modulante D B correspondente modulante D2 e C referente polaridade da corrente de sa da Cada uma destas entradas possui um sinal correspondente defasado no tempo com um filtro RC Ad Bd CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 114
87. das as topologias e ser utilizada nos resultados experimentais e simulados dos conversores simplificando a compara o entre elas Com os resultados obtidos foi poss vel determinar que o m todo SMS de anti ilhamento o mais adequado para o conversor proposto porque este permite detectar a falta da rede no pior caso de equil brio de carga em um tempo de 0 2 segundo atendendo a normas internacionais de seguran a com o m nimo de dist rbios na rede 59 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES No cap tulo 1 deste trabalho foram introduzidos os requisitos e objetivos para os conversores a serem aplicados para o processamento de energia de origem fotovoltaica A escolha da melhor topologia n o imediata porque al m de vari veis t cnicas como efici ncia peso volume tamb m necess rio considerar custos e atendimento s legisla es vigentes 31 37 Neste cap tulo ser o avaliadas as principais topologias incluindo algumas topologias integradas 44 45 46 47 nos aspectos t cnicos e de prov veis custos associados considerando se a realidade nacional Ser o tamb m apresentadas as metodologias de projeto associadas aos conversores em an lise 4 1 AVALIA O E VARI VEIS CONSIDERADAS As principais vari veis a serem avaliadas s o necessidade de isola o galv nica n mero de est gios opera o 1solada e ou conectada rede e localiza o do capacitor
88. de desacoplamento 1 Estas vari veis ser o avaliadas atrav s da adequa o s normas brasileiras dos componentes ativos e passivos utilizados e dos resultados de simula o da opera o para diferentes combina es Trabalhos recentes 1 48 6 apontam que o principal desafio dos conversores eletr nicos aplicados com c lulas fotovoltaicas est no aumento da vida til como em 1 e 49 Atualmente as c lulas fotovoltaicas duram 3 a 4 vezes mais do que os conversores eletr nicos De modo que ao longo da sua utiliza o eles devem ser reparados ou substitu dos aumentando o custo da manuten o e reduzindo o retorno sobre o investimento Portanto apesar de ser dif cil tal quantifica o esta uma vari vel que tamb m ser considerada CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 4 1 1 Isola o galv nica O uso de transformadores obrigat rio em v rios pa ses por quest es de seguran a O uso de transformadores tamb m facilita na eleva o de tens o que feita diretamente na rela o de espiras por esta raz o eles s o largamente utilizados Mas tecnicamente o seu uso tamb m apresenta muitas desvantagens como o aumento do peso e volume e a redu o da efici ncia A utiliza o de transformadores de alta frequ ncia uma alternativa interessante que reduz o peso e o volume mas implica no aumento da complexidade do conversor A aus ncia de isola o galv nica n o prejudica nec
89. de alta confiabilidade e efici ncia CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 62 4 1 2 N mero de est gios Geralmente os conversores de 1 ou 2 est gios s o os mais utilizados nos conversores de pain is fotovoltaicos As configura es dos est gios dependem do uso de transformadores Utilizando transformador com 1 est gio o transformador deve ser de baixa frequ ncia como na Figura 4 1a Com o uso de transformadores de alta frequ ncia deve se utilizar 3 est gios onde o primeiro inversor em alta frequ ncia o segundo um retificador e o terceiro um inversor em baixa frequ ncia conforme Figura 4 1b Os dois primeiros blocos do item b tamb m podem ser um conversor CC CC isolado Em alguns casos o retificador intermedi rio e o inversor podem ser substitu dos por um cicloconversor ou um conversor matricial limitando em 2 est gios como mostra a Figura 4 1c Figura 4 1 Esquemas com o uso de transformadores HE BEE ES Fonte Galotto Junior 2011 Como a tens o de entrada tipicamente menor do que a tens o de sa da sem os transformadores o ganho deve ser dado em um est gio elevador e o segundo est gio seria o inversor segundo ilustra a Figura 4 2 Figura 4 2 Esquema sem transformador AS Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES Esta a configura o mais comum para os conversores sem isola o galv nica Para reduzir a um nico est gio neste caso
90. de blocos da conex o com a rede controlada c it 54 Figura 3 16 Ilustra o da defasagem devido discretiza o do controle 56 Figura 4 1 Esquemas com o uso de transformadores ccssccceesssscecesesseceeceseeeeceseseeeeceeseeeees 62 Figura 4 2 Esquema sem transformador cccscccccessscceceessseeceeseesececcesseececeesnnaeeceseeeeeeeeeseeaees 62 Figura 4 3 Caracter sticas do filtro de sa da para opera o isolada 63 Figura 4 4 Caracter sticas do filtro de sa da para opera o isolada e com conex o rede 64 Figura 4 5 Caracter sticas do filtro de sa da para opera o somente com conex o rede 64 Figura 4 6 Op o de entrada CC para o VSL isecsssnsehelupauasrivennetulsaaatenelaveseutesandsbagu sehen erro na o 65 Figura 4 7 Op o de entrada CC para O CS L s ssissicssisossrrcissicincissrisorerersiseisers toires stines d aua dies 65 Figura 4 8 Inversor com pot ncia constante ou pulsante seeessseseeeesessssereessssssreeesssesereessse 66 Figura 4 9 Desacoplamento de pot ncia com 2 est gios eeeecccesssseeceesesteecceseeeeeceseeeeeeeseneees 66 Figura 4 10 Desacoplamento de pot ncia indutivo cc eeceesseeceesesececeeseseeceeseaeecceseeeeeseeeaeees 67 Figura 4 11 Etapas para a integra o dos est gios boost e Inversor cceceeesneceeeeeteeceeeetneees 68 Figura 4 12 Etapas para a integra o dos
91. de uma topologia e controle com caracter sticas de fonte de corrente A corrente pode ser modulada diretamente com a forma da tens o da rede garantindo unicamente a transfer ncia de pot ncia ativa Para evitar a propaga o de distor es entre tens o e a corrente injetada a refer ncia de corrente tamb m pode ser obtida por meio de um PLL Em opera o normal o valor eficaz da corrente aumentado at transferir a pot ncia maxima do painel Portanto o sistema de convers o est tica para a gera o fotovoltaica deve atender a diversos requisitos ter baixa distor o harm nica para a corrente injetada na rede a inje o de pot ncia pulsante n o pode aparecer na corrente do painel em alguns pa ses s o exigidos isola o galv nica e aterramento duplo inje o nula de corrente continua na rede e grande estabilidade Obviamente como j discutido outro requisito muito importante o controle para que n o haja a opera o do sistema el trico em ilhas e para tanto v rios algoritmos anti ilhamento t m sido propostos como os descritos na pr xima se o 3 3 ANTI ILHAMENTO Com o aumento da Gera o Distribu da GD nos sistemas el tricos de muitos pa ses os comportamentos das redes t m sido modificados inclusive em condi es de falta Ao ocorrer uma falha no gerador ou em alguma linha de alimenta o principal nos sistemas de distribui o convencionais em CA o suprimento de energia interr
92. deecneiedesesrassvanesteuxeeneedens 43 Figura 3 2 Modelo de inje o de reativo para detec o de ilhamento ceeeceeeesneeeeeeeeeees 45 Figura 3 3 Modelo do m todo AFD para detec o de ilhamento sonneensesoeeeeosssseeresssesereeesse 45 Figura 3 4 Modelo do m todo SMS para detec o de ilhamento ooosseessoeseeesssseseesesssesereeesse 46 Figura 3 5 Modelo do m todo de imped ncia para detec o de ilhamento 46 Figura 3 6 Diagrama unifilar do circuito de testes utilizado ccec errei 47 Figura 3 7 Modelo do circuito de conex o em Simulink c eee rererereenererarnneos 48 Figura 3 8 Modelo completo para inje o de pot ncia ativa constante ccecceceeeeessteeeeeens 49 Figura 3 9 Resultado para o m todo de inje o de reativo c si ieeeererererearenees 50 Figura 3 10 Resultado para m todo AFD sapnspesisonata sega nbr aaa ida ganha iene adia dir ana ad iii 50 Figura 3 11 Resultado para o m todo SMS essiasoadataasisrea den agp lda Rand ns aaa catando nie siga 51 Figura 3 12 Resultado para o m todo de Imped ncia ssa aianaagra oiusaa bato ssge butt onda assadas Aguada 52 Figura 3 13 Circuito deconex o com a Fede Cl TCAs cs acctcasissscanssansncnacoancohenusantveoseseaveigansueateaass 53 Figura 3 14 Diagrama de blocos da conex o com a rede el trica eee ceeccceeesseeeeeseneeeeeeeeneees 54 Figura 3 15 Diagrama
93. dicionamento de sinais sensoriamento gate drives snubbers e circuito de modula o Os semicondutores e o dissipador est o montados embaixo da placa Embaixo tamb m foram posicionados os indutores e transformadores das fontes auxiliares A Figura 5 4 mostra o prot tipo montado Figura 5 4 Painel do prot tipo com a tampa Liga as fontes auxiliares Modo Boost ou Carga local de Buck Boost Alimenta o em 27 V das fontes auxiliares Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 112 Na Figura 5 4 est o indicadas as conex es de entrada e sa da alimenta o das fontes auxiliares com uma chave liga desliga pr pria chave de sele o de topologia modo Boost ou Buck Boost e fus veis de prote o da entrada e da sa da abaixo do conector de entrada PV Tamb m s o observadas duas sa das uma para a carga resistiva de testes R e outra espec fica para a conex o com a rede Somente a corrente da sa da para a rede medida para o controle de Z O esquem tico do circuito de pot ncia na Figura 5 5 mostra como um rel foi adicionado ao circuito para permitir que este possa ser utilizado em diferentes experimentos Obviamente este rel traz aumento de complexidade ao circuito e pode piorar a efici ncia do conversor de modo que sua utiliza o e benef cio se limitam ao trabalho acad mico Tamb m h dois jumpers de pot ncia para ensaios futuros com topologias isola
94. e 4 5 Por m desej vel que tanto a indut ncia quanto a capacit ncia sejam menores poss veis Indut ncias muito grandes aumentam o peso e o volume do conversor enquanto capacitores grandes e indutores pequenos podem gerar elevadas correntes requisito adicional a ser considerado no projeto do filtro Considerando a carga nula a equa o da corrente de entrada se torna como em 4 6 IL Vcc Cos e 4 6 m LoCos 1 Esta fun o de transfer ncia possui a resposta em frequ ncia da Figura 4 17 com Vcc m nimo igual a 200 V em fun o do valor do capacitor de sa da mantendo a mesma frequ ncia de corte Quanto menor for o valor do capacitor maior o valor da indut ncia E poss vel verificar que o aumento da indut ncia propicia a maior atenua o das correntes em altas e baixas frequ ncias Figura 4 17 Resposta em frequ ncia da corrente do filtro para diferentes combina es de L e C Resposta da corrente do filtro 100 T T T T Eg T T T semen Co 13 3 uF 80 Co 1 3 uF Oa a a S a Co 0 1 uF 40 20 oe eave s quoss a s anos dad 20 ae as 40 as a 60 80 100 10 10 10 Frequ ncia rad s Fonte Galotto Junior 2011 10 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES
95. e Apesar do n cleo de p de ferro ser 1 65 vezes mais denso que o ferrite a redu o do volume deve proporcionar em torno de 50 de redu o no peso do n cleo No caso de ser calculada a relut ncia de um circuito magn tico ser dada pela equa o B 4 em fun o do comprimento do caminho magn tico da permeabilidade magn tica u e da rea da se o Ag Re TE B 4 Se o circuito tiver um entreferro air gap a permeabilidade do n cleo pode ser desprezada Assim basta utilizar a permeabilidade do ar conhecida junto com a rea da se o e o comprimento do entreferro AP NDICE B C LCULO DOS ELEMENTOS MAGN TICOS 144 Sem entreferro somente a permeabilidade do n cleo influencia na relut ncia Neste caso comum utilizar as curvas BH 59 selecionando um ponto de opera o Assim o valor da relut ncia ser determinado pelo ponto de opera o escolhido a partir da equa o B 5 Re B 5 Alguns n cleos de materiais ou formas muito diferenciadas podem ser tornar invi veis de calcular algebricamente e o m todo de elementos finitos a principal solu o para estes Casos A finaliza o da escolha do n cleo tamb m depende da verifica o se a area de cobre da bobina pode ser alocada dentro da janela do n cleo O condutor da bobina inicialmente escolhido em fun o da capacidade de condu o de corrente A rea de ocupa o do cobre tamb m ira depender da qualidade da bo
96. e Por m necess rio operar em Stand alone para o sincronismo antes de realizar a conex o 4 5 2 Resultados para o conversor buck boost tri state A Figura 4 40 apresenta o esquem tico do controle completo do inversor integrado buck boost tri state Pode ser verificado um controle independente das pot ncias de entrada e de sa da de modo semelhante ao conversor convencional de 2 est gios que foi poss vel gra as opera o com modula o tri state Figura 4 40 Esquema de controle do inversor integrado buck boost tri state Controle Controle Vo Prote o de Sobrecorrente Comando da Pot ncia de saida MPPT Fonte Galotto Junior 2011 Na Figura 4 41 a pot ncia injetada na rede controlada em fun o da corrente no indutor regulando o sistema para que permane a em equil brio em 15 A Quando prote o da corrente m xima de 20 A alcan ada ent o o MPPT desligado CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 100 Figura 4 41 Controle de pot ncia em fun o da corrente do indutor para o inversor integrado Buck boost tri state Tens o da Rede Vo e a Tens o de Sa da Vo 200 M n 4 I I a A A A Lam ro MITA II to EA IEA TEA I R I V gt 0 E E 1i V tr I oy T Q 200 v b x v
97. e and the difficulty to find some components such as gate drives and specific switches for current source inverters These drawbacks can lead to an increase of cost and weight limiting its use in many commercial applications However this work let open ideas for future application that may become feasible with technological evolution of semiconductors and magnetic materials for inductive energy storage devices Other applications such as three phase converters where power decoupling is not needed and converters with internal battery can also amplify the applicability of these work proposals Keywords Photovoltaic generation Grid connection Integrated converter MPPT Anti islanding Tri state modulation Power decoupling LISTA DE FIGURAS N mero P gina Figura 1 1 Principais estrat gias atuais para o processamento de energia de origem TOLON O A ts esecs E RE DR RR RR RR RR RR 22 Figura 2 1 Modelo do m todo de tens o constante ee ceceeceessnteeceeseseeeecesenaeeeeseeeneeeeeeeneees 26 Figura 2 2 Modelo do m todo de escalada sxsxestanersnsrcssiorssascieoutnctdvcsnunnscasyereesantcaveteedeaetanttawsndoients 28 Figura 2 3 Modelo do m todo de Condut ncia Incremental INC cc eeeeessseeceeeeeesneeeees 28 Figura 2 4 Modelo do m todo J sssssesseseeeessseessesesssseesseresseressseeesseressseessseeesseessseeesssreesseeesseresses 29 Figura 2 5 Modelo do m todo da oscila o do SisteMa eeeccccesss
98. e modo a garantir a opera o no MPP Assim este controle n o feito a partir de um controlador cl ssico mas com um algoritmo de MPPT como mostra de modo gen rico o esquem tico da Figura 4 28 Independente do m todo de MPPT escolhido eles sempre ir o atuar em D As leituras da tens o e da corrente do painel devem ou n o ser medidas dependendo do m todo escolhido Pode ser observado que a corrente de entrada l Ipy n o realimentada diretamente A malha deve estabilizar na m xima pot ncia e a sua velocidade de resposta deve depender do desempenho do m todo de MPPT e da resposta din mica do conversor CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 89 Figura 4 28 Controle da pot ncia de entrada Conversor Fonte Galotto Junior 2011 4 4 7 Estima o da efici ncia Para determinar aproximadamente a efici ncia do conversor preciso estimar inicialmente as correntes m dias sobre as chaves As perdas totais nas chaves consistem em perdas em condu o e perdas nas comuta es As mesmas considera es de c lculo da Tabela 4 2 foram utilizadas Para determinar a corrente m dia sobre cada componente em fun o da carga foi considerada a Figura 4 29 Figura 4 29 Correntes m dias na frequ ncia de chaveamento no estado ativo do buck boost tri state Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 90 Neste circuito para que a tens o de sa da seja senoidal
99. e regulada em 127 V eficazes deve se obedecer 4 33 Veoh LS RoC cos wt sen wt 4 33 Ro Com 4 33 poss vel analisar que se o capacitor de sa da for zero ent o a corrente do CSI ser igual corrente de carga Por m quanto maior for este capacitor a corrente do CSI aumenta em rela o corrente da carga e sofre uma defasagem Este efeito pode ser interpretado dividindo a corrente em duas parcelas ativa e reativa Mesmo a parcela reativa aumentando a corrente sobre o inversor a capacit ncia de sa da necess ria para filtragem do ripple como apresentado anteriormente Por isso existe uma capacit ncia m nima que deve ser considerada no projeto A princ pio para c lculo da efici ncia apenas a corrente de pico de sa da do CSI apresentada em 4 34 necess ria pico lesi ico 2 ico ex i Ro C00 L 1 ee Rico A 1 4 34 Com 4 34 a corrente m dia de sa da conhecida mas nas chaves preciso somar as correntes m dias do estado de roda livre do indutor apresentadas em pontilhado na Figura 4 30 Figura 4 30 Correntes m dias na freq de chaveamento com roda livre do buck boost tri state Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 91 As chaves S e S3 operam em baixa frequ ncia e conduzem somente em 1 semi ciclo As chaves Sz e S4 comutam em alta frequ ncia alternando entre o tempo de transfer ncia de energia e de
100. eeceeesseeeceeseeececeeeneeeeeeeaeees 30 Figura 2 6 Modelo do m todo da correla o do ripple seiacissnssssssswassarsnacessexaetecwessencatonaviuerdseancass 30 Figura 2 7 Modelo avaliado em SUMUIIAK snsscsccaxsasocaessecesesntansenesteasonceteassavesaeasasetastassaseniegastac cases 32 Figura 2 8 Curvas de Pot ncia x Tens o para varia es de irradia o e temperatura 32 Figura 2 9 M todo da raz o c clica constante malha aberta cccccssssscceccssessseeceeesseenseeees 33 Figura 2 10 M todo da tens o CONS AN Co soso eccn ces caret es Do tecsstaenceiaaivectlansvaene te siinodee asiain asr issn 33 Figura 2 11 M todo da tens o constante cs cconscecasndcendnssnucoescasadeseneouesnnnonnsdesivedandscasterseascnteaansaoeen 34 Figura 2 12 M todo escalada climbing hill cos istaisaisio aros diagonal E 34 Figura 2 13 M todo de condut ncia incremental cs issencensscacennexsecenasiadoeenssunsvascupenenseancesasenunencs 34 Pig ra 214 Metodo set it roissa an a E Aa aa a a aeaa i daarna 35 Figura 2 15 M todo da oscila o do sistema osseiecnesccasasuelaciants vedacesceisaddcexoosandaasataisaugonesseucvecavaees 35 Figura 2 16 M todo da correla o do FID 1e ves scoctsesseusenonadesiasedvevatencresseuscanessanesvaneienaixenasaeorancosdans 35 Figura 2 17 Fator de rastreamento dos m todos de MPPT erre 36 Figura 3 1 Efeitos do ilhamento na tens o wsncccwsesssatstsuacdeotassndoasosdenssetncexen
101. emicondutores e resist ncia do indutor de 0 1 Q Figura 4 35 Curvas de efici ncia do buck boost tri state para diferentes semicondutores 100 90 Wa O o vs v W as 7v m LI RA V aW 1 cad aU OD A ss ao ana See See ee ae aa _ mm _ m m 00 qunssanann nana s 1 mm _ s nene uunas a pyas as _ a pee seare 70 ome PT us quase ase s Yo 1 sus Russ un Se 8 ee IGBT IRG4PC30U Diodo MUR840 ls 2 Ta RB IGBT IXRH 50N60 OOO ie MOSFET IRF740 Rds 0n 0 5 Diodo MUR840 40 e a MOSFET SiHP22N60S Rds on 0 16 Diodo MUR840 aoa MOSFET STW34NB20 Rds on 0 075 Diodo MUR840 Pa MOSFET STW34NB20 Rds on 0 075 Diodo Schottky MBR20200CT o 100 150 200 250 300 Po W Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES A principal vari vel que influencia nas perdas o valor de Izp e obviamente necessita se de um valor m nimo para que a realiza o da modula o seja poss vel Se esta corrente for mantida constante independente da carga ent o as perdas tamb m n o depender o da carga Assim a corrente do indutor ajustada para a carga nominal ter perdas constantes e maiores rendimentos No entanto ter baixa efici ncia em menores cargas sendo portanto o pi
102. endass 82 CONSI COUO INCU OF safari q AE a E a 83 Dimensionamento da Capacit ncia de sa da wiioscovsusscsvsnvoondsiaibonaindesonatedsvebeaeonnneenennvideaseavenonesadebiaianaesaus 84 Cano STATIC OTA E EEEE AEE A A A O ctaessucdeesente 85 Malhas de controle de tens o vine sassraernvidonea eu escesseuideasienctasaticunhenindeew nedeadbinennaatamsainiieiess dna 87 Malhas GO CONT TONE de COren O useaan EEEE E O ai 5S Estima o e CEC sofro ii o id Si 89 SIMULA ES SISTEMA COMPLETO cccccccccccccsccccececsecesecssscecececeesscesscessseuseseuaeseeusceuueeauaesusausaassssusssueuseees 95 Conversor COI COI awareness bores dadas adendo nao Bh Custe ee atcdn a dois Die aba se bananas doi cria ai 96 Resultados para o conversor buck boost tri state satascachivcnsnsesiapbeccscopsadennsubsdpsesweiasaeraicnhcceedusdesansdbacampereeis 99 COMPARA O DOS RESULTADOS ENTRE AS TOPOLOGIAS ccccccccsssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssseeeees 101 COT OTS REC se doida id E Si 102 E Om RATA OES T T CAS seis ses E a E E a R E AEE ds Sue scien NEE 104 4 7 Sal 5 2 53 5 4 5 4 1 5 4 2 5 4 3 SEA 5 6 SHA AS Dz ERES 5 7 4 5 8 10 11 CONCLUS O cecoccooooococoooooococooocococoooocoosooosocooooocoococooooooococoocoococooococsoooocococooococooococoococococooococoocoococooooooocoocooooooo 1 0 8 RESULTADOS EXPERIMENTAIS vcsssscsiscaceesestcceavevcsusecosssessiicevscsedesssssucccvescestccetssasevesasclusseceusteettae
103. era o Uma vez garantido o rastreamento das tens es e correntes e a estabilidade do conversor algumas prote es b sicas como sobrecarga sobretens o e subtens o s o tamb m requisitos importantes para manter o bom funcionamento do conversor 1 3 TOPOLOGIAS DE CONVERSORES PARA SISTEMAS PV No princ pio das aplica es pr ticas para sistemas PV era comum a utiliza o de grandes associa es s ries e paralelo de m dulos fotovoltaicos concentrados em um nico conversor Este tipo de arranjo muito ineficiente em fun o da necessidade de inser o dos diodos em s rie com os m dulos e em fun o da m distribui o de pot ncia entre os mesmos Nestes casos a interface com a rede CA geralmente feita era com Inversores n o aut nomos tiristores afetando a qualidade de energia e n o permitindo o funcionamento sem a rede Esta filosofia est ultrapassada e em alguns pa ses a utiliza o deste tipo de estrutura n o mais permitida As necessidades de isola o galv nica e aterramento duplo painel entrada e carga saida s o tamb m requisitos de seguran a que t m sido exigidos Todas as caracter sticas de qualidade esperadas para os conversores tendem a aumentar o seu custo Por outro lado a escolha de topologias direcionadas a conjuntos s rie de pain is permite o aumento da efici ncia e o melhor aproveitamento trabalhando no MPPT do painel Outro grande avan o para os conversores de pequenas pot nc
104. erem capacitores de baixa tens o Com base nos dados da Tabela 4 8 os conversores com tr s estados est o entre os mais prov veis de atingir a vida til compat vel com os pain is fotovoltaicos CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 108 4 7 CONCLUS O Este cap tulo fez uma apresenta o detalhada das op es de topologias avaliadas neste trabalho Ap s a descri o do funcionamento foram apresentados os principais equacionamentos e as topologias foram dimensionadas com base na aplica o dos microinversores O conversor Boost Tri State n o foi detalhado por ter um equacionamento e dimensionamento muito semelhante ao Buck Boost Tri State O uso das topologias integradas chaveando em dois estados Boost ou Buck Boost consiste em fixar o valor de Dz 1 D Desta forma h somente uma lei de controle para os inversores podendo somente controlar a tens o de sa da em modo corrente al m de possu rem o mesmo equacionamento dos seus respectivos conversores CC CC Portanto o equacionamento destes conversores tamb m n o foi apresentado Com os conversores dimensionados foram realizadas compara es atrav s de resultados de simula es de estima es de efici ncia e de an lises qualitativas e quantitativas N o foi poss vel chegar a um conversor melhor para qualquer aplica o mas pode se comprovar o funcionamento do desacoplamento de pot ncia utilizando indutores como uma op o que pode alcan ar s expec
105. es integrados para conex o com a rede a redu o de 1 indutor de filtro e do diodo s rie comparado ao conversor convencional Durante a opera o a din mica de controle mais complexa para os inversores Boost ou Buck Boost com chaveamento em 2 estados e o desacoplamento de pot ncia somente poss vel com capacitores em paralelo ao painel solar O desacoplamento de pot ncia indutivo esperado com a estrat gia de controle proposta tamb m foi demonstrada para os inversores Boost e Buck Boost com chaveamento em 3 estados Experimentalmente foi verificado que o controle apresentado possibilitou o desacoplamento de pot ncia em troca do aumento do indutor de boost necess rio A efici ncia experimental obtida com semicondutores apropriados ficou em torno de 85 no prot tipo desenvolvido Circuitos extras existentes no prot tipo que n o existiriam no produto final poderia aumentar a efici ncia para pr ximo da teoricamente estimada Concluindo o conversor apresentado prop s a atender as expectativas de aumento de vida til atrav s da substitui o do armazenador de energia capacitivo por um indutivo Por m com a desvantagem do aumento do volume do indutor e da dificuldade de se encontrar semicondutores e gate drives espec ficos para inversores de corrente Estas desvantagens podem acarretar no aumento do custo e do peso do conversor limitando a sua utiliza o em muitas aplica es comerciais Por m este trabalho abre por
106. essariamente a seguran a A prote o um par metro de projeto que pode incluir diversas alternativas como aterramento e at mesmo dispositivos de prote o diferenciais DR por exemplo O principal cuidado com pain is sem isola o galv nica est em n o se realizar manuten es com o equipamento conectado rede assim como em outros eletrodom sticos tais como geladeiras m quinas de lavar e aparelhos de aquecimento Certamente um chuveiro el trico pode apresentar maiores riscos do que um painel fotovoltaico sem isola o galv nica O aterramento da caixa do conversor propicia o surgimento de capacit ncias parasitas no circuito que podem gerar emiss es eletromagn ticas por esta raz o novas configura es t m sido propostas para permitir o aterramento de um terminal do painel juntamente com a rede Prote es passivas externas como disjuntores DPS dispositivo de prote o contra surtos e DR provavelmente ser o bem vindas aos quadros das instala es el tricas que receber o os m dulos fotovoltaicos Em resumo o uso de transformadores tende a piorar a efici ncia ou no caso de circuitos com transformadores em alta frequ ncia reduzir a vida til e aumentar o custo diminuindo a aceita o no mercado A seguran a tamb m pode ser atendida sem a isola o galv nica Enquanto esta n o for uma exig ncia no pa s esta pode ser uma importante oportunidade para a produ o de conversores de baixo custo e
107. est gios buck boost e Inversor c 69 Figura 4 13 Etapas para a integra o dos est gios Cuk e Inversor ccci iii 10 Figura 4 14 Circuito de pot ncia completo do conversor convencional projetado 12 Figura 4 15 Modelo m dio do inversor de sa da com filtro LC 73 Figura 4 16 Diagrama de blocos do VSI com filtro LC scccerseesecerscessererrersesaeassessenececensanito 73 Figura 4 17 Resposta em frequ ncia da corrente do filtro para diferentes combina es de L e RR ea RR RR E ee ee 14 Figura 4 18 Correntes m dias na frequ ncia de chaveamento do conversor convencional 78 Figura 4 19 Correntes m dias do conversor convencional cs seen 79 Figura 4 20 Efici ncia aproximada do inversor para diferentes tipos de componentes 80 Figura 4 21 Circuito completo do conversor Buck Boost Tri state 000 0 ceccssseeceeeseneeeeeeeeneees 80 Figura 4 22 Etapas de chaveamento do inversor buck boost tri state ceessscceseeeseceeeeeeeees 81 Figura 4 23 Diagrama de blocos do modelo m dio do buck boost tri state 82 Figura 4 24 Modelo m dio do CS Mi acssscsssscsanarerecustessnaceasssnccsanndaedensiusansoncenanndetsendaaseneeataacedeendsedents 84 Figura 4 25 Compara o do ganho est tico entre o buck boost convencional e tri state 86 Figura 4 26 Diagrama de blocos do controle de Vo no
108. esvestooscauceecbsesesevexsesenbsesaeveseoencstbosedteveses 60 PA velo AO I DIN easiness ae DENIS E AO So diete dete RRRDDE o ORE RP RN UR 61 INEO EE US id e S 62 Lado CA Isolado ou Conectado Rede sivcissxssscenssrertatadesiienciied heertmeideanns inai USINA GUS RASA 63 EQ Diana e E E E 65 Desacoplamemo de Dolce O nasin one dada nata Gob ns inda indo cura na Maer ud eac dida c dois dies e 66 INTEGRA O DE ESTA GIGS causadas onssonicaseaiidnaqictasEsinavasodEaopuaid mada las adenidaa o deco smiades ans abonuaasdeg nice estan ias 67 Intecra o com oulros conversores COCO a squidsaadaiosadca deb usadas cs Ea O TEE E E enee 70 Resposta din mica dos conversores integrados sesunascrtrssncrinetsonanevesniadssanendsntearucnsrssnelexanetasetecnceonnsaseenreiags 71 PROJETO DO CONVERSOR CONVENCIONAL cccccccesssseececceeeseseccceeeessecseseeusneeceseeaeeueeeeseseaueeecssssuueeeceseeea 71 Primeiro est gio DoosP CO CO sepci TU EEE ENER Ei 12 SEDUC O esta IIs OF anre a E e ii GS 73 Capacitor de Desacoplamento do Link CC ws cesisies cassncizzansuatuieiiestasesonasccaumsseriawisvsanuadesddebiestabiicasbeiasnceents 3 Dimensionamento dos indutores no conversor convencional sessssessssesesssressssressseeesssereesssreessee 76 AVO COO GD CCU a E E Ti PROJETO DO CONVERSOR BUCK BOOST TRI STATE superior piienonted ita baia pa terri aan 80 Dimensionamento da indut ncid ims tininsstunanh szsesisanandiind ent oyrisvanicosnduisa a sen uesaaesthusidbai
109. ey ve in z AS zs IS sem Ag Ag o E 9 sen Ag s ts v i is z o yez aez Ae ceu ES zu STRUTS ep OqU9OUWPUOTOTPUO OquoweTIOSUSOS ep SsOgTNDITO zNoo er aN LNO9 E a TOOT ZNO9 T fic por znoo vzo o uly uly WA so L zzo 129 OOFNT t A gt r z A z z T l EeopzLr NO sao N 134S0r lee the E reopatr H a Neo g ji Ex e noor ZNOO Tale N 00L esa T ZNO9 ezo nes ap LOOPNL ph6 to 198 094 amp i oH L e Z00PNL E E t z AMLLOHOS BaOIG 9a AMLLOHOS 3q010 sa rT Se K E z T ngz nz Te f an000L op 619 819 Pio PA Sto 4 lt gt eA woz sao nuaasow i sao n 1aaso 5 q o 10 INO9 z z zNoo l es 4 ots Josuas uo o an A MALIOHOS 30010 jo MILLOHOS 2010 jo qniosueg uod l sa za zat z Bj Josueguog a a O ANLLOHOS 30010 NOO xe oy edr d N134SON 1 to L i 1NOO bi lE P 7 L Ea di FTA uno wi qUTayOoF Pred os equra uB Zane ERA xneg A 23h on sin ZNO9 Ag 5 or oepdsejueuwtT Ty ep seguos eTOusjog ep ogTNDITO yagwnr HA A ro og wz T zo ha eiBojodoy jeuis colon osor LZZAdOH O8LEdOH suyooer 7 swyozy A 6A A ade nis 99A E S e el Tr AL 2 99A IJA osu Zin A reusp vou 8 z ore E a T By 20h zant Hpo zin ne RIR R ret 1 ton baat 5 pl edoh suo oep 94 E SE swyozy IA z T es E z i BIAN OF 5 enoaees dt 9 H uae Svu W NE 7 ain 9 i ojala ZEN T A0 iosi 99A 1122 1dOH O8L 1d0H i suyoger ai quo zan 8 d z J eu SoA AEE E ID 19H zou x e 9v4 e Hadn
110. ficiente do painel PV A utiliza o de circuitos adicionais com m todos mais precisos pode compensar o custo e levar a redu o do tempo de retorno CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT 25 Os m todos on line s o os principais analisados neste trabalho pelo fato de serem os mais adequados para responder rapidamente s varia es atmosf ricas e capacidade de resultar na m xima efici ncia para os pain is Podem ser citados os m todos Tens o constante 9 por derivada da tens o 10 escalada Hill Climbing 3 e diversos similares modificados 11 com otimiza es 12 e 13 redu o de sensores 10 ou sistemas preditivos e adaptativos 14 Outro m todo semelhante ao Escalada a Condut ncia Incremental InC 15 16 e 17 O m todo beta 18 apesar de n o ser muito encontrado nas refer ncias um m todo de complexidade m dia com resultados compar veis aos melhores m todos Os m todos da oscila o do sistema apresentados em 19 20 e 21 e os com correla o do ripple em 22 e 23 s o citados como os mais r pidos utilizados atualmente Basicamente cada m todo busca descobrir se a corrente do painel precisa aumentar ou diminuir de modo a aumentar a transfer ncia de pot ncia Geralmente a varia o da corrente feita em degraus constantes A possibilidade de produzir degraus de correntes vari veis leva ao melhoramento dos m todos como a escalada modificada e o InC de passo vari vel Inclus
111. foram simulados porque a sua resposta independe das din micas do sistema el trico Os m todos ativos discutidos foram simulados e a compara o entre eles feita atrav s de algumas medi es de desempenho citadas anteriormente junto com uma compara o qualitativa A Tabela 3 1 mostra o resumo dos resultados Observa se que h uma tend ncia dos m todos mais r pidos de detec o serem mais invasivos ao sistema el trico O m nimo valor para a distor o harm nica total THD da tens o foi de 10 estando este valor relacionado malha de corre o da corrente ponto a ponto Esta malha pode ser otimizada para redu o da THD mas para a compara o dos m todos a mesma malha foi utilizada em todos os Casos 52 CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O A REDE 53 Tabela 3 1 Compara o entre os m todos de detec o de ilhamento com equil brio de carga M todo am THD Grau de dist rbio na rede Custo Ativo 3 5 MODELO DINAMICO DA CONEXAO COM A REDE O modelo m dio da conexao com a rede independe do conversor a ser utilizado uma vez que sua saida pode ser considerada como uma fonte de tensao m dia V na entrada do circuito da Figura 3 13 Figura 3 13 Circuito de conex o com a rede el trica Fonte Galotto Junior 2011 Este circuito ter a seguinte equa o diferencial no tempo 3 1 L 1 V V 3 1 A partir de 3 1 levanta se a fun o de transfer ncia deste circuito em 3
112. ias a Integra o de est gios permitindo a eleva o da tens o e a convers o para CA em uma nica estrutura de pot ncia com o objetivo de elevar a efici ncia e a modularidade da Instala o Para pot ncias maiores os pain is podem ser associados em s rie eliminando a necessidade de eleva o da tens o e do respectivo est gio conversor elevador Neste contexto um nico conversor chamado de CAP TULO 1 INTRODU O microinversor integrado ao painel fotovoltaico denominando se M dulo CA 1 onde o sistema pode ser conectado diretamente rede como mostra a Figura 1 1 Figura 1 1 Principais estrat gias atuais para o processamento de energia de origem fotovoltaica Pain is em s rie M dulo CA Fonte Galotto Junior 2011 O M dulo CA possui a vantagem de realizar melhor o controle no ponto timo do painel e a facilidade de instala o A vida til do conversor atualmente incompat vel com a vida til do painel e a opera o em altas temperaturas s o desvantagens destes m dulos A alta temperatura de opera o pode ser compensada se o microinversor n o estiver acoplado ao painel ou se o dimensionamento t rmico estiver apropriado Desta forma o aumento da vida til do inversor tem sido visto como o principal desafio tecnol gico 6 1 4 METODOLOGIA E ORGANIZA O DO TRABALHO Inicialmente no cap tulo 2 ser o apresentados em detalhes os principais algoritmos de rastreamento de m x
113. ibilidade de equil brio com a carga Em condi es normais somente a rede absorve o reativo excedente gerado pelo conversor Durante a falta mesmo com o equil brio da pot ncia ativa a pot ncia reativa excedente provoca varia es na tens o que podem ser detectadas A Figura 3 2 mostra o modelo para a inje o de reativo na rede el trica onde a malha fechada da pot ncia reativa atua na defasagem da corrente em rela o tens o da rede CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O A REDE 45 Figura 3 2 Modelo de inje o de reativo para detec o de ilhamento Fase Q Fonte Galotto Junior 2011 Existem diversos m todos de deslocamento de fase mas a maior parte deles derivada de dois tipos mais conhecidos Desvio Ativo da Frequ ncia AFD Active Frequency Drift e Deslocamento de Frequ ncia no Modo Deslizamento SMS Slide Mode frequency Shift No AFD conforme Figura 3 3 injetada uma frequ ncia levemente superior frequ ncia da rede sincronizando com o cruzamento por zero da tens o da rede Em caso de falta a frequ ncia aumentar continuamente No SMS Figura 3 4 a frequ ncia nominal de opera o inst vel para o inversor que for a a varia o de frequ ncia pela defasagem com a rede para estabilizar em uma frequ ncia superior ou inferior Portanto a frequ ncia permanecer no valor nominal somente em conex o com a rede Na sa da da rede o inversor muda a frequ ncia de ope
114. ima pot ncia para possibilitar a compara o e a sele o do m todo mais apropriado para ser utilizado nos conversores propostos neste trabalho No cap tulo 3 est o detalhados os algoritmos de anti ilhamento suas principais caracter sticas vantagens e desvantagens asssm como a metodologia de sincronismo e paralelismo com a rede CAP TULO 1 INTRODU O 23 No cap tulo 4 s o discutidas as principais caracter sticas das topologias de pot ncia para os conversores aplicados a sistemas de gera o PV S o propostos novos conversores que integram a es elevadora e inversora para aplica es conectadas e isoladas detalhando se seus equacionamentos e apresentando se resultados de simula o para o sistema completo Estas an lises permitir o o dimensionamento dos conversores propostos e a compara o das alternativas atuais em rela o s topologias Integradas No cap tulo 5 s o apresentados os principais resultados experimentais para algumas das estruturas integradas propostas considerando se a possibilidade de opera o isolada e ou conectada com a rede de distribui o de CA em baixa tens o Finalmente no cap tulo 6 s o apresentadas as conclus es finais para o trabalho e a proposta de continuidade para a conclus o da Tese CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT 2 ALGORITMOS DE RASTREAMENTO DE M XIMA POT NCIA MPPT Os m todos de rastreamento do ponto de m xima pot ncia absorv vel dos pain
115. indo prote es de sobre e sub tens o inicializa o e modos de opera o Modelos m dios foram utilizados sempre em que o modelo chaveado fosse dispens vel Nas estruturas integradas foram utilizados os modelos exatos Todos os conversores foram simulados para opera o isolada e em conex o com a rede Uma compara o com os conversores integrados ser apresentada ao final deste cap tulo onde em fun o de determinadas premissas poderia ser escolhida a estrutura de Interesse em fun o de suas caracter sticas desempenho gerais 95 CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 4 5 1 Conversor Convencional A Figura 4 37 apresenta o esquema de controle utilizado para realizar a simula o admitida como base convencional Esta a simula o do conversor sem isola o galv nica de 2 est gios mais comumente utilizada O circuito de pot ncia e o circuito de controle est o destacados Neste modelo h uma carga ligada diretamente na sa da do inversor Esta carga pode ser alimentada mesmo ap s o desligamento da rede apenas para fins acad micos experimentais Na pr tica esta aplica o n o vi vel uma vez que n o h armazenamento extra de energia para garantir o abastecimento da carga e a aplica o de enfoque est na Inje o de energia ativa na rede Figura 4 37 Esquema de controle do sistema convencional Lp Dp O gt Comando da Pot ncia de sa da Fonte Galotto Junior 2011 O
116. ior 2011 5 4 3 Anti Ilhamento SMS O algoritmo de anti ilhamento SMS foi testado quanto ao seu tempo de n o detec o em condi es muito pr ximas do equil brio de carga intencionalmente Na Figura 5 14 poss vel verificar que o valor eficaz da tens o da rede muda muito pouco ap s a ocorr ncia da falha justamente porque est em uma condi o de equil brio de carga Portanto um anti islanding passivo como de subtens o n o detectaria esta condi o O m todo SMS faz com que a frequ ncia de V mude levemente ap s a remo o da rede at que a falha seja detectada gerando a abertura do rel de conex o A carga priorit ria ligada diretamente na sa da do conversor permanece funcionando mesmo ap s a abertura do rel com leves dist rbios na sua tens o de alimenta o Assim a carga permanece alimentada com caracter sticas semelhantes a de um no break CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 120 Figura 5 14 Atua o do m todo de identifica o de ilhamento SMS NH in K di i i a i in T ie Fonte Galotto Junior 2011 A escala de tempo est em 100 ms div portanto o tempo medido experimentalmente at a detec o est em torno de 200 ms que muito pr ximo do estimado nos resultados de simula es apresentados para o m todo SMS A Figura 5 15 apresenta a reconex o autom tica do conversor ap s o retorno da rede el trica O conversor permanece funcionando e ali
117. isada com maiores detalhes ainda neste cap tulo Figura 4 7 Op o de entrada CC para o CSI Lp Lp 9 Q IB E CSI a CSI ou Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 66 4 1 5 Desacoplamento de pot ncia O desacoplamento de pot ncia necess rio para que o painel fotovoltaico possa operar satisfatoriamente no ponto de m xima pot ncia Os conversores somente com 1 est gio Inversor n o conseguem manter a pot ncia CA pulsante na rede e a pot ncia CC constante no painel PV ao mesmo tempo como ilustrado na Figura 4 8 Figura 4 8 Inversor com pot ncia constante ou pulsante Inversor Fonte Galotto Junior 2011 Neste caso somente com 1 est gio o capacitor deve ser colocado em paralelo com o painel fotovoltaico para realizar um desacoplamento passivo entre a pot ncia pulsante de sa da auxiliando na perman ncia da pot ncia de entrada praticamente constante Nas configura es de conversores com 2 est gios o link CC o respons vel por fazer este desacoplamento como mostra a Figura 4 9 A tens o no link CC ira oscilar em fun o da diferen a das correntes entre o primeiro e o segundo est gios Figura 4 9 Desacoplamento de pot ncia com 2 est gios Est gio Inversor Fonte Galotto Junior 2011 A grande vantagem neste caso est na independ ncia do controle entre os est gios sendo que ambos podem operar em fun o das flutua es de tens
118. ive t cnicas de IA Intelig ncia Artificial como fuzzy s o utilizadas para a determina o do passo nestes algoritmos Mais exemplos das aplica es destes m todos em instala es e gera o distribu da podem ser encontrados em 24 25 26 e 27 Os m todos podem ser comparados com rela o precis o do rastreamento do ponto timo em regime permanente velocidade da resposta facilidade e ao custo de implementa o Geralmente mesmo os m todos mais lentos possuem velocidade de rastreamento suficiente para a maioria das aplica es e o custo est basicamente relacionado ao n mero de sensores Entretanto o maior n mero de sensores tende a melhorar a efici ncia do rastreamento o que pode compensar o custo adicional Em resumo a variedade de m todos grande e a diferen a entre vantagens e desvantagens entre eles t nue Boa parte deles s o deriva es de m todos b sicos onde melhorias s o propostas Nesta se o ser o apresentados os m todos mais usuais e ser o feitas compara es entre os mesmos semelhante ao apresentado em 2 e 28 CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT 2 2 DETALHAMENTO DOS M TODOS DE MPPT 2 2 1 Raz o c clica fixa A raz o c clica fixa representa o m todo mais simples por n o necessitar de nenhuma realimenta o Neste m todo a resist ncia aparente da carga ajustada uma nica vez para a pot ncia m xima do painel e n o ajustada novamente ou
119. liability and ease of installation For safety reasons the converter also has to disconnect from the grid automatically once a grid failure is detected to avoid the phenomenon known as islanding The construction of these modules is fundamentally a problem for power electronic converter development This converter is also called micro inverter due to the nominal power up to 300 W compatible with commercially available PV panels The converter needs several features to achieve this application among them low cost high efficiency and especially lifetime compatible with the panels In this context this work uses converters with integration of stages DC AC aiming to achieve the main requirements needed to turn them into a feasible alternative to the presented application The main contribution of this work is a novel control strategy which is not found in the literature which allows independent input output control of these single stage converters similar to the two stage converters Therefore this strategy allows achieving the inductive power decoupling which replaces the DC link capacitor bank main lifetime limiter by an inductor This control is possible due to the additional degree of freedom obtained with tri state modulation Additionally a review and evaluation of some of the several MPPT Maximum Power Point Tracking and anti islanding algorithms to choose the most adequate ones to the converters in this application is
120. lo controle da pot ncia em fun o do ngulo ou da frequ ncia da tens o de sa da em rela o tens o da rede Este o modelo utilizado como base para o teste e a Implementa o dos m todos de detec o de ilhamento CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE Figura 3 8 Modelo completo para inje o de pot ncia ativa constante 49 60 lt q Freq freq wt V pu Sin_Cos V gt pu PLL gt sin gt gt gt Ls A seno gt PI Product Add L PI Switch N nade KA sart2 Yy y j 3 E Rede _onoff Conexao 7p D PI PIT 2 i gt Add 1 gt A gt 1000 a gt Scope W Memory da iva Ativa gt 1035 P gt vet Reativa gt 0 003338 Potencias neaiva 60 Hz Fonte Galotto Junior 2011 3 4 2 Simula es para o Anti Ilhamento Para o m todo da inje o de reativo foi observado que uma pequena quantidade de reativo suficiente para causar uma oscila o de tens o facilmente detect vel mesmo com equil brio de pot ncia ativa como mostra a Figura 3 9 Ainda h a possibilidade de equil brio da pot ncia reativa mas para que a falta n o seja detec
121. mentando a carga O retorno da rede leva o conversor a recuperar o sincronismo e a frequ ncia normal de opera o Figura 5 15 Reconex o com a rede el trica ap s a sua restaura o qoa da ieee 2 i MN Uh Ht AU i Hl dl Al wu ll ies a papal a vii i ih Il Hi i bi il MI li it iii a4 i Ro E Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 121 5 5 RESULTADOS DO INVERSOR BOOST O inversor boost apresentou o menor numero de componentes entre as topologias avaliadas por m o seu resultado experimental em stand alone na Figura 5 16 mostrou transit rios na corrente de entrada e na tens o no cruzamento por zero que pioraram o THD 7 A corrente de entrada pulsante tamb m exige um maior capacitor de desacoplamento na entrada em paralelo com o painel como mostrou a Tabela 4 7 Figura 5 16 Resultados experimentais em stand alone com inversor boost Fonte Galotto Junior 2011 5 6 RESULTADOS DO INVERSOR BOOST TRI STATE O inversor boost tri state superou o problema de distor o harm nica do conversor anterior THD 4 8 em troca de uma chave adicional Na Figura 5 17 tamb m est o apresentadas a corrente do indutor que oscila de acordo com a pot ncia pulsante na sa da e a corrente da entrada que se torna descont nua na frequ ncia de chaveamento Figura 5 17 Resultados experimentais em stand alone com inversor boost tri state
122. mpara o quantitativa entre as topologias avaliadas Topologia inversores Convencional Boost Boost Tri State Buck Boost Buck Boost Tri State Chaves My np Ela 5 Diodos ojl ojl oj 0 Indutores Le Lp p O p ee f p ee p O p p p pa Lo ojl ojl oj 0 incluindo diodos em anti paralelo ou diodos s rie Total Ind NINI NI dy O Capacitores Cec Ca Total Co ph O p p f p ee Ol ol ojl oj NINI NI NIN A Tabela 4 7 mostra os resultados dos dimensionamentos dos componentes passivos utilizando as metodologias descritas Topologia inversores Convencional Boost Boost Tri State Buck Boost Buck Boost Tri State Tabela 4 7 Dimensionamento dos componentes passivos Lg 2 5 A CA 2 1 mH 2 1 mH 2 1 mH 2 1 mH 2 1 mH Indutores Ly CC 475 UH Impp 100 WH 2xImpp 20 mH 2x1 pp 100 WH 2xImpp 20 mH xl pp Ly 2 5 A CA 2 1 mH Capacitores Co Coc Ca 127 VCA 400V 50V CC 1 3 uF 450 uF 8 8 uF 1 5 mF 4 1 8 8 uF 10 uF 8 8 uF E 1 5 mF 4 1 8 8 uF 10 uF CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 106 A Figura 4 46 mostra um desenho em escala dos componentes passivos dimensionados para os circuitos de pot ncia dos dois conversores de modo a facilitar a compara o entre os dois conversores O conversor convencional apresenta um n mero maior de componentes enquanto o boost tri state e o buck boost
123. ncia de conex o do inversor Enquanto a carga local de 300 W puramente resistiva com tens o nominal de 127 V O Inversor foi considerado como uma fonte de tens o ideal pois neste momento os algoritmos anti ilhamento ser o avaliados de forma independente da topologia do conversor Figura 3 6 Diagrama unifilar do circuito de testes utilizado Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE 48 A Figura 3 7 mostra como este circuito foi implementado em Simulink para realizar as simula es Observa se que o efeito de chaveamento do conversor n o foi considerado e os resultados apresentados s o relativos ao modelo m dio do conversor com o objetivo de impor independ ncia para os m todos em rela o topologia do mesmo Figura 3 7 Modelo do circuito de conex o em Simulink Fonte Galotto Junior 2011 3 4 1 Simula es para o sincronismo O teste principal foi realizado para inje o de pot ncia constante a partir de um PLL O PLL determina a frequ ncia e a fase da tens o da rede e o algoritmo produz uma refer ncia de corrente sincronizada com esta tens o para que haja somente inje o de pot ncia ativa A malha interna se encarrega do rastreamento da corrente O modelo apresentado na Figura 3 8 representa a estrat gia mais comum em Inversores para a transfer ncia de pot ncia ativa para a rede 38 que pelo controle direto da corrente Outras estrat gias seriam pe
124. ndente da pot ncia de opera o do inversor CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 128 5 8 CONCLUS O Este cap tulo apresentou os principais resultados experimentais obtidos juntamente com o prot tipo elaborado para este trabalho Foram avaliados separadamente o algoritmo de MPPT de conex o com a rede e anti ilhamento a inje o de pot ncia na rede e o desacoplamento indutivo de pot ncia Todos estes m todos tamb m foram avaliados operando simultaneamente no conversor completo de modo a rastrear a m xima pot ncia do painel injeta la na rede e realizar a conex o e desconex o automaticamente O maior enfoque foi dado ao conversor buck boost tri state devido ao seu baixo THD que permitiu melhores resultados Foram apresentados os esfor os de tens o e corrente sobre os semicondutores as formas de onda de tens o e de corrente com conex o rede e demonstrado o desacoplamento de pot ncia indutivo A combina o adequada de semicondutores possibilitou uma estrutura com efici ncia acima de 80 Esta efici ncia ainda n o atingiu a efici ncia esperada comparando com o conversor convencional de dois est gios No entanto o prot tipo apresentou fontes de perdas extras como rel s e jumper que foram adicionados com fins acad micos que n o apareceram em um produto final aumentando a sua efici ncia na pr tica Os semicondutores mais caros e o volume do indutor necess rio s o as maiores desvantagens do conversor
125. nr p ZOA cam o i za Jea St Lon baat LE an Nha Z T To 07 SAL o ofa oggr oz suyooep fa a Hr It Es T e z F E Sr 64 a2 zo me z ru BI Icy s L AL KA l Noo INO ain Fa fes HE Elia H St ley ence E rpa ST 24 z v omy yomny tH ta H a S INOO INOO INOD Fl od 0 9y sir swyoosr os sepezqug i La tha tha UI Led comp zomg 10mg 5 TE a SEEN s 20 oN z ugOL 4 vo DON zon cant a 1 Loa tant LP SOATIQ 789 ap ogTNDITO opdPTNPOW ep OgTNDITO 99A sin 2011 n1or Galotto Ju Fonte AP NDICE D PROT TIPO Figura D 2 Layout da placa do prot tipo 149 Fonte Galotto Junior 2011 A seguir est apresentado o c digo do arquivo PLD editado no software WinCupl da Atmel para a grava o do GAL 16V8 Name TriStateMod PartNo 01 Date 02 11 2011 Revision 02 Designer Luigi Company BATLAB Assembly None Location UNESP Device gl v a PIN2 A Pulso referente a modulacao de D PIN3 Ad D atrasado PIN 4 B Pulso referente a modulacao de D2 PIN 5 Bd D2 atrasado PIN 6 C Pulso de Polaridade PIN7 K Pulso indicador de topologia PIN8 Cd C atrasado g PIN 19 S4 S4 PIN 18 S3 S3 PIN 17 S2 S2 PIN 16 S1 SI AP NDICE D PROT TIPO 150 PIN 15 Saux Saux S1 C Cd S2 C amp K amp A Ad C amp K amp B amp Bd IC amp A amp Bd S3 C Cd S4 C amp A amp Bd
126. nte tamb m aproximadamente igual de modo que o indutor do filtro pode ser igual ao indutor projetado para a conex o com a rede na Tabela 3 2 4 3 5 Avalia o da efici ncia Para realizar a avalia o da efici ncia do conversor preciso identificar os valores m dios e eficazes das correntes em todos os semicondutores e elementos resistivos do circuito Al m disto os esfor os nos semicondutores tamb m s o necess rios para determinar os componentes a serem utilizados No primeiro est gio boost a chave deve suportar a tens o Vcc a corrente m dia em 4 11 e a corrente eficaz em 4 12 fo da PRE O 4 11 Ip pp ND 4 12 CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 78 O diodo s rie tamb m dever suportar a tens o reversa que a maxima Vcc a corrente m dia em 4 13 e a corrente eficaz em 4 14 In Inpp 1 D 4 13 Ip Imp V1 D 4 14 No inversor as chaves e os diodos anti paralelo devem suportar tens o Vcc Considerando o ripple de corrente desprez vel em rela o corrente alternada a corrente de pico nas chaves ser o pico da corrente do indutor de sa da z calculado pela express o 4 15 obtida a partir do c lculo da corrente necess ria no indutor para manter a tens o do capacitor regulada com carga resistiva pico __ o RoCo 1 4 15 Esta corrente permite identificar os valores m dios sobre as chaves do inversor como O I Lo R mostra a Figura 4
127. o a metodologia apresentada suficiente para auxiliar na escolha do MPPT indicado a cada aplica o Geralmente a melhoria do fator de rastreamento implica no aumento do n mero de sensores ou no aumento da complexidade de implementa o Os m todos dependentes dos par metros do painel podem ser mais adequados aos inversores de m dulos CA onde o inversor est dedicado a um painel espec fico Para estes m todos a mudan a das caracter sticas do painel seja por troca por envelhecimento ou por desgaste implicar na redu o do desempenho Os m todos de oscila o e tens o constante 37 CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT apresentam bons resultados de rastreamento utilizando somente o sensor de tens o e podem ser implementados em circuito anal gico Se o numero de sensores n o for limitante no projeto o m todo de correla o do ripple bastante satisfat rio quanto ao rastreamento e ainda garante boa independ ncia em rela o aos par metros dos pain is 38 CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O A REDE 3 0PERA O COM CONEX O REDE DE CA A utiliza o das c lulas fotovoltaicas desconectadas da rede el trica de distribui o convencional em CA foram as primeiras a serem aplicadas considerando a possibilidade de gera o de energia em locais remotos ou desprovidos de conex o com o sistema de distribui o em CA No entanto o custo da instala o elevado sendo que um dos fatores que impactam
128. o sendo os mais simples os passivos baseados na verifica o da regula o de tens o e de frequ ncia atuando no case de diverg ncias acima do esperado Contudo os passivos n o garantem que o ilhamento seja detectado em condi es de equil brio de carga resultando na necessidade de m todos ativos Os m todos ativos s o mais r pidos por m mais complexos e atuam gerando pequenos dist rbios na rede el trica Quanto mais r pido geralmente maior o dist rbio gerado H ainda outros m todos baseados em protocolos de comunica o em fun o de ocorr ncias de falhas em dispositivos da rede que n o ser o detalhados neste trabalho uma vez que os mesmos n o s o aplic veis para baixas pot ncias por restri es atuais de custos Os principais m todos de anti ilhamento ser o detalhados no cap tulo 3 deste trabalho que trata da conex o com a rede CAP TULO 1 INTRODU O 1 2 3 Controle e Prote es O maior desafio para os circuitos de controle est nas elevadas frequ ncias e elevados ganhos exigidos para os mesmos dificultando a implementa o na forma digital 5 Malhas feedfoward podem ser utilizadas como uma solu o para alcan ar alta rejei o de dist rbio com malhas realimentadas feedback ajustadas apenas para o rastreamento nas frequ ncias desejadas e com menores ganhos Elas tamb m propiciam o desempenho constante independente das n o linearidades do circuito em diferentes pontos de op
129. o atual brasileiro que apenas de abastecimento Neste contexto os pain is e os conversores eletr nicos poder o ser de propriedade e controle da concession ria do consumidor ou compartilhada havendo m ltiplas alternativas t cnicas e econ micas que dependem atualmente de legisla es e incentivos existentes CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE 40 Neste trabalho alternativas t cnicas s o propostas de forma que possam reduzir custos e maximizar o desempenho aumentando o interesse a atratividade e acelerando este processo de implanta o de sistemas de gera o fotovoltaica Certamente o estudo da gera o fotovoltaica com rastreamento do ponto timo de pot ncia tamb m precisa ser complementado com as t cnicas de conex o com a rede el trica Nestes requisitos est o inclu das a efici ncia a seguran a e a estabilidade em opera o normal e em condi es de conting ncia da rede com energiza es parciais e isoladas conhecidas como ilhamento 30 3 2 SINCRONISMO Durante a evolu o das redes el tricas de distribui o a corrente alternada foi escolhida pela grande flexibilidade na eleva o e redu o de tens o com seguran a pela isola o galv nica e robustez dos transformadores Para as m quinas rotativas a corrente alternada a mais usual seja em geradores ou motores que por sua natureza e funcionando em CA podem trabalhar com relativa facilidade em sincronismo e paralelismo com
130. o do conversor Trabalhos futuros poder o se beneficiar deste mesmo prot tipo permitindo a avalia o mais detalhadas destas topologias integradas baseadas em CSI e at mesmo para topologias com isola o galv nica A evolu o dos semicondutores adequados aos inversores de corrente deve ser acompanhada uma vez que ela est diretamente relacionada viabilidade t cnica e econ mica destes conversores Os Inversores VSI possuem vastas aplica es em todo o mundo e diversos m dulos e semicondutores otimizados para a sua utiliza o podem ser facilmente encontrados no mercado Do mesmo modo se houver um aumento da disponibilidade e qualidade dos componentes para CSI h boas chances destes inversores se tornarem mais competitivos com os tradicionais VSI em diversas aplica es REFER NCIAS 132 7 REFERENCIAS PA KJAER S B PEDERSEN J K BLAABJERG F A review of single phase grid connected inverters for photovoltaic modules IEEE Transactions on Industry Applications New York v 41 n 5 p 1292 1306 September October 2005 2 JAIN S AGARWAL V Comparison of the performance of maximum power point tracking schemes applied to single stage grid connected photovoltaic systems IET Electric Power Applications Stevenage v 1 n 5 p 753 762 2007 3 D SOUZA N S LOPES L A C LIU X Comparative sudy of variable size perturbation and observation maximum power point trackers for PV systems Electrical
131. o entre a tens o da rede e a tens o do conversor Buck Boost Tri State antes da conex o No gr fico da esquerda as tens es est o sobrepostas o que mostra a precis o do algoritmo de PLL utilizado e a prepara o do conversor para realizar a conex o ou a re conex o ap s o seu funcionamento Figura 5 12 Sincronismo entre a tens o de sa da e a tens o da rede antes da conex o A gt nine MAMA VV VV VV VV HH mi 1 ay ry mii LT Vf HAY NE Ve A UN A AL Af Cura MATH V VV y V VV CAT 5 CUED IAVADAS V V U J y V V V Fonte Galotto Junior 2011 A Figura 5 13 mostra os resultados de opera o em conex o com a rede el trica Neste modo de opera o o sinal sincronizado produzido com o PLL fornece a refer ncia de corrente senoidal para a inje o na rede Simultaneamente o conversor permanece alimentando uma carga apenas para a verifica o experimental asssm como ilustrado no CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 119 esquem tico da Figura 4 40 A ponteira de corrente da rede foi alocada de modo que Invertesse em rela o a tens o caso esta estivesse sendo retornada para a rede Do mesmo modo ocorre com a corrente da carga que est drenando pot ncia do conversor A corrente de sa da do conversor a soma das duas correntes Figura 5 13 Opera o com conex o rede do inversor Buck Boost Tri State Gre APIA AA NDN A nf A 4 l UV WWW VVVVAL Fonte Galotto Jun
132. o ilhamento ocorre quando h o equil brio entre a gera o e o consumo Nestes casos os m todos passivos n o s o capazes de detectar a situa o no tempo esperado 3 3 2 M todos passivos locais Os m todos passivos 32 consistem na opera o semelhante s prote es convencionais O sistema pode ser desligado a partir da ocorr ncia de sobre sub tens o 35 sobre sub frequ ncia pela imped ncia 36 e mesmo por distor es harm nicas THD Total Harmonic Distortion Em resumo estes m todos est o caracterizados pela observa o de condi es inadequadas na rede sem realizar interfer ncias na rede S o simples e de baixo custo mas pelas limita es t cnicas citadas anteriormente algumas normas t cnicas n o s o atendidas como a IEEE 1547 2003 37 que estipula um atraso m ximo de 2 segundos para a desconex o de todos os geradores fotovoltaicos na ocorr ncia de ilhamento Portanto nestes casos s o utilizados os m todos ativos que modificam a forma com que o Inversor se conecta na rede el trica 3 3 3 M todos Ativos Os m todos ativos atuam diretamente na forma de onda gerada pelo inversor conectado rede Existem diversos m todos ativos de detec o de ilhamento mas alguns s o derivados de outros e neste trabalho ser o enfatizados os principais entre eles inje o de reativo deslocamento de fase ou frequ ncia e medi o de imped ncia O m todo da inje o de reativo dificulta a poss
133. o painel para realizar uma corre o na refer ncia de tens o Vpy 29 elevando o desempenho do rastreamento 2 2 3 Escalada Hill Climbing ou P amp O Este provavelmente o m todo mais conhecido na literatura 3 tamb m conhecido como Perturba o e Observa o Ele consiste na busca do ponto m ximo de pot ncia atrav s das derivadas da pot ncia e da tens o o que deu origem ao nome desta t cnica A sua l gica de funcionamento pode ser resumida na Tabela 2 1 Tabela 2 1 L gica do algoritmo de escalada dP UV apd oe Va Sentido da corrente d dt dt e Aumenta Aumenta a Diminui Diminui Uma vez que o sentido para a varia o da corrente conhecido a corrente variada a uma taxa constante Esta taxa um par metro que deve ser ajustado para possibilitar o balan o entre a resposta mais r pida com a menor oscila o em regime permanente Quando este passo vari vel o m todo chamado de escalada modificada onde pode ser alcan ada uma resposta r pida e com pouca oscila o A Figura 2 2 mostra o modelo deste m todo que necessita das leituras da tens o e da corrente do painel indicadas como entradas do modelo Com eles s o calculadas as derivadas de tens o e de pot ncia utilizando um bloco de derivada discreta diferen a e em seguida calculado o produto dos sinais da derivada que fornece a l gica negada apresentada na Tabela 2 1 O sinal negativo do passo corrige o sentido
134. obre ABB Gm Area da Janela 1875 mm ok 4802 mm2 Imagem em perspectiva dos n cleos 4 4 3 Dimensionamento da Capacit ncia de sa da O dimensionamento da capacit ncia de sa da deve ser feito de acordo com o circuito da Figura 4 24 O objetivo do capacitor eliminar o ripple da tens o de sa da e deve ser o menor poss vel Figura 4 24 Modelo m dio do CSI Ics lp D2 lo Co oJ Fonte Galotto Junior 2011 CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 85 Considerando a corrente de sa da como um dist rbio o capacitor deve filtrar apenas o ripple da frequ ncia de chaveamento da corrente de sa da do inversor de corrente Para isto analisando pela resposta em frequ ncia do capacitor deve ser garantida que a frequ ncia da corrente seja atenuada pelo capacitor observando a tens o Desta forma a frequ ncia de cruzamento deve ser menor que a frequ ncia de chaveamento resultando em 4 22 1 Co d 21 fs 4 22 Para fs 18 kHz em 4 22 C gt 8 8 UF Para fs 30kHz ent o C gt 5 uF Diferente da capacit ncia de sa da do VSI esperado que este seja um pouco maior para filtrar a sua corrente de carga que descont nua 4 4 4 Ganho est tico m ximo Baseado nas equa es de estado deste conversor o ganho est tico m ximo para sa da cont nua corresponde a 4 23 Vo _ D Ro 4 23 Quando D gt 1 D tem se o ganho est tico do buck boost convencional Para a oper
135. ompido Mas com a presen a de GD na rede as cargas podem continuar sendo abastecidas por estes geradores secund rios formando ilhas de fra es da rede el trica energizadas por m isoladas do sistema el trico principal A princ pio do ponto de vista da confiabilidade e continuidade do abastecimento a opera o do sistema el trico em ilhas ben fico Por m os sistemas CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE el tricos contempor neos bem como o pessoal respons vel pela sua opera o e manuten o n o est o preparados para este modo de funcionamento e a norma IEEE 929 1988 31 exige a desconex o dos GD na ocorr ncia de falhas da rede O ilhamento poderia levar a varios problemas tais como e Amea a seguran a dos t cnicos pela dificuldade na identifica o das linhas energizadas e A tens o e a frequ ncia podem n o se manter dentro dos n veis tolerados e O aterramento do GD pode n o ser adequado para o sistema ilhado e Os religadores autom ticos poderiam fechar fora de fase levando a potenciais danos a equipamentos da rede e dos consumidores Por estas raz es h diversos algoritmos elaborados para detectar o ilhamento desconectando a GD da rede em CA e ou desligando completamente o sistema de GD para atender requisitos de seguran a e normas espec ficas A extin o r pida do ilhamento a solu o de curto prazo para os problemas mencionados Evidentemente h alternativas
136. oncaniees 97 Figura 4 39 Controle de pot ncia em fun o da tens o do link CC para conversor de 2 C rc aes epee sada cae eles sec ae Ss leper ngs og ae em te mean nents 98 Figura 4 40 Esquema de controle do inversor integrado buck boost tri state 99 Figura 4 41 Controle de pot ncia em fun o da corrente do indutor para o Inversor integrado Buck DOOSt ri Si E uns passas gs aE 100 Figura 4 42 Detalhe do desacoplamento de pot ncias atrav s do indutor para o inversor integrado Buck boost tri state scic lt csanssseraccassanssosncredaonscasedsuetansneseooeasenadnentcamateauseeacoiazeonsas 101 Figura 4 43 Corrente injetada x10 na rede para os conversores avaliados 102 Figura 4 44 Correntes na sa da do painel PV e no indutor L para as estruturas analisadas 103 Figura 4 45 Compara o entre a melhor efici ncia estimada para cada conversor 104 Figura 4 46 Ilustra o dos componentes dimensionados em escala 106 Figura 5 1 Bancada de ensaios Oscilosc pio e Simulador de array solar esquerda o prot tipo ao centro e computador com a placa de controle direita 109 Figura 5 2 Diagrama el trico da bancada de CnSai0S ccscccccessneceeceeseeeeeseneaeeceesaeeceeeeaaeees 110 Figura 5 3 Detalhe da placa do POL OU Osa ites ps apra ia ei aii 111 Figura 5 4 Painel do prot tipo com a tampa sessisiaissisibeavilizgb
137. ontrole em modo corrente a sa da CA e a entrada CC n o s o compat veis e todas as grandezas de sa da precisam ser convertidas para controlar o sistema como se fosse um conversor CC CC Este procedimento provoca distor es no cruzamento por zero da tens o de sa da quando da invers o de polaridade Realizar a modula o de Tr s Estados Tri State melhora a din mica do circuito 53 e possibilita o controle CA em modo tens o eliminando o problema no cruzamento por zero Al m disto a possibilidade de realizar o desacoplamento de pot ncia ativa semelhante aos conversores convencionais de dois est gios outra caracter stica que normalmente n o tem sido explorada na literatura especializada A desvantagem em utilizar a modula o tri state est no fato de n o encontrar m dulos prontos que facilitem a sua implementa o e na redu o da faixa de raz o c clica para o controle 4 3 PROJETO DO CONVERSOR CONVENCIONAL Antes de iniciar o projeto dos principais conversores integrados importante apresentar o projeto para o conversor convencional como refer ncia comparativa Este conversor pode ser dividido em duas partes por possuir dois est gios independentes o projeto do conversor CC CC e o projeto do inversor VSI O circuito de pot ncia completo deste conversor est apresentado na Figura 4 14 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES Figura 4 14 Circuito de pot ncia completo do conversor convencional proje
138. or caso de opera o para a efici ncia desta estrutura Para melhorar a efici ncia em diferentes pontos de opera o poss vel ajustar a corrente do indutor para variar em fun o da corrente necess ria na sa da Neste caso a Figura 4 36 mostra a nova efici ncia estimada para o conversor em fun o da carga Figura 4 36 Curvas de efici ncia do buck boost tri state com 1 vari vel em fun o da carga 100 PEGO O GO GO S GE 7OCOOCOCOCCCOOCOOCANA fic ee ed IPI DOSGSS S CS SC SG OL hoe imo ce ce no eae a ARE a RR AA r COBREM nn anna rt ne feceeresewsenseltPinmnearsnegastarritrittisssseesesssnseaeaes 70 hie Tee al 60 50 ai e IGBT IRG4PC30U Diodo MUR840 e RB IGBT IXRH 50N60 e MOSFET IRF740 Rds on 0 5 Diodo MUR840 40 MOSFET SIHP22N60S Rds on 0 16 Diodo MUR840 pin MOSFET STW34NB20 Rds on 0 075 Diodo MUR840 MOSFET STW34NB20 Rds on 0 075 Diodo Schottky MBR20200CT 30 50 100 150 200 250 300 Po W Fonte Galotto Junior 2011 O RB IGBT possui a grande vantagem de reduzir o n mero de componentes do circuito uma vez que o diodo s rie est encapsulado Entretanto os modelos atualmente dispon veis n o permitem alta frequ ncia de chaveamento e s s o encontrados para tens es de 600 a 1200 V Ao surgirem novas gera es de RB IGBTs para alta frequ ncia e otimizados para tens es em
139. osta em frequ ncia de Lo discretizado 40 20 Mag dB 20 F ee 40 60 F 10 10 10 100 ioe 120 Fase 140 160 OO E 3 4 5 10 10 10 10 Freq rad s Fonte Galotto Junior 2011 CAPITULO 3 OPERA O COM CONEX O A REDE 57 3 5 2 Dimensionamento do indutor de conex o Uma vez determinada a indut ncia o dimensionamento do indutor requer tamb m a informa o da corrente para determinar o condutor e o n cleo que est relacionado com a pot ncia a ser transmitida durante a conex o A corrente eficaz injetada utilizada para dimensionar o condutor dada por 3 6 P eficaz eficaz _ g l f Vara 3 6 Onde P a pot ncia ativa eficaz injetada na rede e g p J Vo a tens o eficaz de sa da do conversor Este condutor n o necessita de fio Litz pois opera na frequ ncia da rede As especifica es de projeto necess rias na aplica o deste trabalho s o e Sa da 127 V 60 Hz 300 W de pico e Frequ ncia de amostragem do controle 15 kHz e Frequ ncia de chaveamento 15 kHz Utilizando a equa o 3 5 relacionado ao projeto em fun o da discretiza o o valor da indut ncia determinado pela frequ ncia de Nyq
140. para o conversor convencional de dois est gios Tens o da rede Vo e tens o de sa da Vo 200 a anaona annotata AER VTA v 200 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 12 1 4 1 6 1 8 Pot ncia do painel iP sg e pot ncia eficaz de saida P 300 Mais incid ncia M nos incid ncia Falha da Rede Retorno da Rede Tempo s Fonte Galotto Junior 2011 Em 1 segundo ocorre a falha da rede que detectada pelo algoritmo anti islanding adotada a combina o de SMS e passivos e a conex o interrompida Um rel aberto e o CAPITULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 98 Inversor permanece funcionando para aguardar o retorno da rede ou pode ser desligado A satura o da tens o do link CC em 300 V neste per odo reflete que a energia do painel maior do que a demandada pela carga A rede el trica restaurada em 1 25 segundos e o Inversor inicia novamente o sincronismo Ap s sincronizar e o sinal de falha do anti islanding for desligado o inversor se conecta novamente de modo autom tico Neste momento a energia injetada na rede momentaneamente maior do que a dispon vel para descarregar a energia excedente do painel que ficou armazenada no link CC A Figura 4 39 mostra o detalhe do
141. ple correlation control IEEE Transactions on Power Electronics New York v 21 n 5 p 1282 1291 sept 2006 ISSN 0885 8993 SOLODOVNIK E V LIU S DOUGAL R A Power controller design for maximum power tracking in solar installations IEEE Transactions on Power Electronics New York v 19 n 5 p 1295 1304 sept 2004 ISSN 0885 8993 KWASINSKI A KREIN P T Multiple mput dc dc converters to enhance local availability in grids using distributed generation resources In APPLIED POWER ELECTRONICS CONFERENCE APEC 20 2007 Anaheim Annual Anaheim IEEE 2007 p 1657 1663 ISSN 1048 2334 MARTINEZ A I CALLEJA H A simple high quality output PV system aimed at peak demand reduction In CIEP 2000 Acapulco Conference Acapulco CIEP 2000 p 301 306 M C M C M D Modelo de arranjo fotovoltaico destinado a an lises em eletr nica 134 REFER NCIAS 135 de pot ncia via simula o Eletr nica de Pot ncia Florian polis v 13 n 1 p 3 Agosto 2008 28 BRITO M A G D et al Main maximum power point tracking strategies intended for photovoltaics In BRAZILIAN POWER ELECTRONICS CONFERENCE COBEP 11 2011 Natal Conference Natal s n 2011 p 1 8 29 COELHO R F CONCER F M MARTINS D C A MPPT approach based on temperature measurements applied in PV systems In INDUSTRY APPLICATIONS INDUSCON 9 2010 S o Paulo Conference S o Paulo IEEE 2010 p 1 6 ISSN
142. r buck boost eee eeesseeceeseeeeeeeseneeceseeeeeeeeeneees 140 Figura A 5 Modelo em Simulink do inversor buck boost tri state cssssi iii 141 Figura D 1 Esquematico da placa do protou pO sconcdatecesasceeanatvesboccnadeeseetavaessdetatiuaedeasasbeamooisedeacess 148 Fig ra D 2 Layout da placa do Prot UpO asas sos senai a OS idea ed 149 LISTA DE TABELAS N mero P gina Tabela 2 1 L gica do algoritmo de escalada su asiasasaisa srcrasoeitenpivaiadensseescaneldursineleeenaiieessacianes 27 Tabela 2 2 L gica do algoritmo USCS Cal ag a sss concccssssusasoactnanceaeecanpniatasnasnstecansesgasdsaioncusanvaoeoteuaieces 28 Tabela 2 3 Especifica es do painel escolhido para as simula es 32 Tabela 2 4 Par metros do conversor boost utilizado para simula o ce eeeesseeeeeeeeeetteeeees 33 Tabela 2 5 Compara o geral dos m todos de MPPT e ereeeeeeeereereenees u Tabela 3 1 Compara o entre os m todos de detec o de ilhamento com equil brio de carga 53 Tabela 3 2 Tabela de exemplos de indutores f sicos para a conex o com a rede el trica 58 Tabela 4 1 Tabela de exemplos de indutores f sicos para o boost no conversor convencional 76 Tabela do Equa es de c lculo da ChGICNCIA sssssucdnsarstuntarnstacuengapendhanaadadueaninescsarssanecteeteeanbuoearhius 19 Tabela 4 3 Tabela de exemplos de indutores f sicos para indutor L do buck boost tri state 84 Tabela 4
143. ra es fotovoltaicas as filosofias Iniciais as quais consistiam na instala o de grandes Arrays associa es s rie e paralelo de pain is solares utilizando um nico conversor centralizado cariam em desuso devido baixa efici ncia e impossibilidade de operar todos os pain is simultaneamente no ponto de m xima pot ncia MPP Ao mesmo tempo esta estrat gia n o permitia a instala o gradativa de pain is exigindo um alto investimento inicial Estes s o alguns dos motivos que levam a pesquisas mais recentes com conversor dedicado ao painel que possa at ser integrado e comercializado como um nico equipamento denominado de M dulo CA fotovoltaico Estes m dulos seriam pain is fotovoltaicos prontos para a conex o rede com conversor que explore melhor o MPP permitindo a modularidade a confiabilidade e a facilidade da instala o Por seguran a o conversor tamb m precisa se desconectar da rede automaticamente na presen a de falhas para evitar a ocorr ncia do fen meno conhecido como ilhamento A dificuldade de constru o destes m dulos CA se concentra fundamentalmente do desenvolvimento do conversor de eletr nica de pot ncia tamb m denominado de microinversor por trabalhar em pot ncias de at 300 W compat vel com a pot ncia m xima de pain is fotovoltaicos comerciais Para atender a esta aplica o o conversor requer diversas caracter sticas entre as principais est o baixo custo alto rendimento e
144. ra o aumentando ou diminuindo Figura 3 3 Modelo do m todo AFD para detec o de ilhamento f PLL Rampa de controle Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE 46 Figura 3 4 Modelo do m todo SMS para detec o de ilhamento og tt Fonte Galotto Junior 2011 No m todo da medi o de imped ncia s o introduzidas varia es na corrente injetada de modo a observar o efeito na tens o Sua Implementa o pode ser feita adicionando o sinal de frequ ncia diferente da nominal da rede na refer ncia de controle da corrente A corrente na frequ ncia mais alta injetada continuamente e em condi es de falta o efeito da inje o desta corrente amplificado e pode ser observado na tens o de sa da Figura 3 5 Modelo do m todo de imped ncia para detec o de ilhamento ly Modificado gt Sinal de maior frequencia y Aa Verifica o Da Falha Fonte Galotto Junior 2011 Estes m todos s o mais r pidos e seguros para detec o da condi o de ilhamento A principal desvantagem est nos dist rbios que provocam na rede em alguns casos inaceit veis Outro problema pode estar na redu o de pot ncia ativa disponibilizada pelo conversor que precisa ocupar parte da sua capacidade para a inje o dos sinais na rede 3 3 4 M todo remoto Os m todos remotos 34 s o os mais eficientes na detec o do ilhamento Um sinal de
145. roda livre do indutor As correntes de roda livre s o complementares corrente do instante de transfer ncia de energia pelo pr prio equacionamento do conversor Portanto elas podem ser consideradas constantes em valores m dios nesta topologia como ilustrado na Figura 4 31 Exceto pelas correntes nas chaves de alta frequ ncia que apresentam formatos que s o uma soma de componentes senoidais Figura 4 31 Correntes m dias totais na frequ ncia de chaveamento do buck boost tri state ILp 1 D1 Iso Fonte Galotto Junior 2011 Como visto anteriormente o valor de depende do projeto e deve ser maior do que o valor de pico da corrente demandada na sa da vezes D2 Isto porque a corrente ir obedecer 4 24 A corrente de entrada do CSI J7y D7 Se Ly for dimensionado adequadamente Iz pode ser considerado aproximadamente constante Assim as correntes m dias calculadas na frequ ncia da rede para as chaves S1 S3 e Sp podem ser diretamente determinadas Aparentemente as correntes m dias de Sz e S4 s o mais dif ceis de calcular mas a m dia em baixa frequ ncia tamb m ser um valor constante e igual aos valores das chaves S e S3 como mostra a Figura 4 32 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 92 Figura 4 32 Correntes m dias totais do buck boost tri state lte 1 D 2 tb 1 Ds Fonte Galotto Junior 2011 Deste ponto de vista as perdas no conversor se tornam independentes da
146. s 109 PROTOTIPO DE AV ALIACAO su esuiio socstoedeaceidestsdacsincoeieotant ons asas bos baN lanEna a a eria ireas ospi a a aoii 109 CIRCUITO DE MODULA O E E RED PAD E E A E SP 112 MODELO DE CONTROLE NO DSPACE exasssuisasanstesancaia so sdoes conndosrandsaobionGaaaicn sa bd cine idnen as alas ado lindo sssidaG ass lnagos 116 RESULTADOS INDIVIDUAIS DOS ALGORITMOS ccccccssscccsssccesssceesccceessceesscessscecesscseussseusesceesseusesceees 117 Pe AOS do MPE sons ES EEIEIE E ENEA etna sends na nasi oman EN 117 Coco com Cara ri EEE ean acted ef asses dm S 118 PVT ae SMS o 119 RESULTADOS DO INVERSOR BOOST ccccccsscccscccccsssccsssccsscceesssceescceeesscessceesscesesssseeesseesssceeesscesesceees 121 RESULTADOS DO INVERSOR BOOST TRI STATE cccccccssseccecesscccceescccecesseccessscccesessecceeessseceenseseeseeeceees 121 RESULTADOS DO INVERSOR BUCK BOOST TRI STATE cssssssscccesssssseceeceecsssseececeesssessaeeeeeeseesenaeeeees 122 Desacoplamento CEDO NELA sssini IO CEGO rte lata DL Oi 122 Rampa de partida do CONVCTS OT vwsnsnsssesnaricecnssnasninsasioenshvesanawasstnedeatuwsenasisindasiniuasuaiwessdndnanddaanndiadsaisansias 124 ES orcos MONS NC ONION sists siesta whic EEE NEEE a pisada codes dese E e 124 Lfe nen COC INC HIO de PONCIO rreren reni Das Dea a dn 127 CONCEUS O uu cora ae sae co as aunt naa ro hoc oc E a ai io e ni 128 CONCLUSOESCERAIS quado nO ni rs oebe 129 REFERENCIA S ceran aa E ANRE S 132 AP NDICE A M
147. s n 2011 152 f il Tese doutorado Universidade Estadual Paulista Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira rea de Conhecimento Automa o 2011 Orientador Carlos Alberto Canesin Inclui bibliografia 1 Gera o fotovoltaica 2 Conex o rede 3 Conversor integrado 4 Rastreamento do ponto de m xima pot ncia 5 Anti ilhamento 6 Modula o tr s estados 7 Desacoplamento de pot ncia unesp UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA CERTIFICADO DE APROVA O T TULO Inversores Inlegrados Monof sicos Aplicados em Sistemas Fotovoltaicos com Conex o Rede de Distribui o de Energia El trica AUTOR LUIGI GALOTTO JUNIOR ORIENTADOR Prof Dr CARLOS ALBERTO CANESIN Aprovado como parle das exig ncias para obten o do Titulo de DOUTOR EM ENGENHARIA ELETRICA Area MITOMA O pala Comiss o Examinadora FALUDNDES JOSEMI IES DE SEIXAS Depariamento oe Engenharia Fletrica Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Polis tn Prof Dr lidas E AZEVEDO E MELO Depariamento de Engenharia El trica Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Data da realiza o 12 de dezembro de 2011 RESUMO Este trabalho consiste no desenvolvimento e avalia o de conversores eletr nicos de pot ncia para utiliza o de pain is fotovoltaicos com conex o rede de distribui o de energia el trica em corrente alternada No cen rio de ge
148. s para a comercializa o primeiramente no Brasil Os resultados de simula o destes algoritmos foram levantados para uma situa o espec fica podendo variar com o tipo de carga topologias ou par metros dos circuitos Assim prov vel que haja mudan as nos resultados para diferentes casos Por m as condi es de simula o foram mantidas iguais para possibilitar a compara o entre os m todos sendo poss vel uma avalia o da qualidade dos m todos Os resultados apresentados em outros trabalhos conforme refer ncias bibliogr ficas tamb m est o coerentes com os levantados CAP TULO 6 CONCLUS ES 130 Em resumo o m todo B de MPPT foi o mais simples e eficiente observado Para os m todos anti ilhamento o m todo de inje o de reativo foi o mais r pido por m altamente invasivo ao sistema por for ar o reativo na rede Buscando pelo m todo eficaz e menos invasivo o SMS uma boa alternativa Vale ressaltar que as condi es de equil brio de carga consideradas s o muito dif ceis de ocorrerem na pr tica e mesmo que ocorram a carga e a pot ncia gerada variam constantemente Seria necess rio fazer um estudo estat stico para avaliar a possibilidade da ocorr ncia desta situa o Gra as a este fato os m todos passivos tamb m tendem a ser eficazes na pr tica e pela simplicidade poder o ser os mais adequados para aplica es de baixo custo A simula o conjunta de ambos os m todos MPPT e anti
149. semelhante ao m todo da oscila o do sistema Mas ao contr rio do m todo anterior o ripple de pot ncia tamb m utilizado Neste caso s o necess rios os sensores de tens o e de corrente O m todo relaciona a derivada da pot ncia durante o ripple de chaveamento do conversor com a derivada da corrente ou da tens o Inicialmente a oscila o de tens o ocorre defasada de 180 em rela o oscila o de pot ncia Ao ultrapassar a corrente do MPP ent o as oscila es de tens o e pot ncia ficam em fase No ponto de m xima pot ncia as oscila es de tens o e de pot ncia ficam defasadas de 90 e o seu produto igual a zero indicando o ponto de estabilidade do controle Existem algumas varia es para a implementa o deste m todo 23 mas um dos modos mais simples de acordo com o descrito est Ilustrado no diagrama de blocos da Figura 2 6 Figura 2 6 Modelo do m todo da correla o do ripple Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 2 ALGORITMOS DE MPPT 31 Este m todo geralmente descrito como o mais r pido possibilitando uma resposta pr xima frequ ncia de chaveamento Entretanto a diferen a de velocidade em rela o ao m todo de oscila o do sistema ou mesmo o m todo p pode n o ser significativa para muitas aplica es 2 3 MEDI ES DE DESEMPENHO Com o objetivo de comparar e adequar apropriadamente cada algoritmo de acordo com os prop sitos deste trabalho de tese torn
150. stant nea entre a entrada e a sa da seja compensada pela varia o de energia e tens o no link CC Ou seja a varia o de tens o est relacionada varia o de energia conforme 4 8 dc vo e Vec gt AE 4 8 Por sua vez a varia o de energia depende da varia o de pot ncia de sa da que vai do m nimo ao m ximo em 4 do per odo de 60 Hz a qual pode ser definida a partir de 4 9 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES eficaz age se 4 9 277 60 Unindo as duas equa es chega se a nova equa o 4 10 que permite o dimensionamento do capacitor de desacoplamento do link CC ppcHicaz io Lec ma L n O Vocmaxt ve min 10 60 4 10 Portanto este capacitor depende da pot ncia ativa eficaz de sa da e da varia o entre as tens es m xima e m nima toleradas A tens o m xima limitada pela capacidade dos semicondutores e a tens o m nima influencia na qualidade da modula o do inversor No entanto ainda preciso considerar uma margem de varia o para transit rios Para o projeto considerado neste trabalho a tens o m xima tolerada pelos componentes de 300 V mas em regime normal de opera o o capacitor ser dimensionado para que a tens o oscile entre 245 a 255 V Assim para a pot ncia m xima de projeto o capacitor m nimo dever ser Ccc 450 uF 4 3 4 Dimensionamento dos indutores no conversor convencional Neste conversor dois indutores devem ser dimensionados
151. tada a pot ncia ativa deve ser equilibrada simultaneamente com a pot ncia reativa diminuindo muito a probabilidade desta ocorr ncia CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE 50 Figura 3 9 Resultado para o m todo de inje o de reativo Tens o com inje o de reativo 250 200 Ros ff A A 150 N f w N i 100 gt g 50 100 150 j 4 Vo q u vie kA 200 250 0 9 0 95 1 05 1 1 1 15 tempo s Fonte Galotto Junior 2011 Para os m todos de deslocamento de fase a frequ ncia tamb m mostrada Na perda da conex o com a rede o m todo AFD conforme Figura 3 10 aumenta a frequ ncia da tens o Figura 3 10 Resultado para o m todo AFD Tens o com AFD 100 200 q e O l 0 9 0 95 65 i i a A TT 55 0 9 0 95 1 1 05 i 1 15 tempo s Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE 51 Para o m todo SMS a frequ ncia pode tanto aumentar ou diminuir De fato na frequ ncia da rede o conversor n o permanece est vel como se observa na Figura 3 11 Figura 3 11 Resultado para o m todo SMS Tens o com SMS 200 100 100 200 0 9 0 95 1 05 1 1 1 15
152. tado Ly Dp Fonte Galotto Junior 2011 4 3 1 Primeiro estagio Boost CC CC O primeiro est gio elevador necess rio porque o inversor VSI n o pode aumentar o n vel de tens o na sa da Para projetar este est gio necess rio primeiramente os n veis de tens o e corrente especificados Foi estipulada a pot ncia maxima de entrada de 300 W na tens o de 25 V para englobar a maioria dos pain is comerciais existente Neste caso o conversor precisar suportar 12 A na entrada e aplicar um ganho em torno de 8 vezes para que a tens o do link CC seja maior do que a tens o de pico para a sa da de 127 V eficaz Com este ganho a corrente m dia de sa da do est gio boost ser de 1 5 A Primeiro deve se escolher entre o modo de condu o cont nua ou descont nua A condu o cont nua geralmente escolhida para tornar o controle da tens o menos dependente da carga e para reduzir o ripple de corrente no indutor Para o modo de condu o cont nua o ganho te rico conhecido como 1 1 D 8 portanto d 0 875 para alcan ar este ganho em condi es ideais Pode ser obtido diretamente o indutor m nimo para que o boost se mantenha operando em CCM com a carga m nima a partir da equa o 4 2 como em 38 1 D D V ce L gt b 2fs Po 4 2 Com isso o indutor necess rio para carga m nima de 50 W operando em CCM seria 475 uH desprezando as perdas do conversor 72 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CO
153. tal sistema a necessidade de armazenagem de energia em baterias e seus circuitos de controle de carga Para aplica es conectadas rede o armazenador e seus circuitos de carregamento n o s o mais necess rios Isto garante o m ximo aproveitamento de energia do painel melhora a vida til do sistema e reduz os custos resultando em grandes vantagens para estas aplica es Entretanto para operar ligados rede el trica v rios outros requisitos de seguran a e controle devem ser atendidos Estes requisitos ser o analisados neste cap tulo 3 1 PERSPECTIVAS DAS GERA ES FOTOVOLTAICAS O futuro de mercado das c lulas fotovoltaicas ainda n o est definido mas tem se observado fortes tend ncias para sua amplia o 1 24 27 principalmente para a opera o conectada rede el trica a qual o foco deste trabalho Nestas aplica es o custo das c lulas se justificara pela redu o da sobrecarga da rede melhoria da qualidade de energia e da confiabilidade do abastecimento Com o desenvolvimento humano h um crescimento na demanda de energia el trica e nas exig ncias pela qualidade desta energia Desta forma os Investimentos nas redes el tricas para que possam atender os requisitos dos consumidores poder o se tornar competitivos com aqueles para a instala o de pain is fotovoltaicos Assim a rede se tornaria um meio de comercializa o de energia como ja se verifica em alguns pa ses em oposi o ao model
154. tas para futuras aplica es que se tornem vi veis com a evolu o tecnol gica dos semicondutores ou dos materiais magn ticos para armazenamento indutivo de energia Outras aplica es como em conversores trif sicos onde n o h a necessidade de desacoplamento de pot ncia e em conversores com baterias Internas tamb m poder o ampliar a aplicabilidade das propostas deste trabalho XN Palavras Chave Gera o fotovoltaica Conex o rede Conversor integrado MPPT Anti ilhamento Modula o tr s estados Desacoplamento de pot ncia ABSTRACT This work aims the development and evaluation of power electronic converters to be used with photovoltaic PV modules connected to the alternating current electric energy distribution grid In the scenario of photovoltaic generation the initial philosophies which were based on large PV solar arrays using a centralized converter has became unused due to the low efficiency and the impossibility to operate all panels simultaneously on the maximum power point MPP At the same time it is not possible the gradual installation of PV modules and is mandatory a high initial investment These are some reasons that leaded more recent researches of panel dedicated converter which could be embedded and sold as a single equipment called photovoltaic AC module These modules are PV panels ready for grid connection with a converter that works at the MPP for each panel This allows modularity re
155. tativas de vida til dos microinversores para m dulos CA Foi interessante observar atrav s das energias capacitiva e indutiva armazenadas em cada topologia que o aumento do armazenamento indutivo permite a redu o do armazenamento capacitivo Estudos futuros relacionados com as tecnologias para estas duas formas de armazenagem de armazenagem complementar o com este trabalho No pr ximo cap tulo ser apresentado um prot tipo de conversor que pode ser utilizado como Boost tri state ou Buck Boost tri state que foi constru do para o levantamento dos resultados experimentais CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 109 S RESULTADOS EXPERIMENTAIS Neste cap tulo apresentam se os principais resultados experimentais com os algoritmos escolhidos de MPPT sincronismo e anti ilhamento considerando se as topologias integradas Boost Boost Tri state Buck Boost e Buck Boost Tri state Desta forma ser poss vel avaliar a ader ncia dos resultados obtidos em simula o e direcionar a es para o aprimoramento das topologias 5 1 PROT TIPO DE AVALIA O Foi montado um prot tipo de inversor CSI com chave auxiliar para possibilitar os testes das principais topologias O prot tipo est apresentado aberto para medi es na bancada de ensaios na Figura 5 1 juntamente algumas medi es no oscilosc pio O prot tipo foi montado em uma caixa met lica com conectores de entrada CC e sa da CA fusiveis de prote o de entrad
156. torno de 300 V ent o eles poder o se tornar o trunfo destas topologias com CSI A Tabela 4 4 apresenta as estima es das perdas para cada componente na melhor combina o de semicondutores analisados CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES Tabela 4 4 Perdas W em carga nominal para cada componente do buck boost tri state Corrente M dia Corrente Fficaz MOSFET STW34NB20 A D1 0 7 A D1 0 7 Diodo Schottky MBR20200CT Condu o Chaveamento Lb 11 11 12 1 0 0 Sa 7 1 9 20 14 1 T2 SI 1 65 4 26 3 0 0 0 52 1 65 4 26 3 0 3 6 S3 1 65 4 26 3 0 0 0 S4 1 65 4 26 3 0 3 6 Perdas Totais 38 2 14 4 4 5 SIMULA ES SISTEMA COMPLETO Para realizar uma compara o adequada entre as principais op es de topologias importante realizar as simula es tamb m para a configura o convencional 2 est gios com os mesmos par metros do m dulo fotovoltaico e com os mesmos algoritmos de conex o Em todos os casos o m todo Beta foi escolhido para realizar o MPPT e o SMS associado com prote es passivas foi o m todo anti islanding escolhido O sincronismo realizado com o aux lio de um PLL As especifica es do modelo de painel fotovoltaico utilizado foram as mesmas apresentadas na Tabela 2 3 Nestas simula es poder o ser observados os efeitos da atua o conjunta dos controles apresentados separadamente no cap tulo anterior Procurou se simular o sistema o mais completo e pr ximo do real poss vel inclu
157. tri state perdem por apresentar um indutor muito grande Por outro lado este indutor dispensa o uso dos bancos de capacitores e fornece ao conversor uma grande vantagem quanto vida til O capacitor de desacoplamento utilizado no tri state tem apenas a fun o de filtragem da corrente em alta frequ ncia pois a sua corrente de entrada descont nua Portanto este capacitor pode ser reduzido em fun o da frequ ncia de chaveamento e n o necessita que seja eletrol tico Os ret ngulos alocados nas laterais indicam os semicondutores O inversor buck boost tri state aparenta um n mero maior de componentes pois a maioria das chaves n o possuem diodo s rie encapsulado como ocorre com os diodos em anti paralelo Caso aumente os componentes no mercado com esta caracter stica como os RB IGBTs ent o o numero de componentes reduziria pela metade Figura 4 46 Ilustra o dos componentes dimensionados em escala Dois est gios Buck Boost Tri state LO Lg Co filme 10u deitado Lg Co filme 5u deitado Cee Cee 470u 470u 200V 200V Cee Ccc 470u 470u 200V 200V Lo Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 4 TOPOLOGIAS DOS CONVERSORES 107 A escolha da melhor topologia depender da aplica o desejada uma vez que todas apresentam vantagens e desvantagens como mostra a Tabela 4 8 As caracter sticas apresentadas foram colocadas na ordem decrescente
158. uck boost tri state Oooo I py 5 A div Esp 10 A div E r i a Lo 10 A div k q Fonte Galotto Junior 2011 CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 124 A corrente no indutor oscila em baixa frequ ncia e a corrente de entrada do conversor a corrente do indutor modulada em alta frequ ncia com raz o c clica D Com o capacitor de filtragem o painel necessita apenas enviar a corrente m dia aproximadamente cont nua 5 7 2 Rampa de partida do conversor A Figura 5 21 apresenta a inicializa o do conversor buck boost tri state atrav s de uma rampa da tens o de sa da e tamb m da corrente do indutor A mesma rampa aplicada para a inje o de corrente em conex o com a rede Figura 5 21 Rampa de partida programada para a tens o de sa da e para a corrente no indutor DPI CORO V 100 V div THE MU o A Feel ahr rir l LES bint tear rente ay Ti al RR EEE TE ENTE ne at ema x Tal Ti Dota iii WAT lel ii DELLES STERE eee da ANININ C a Fonte Galotto Junior 2011 5 7 3 Esfor os nos semicondutores Para o conversor Buck Boost Tri State foram levantados os esfor os de tens o e corrente sobre os semicondutores A Figura 5 22 apresenta os esfor os sobre a chave S1 CAP TULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 125 Figura 5 22 Esfor os de tens o e corrente na chave S
159. uist que 15 kHz 2 Portanto o valor m nimo requerido de indut ncia para manter a estabilidade do controle da corrente injetada na rede de L 2 1 mH O valor do ganho do controle em malha fechada para esta indut ncia determinado por 3 3 e igual a K 12007 L 8 Com a pot ncia do conversor e a indut ncia necess ria poss vel realizar o dimensionamento f sico do indutor selecionando n cleo e condutor Pela pot ncia obt m se Ee 2 3 Ae as reas m nimas podem ser calculadas em fun o de 2 tipos de materiais Com estes par metros seguindo a metodologia descrita no Ap ndice B obt m se as reas m nimas das se es em fun o do material do n cleo CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE 58 o NAS 5700 mm com n cleo de ferro sil cio utilizando curvas conhecidas BY 1 2 T e H 400 A espira m e NA 17000 mm com n cleo de ferrite 42 0 4 T Neste caso as reas est o em fun o do n mero de espiras e a escolha do n cleo que poder fazer esta determina o Alguns exemplos de n cleos calculados para a conex o com a rede com a indutancia dimensionada na se o anterior est o apresentados na Tabela 3 2 Esta tabela concentra os resultados de c lculo e os dados de cat logo junto com as refer ncias respectivas para permitir futuras consultas Tabela 3 2 Tabela de exemplos de indutores f sicos para a conex o com a rede el trica Tipos de N cleos
160. veamento a ser atenuado Sendo isto verdadeiro a priori ent o a indutancia m nima para que o controle possa atuar com seguran a precisa ser encontrada Para garantir a estabilidade do controle poss vel utilizar um crit rio com base na discretiza o que engloba tamb m a atenua o do ripple 41 A discretiza o da planta ocorre em fun o da frequ ncia de amostragem ou de chaveamento como comentado 55 CAP TULO 3 OPERA O COM CONEX O REDE anteriormente A discretiza o afeta a resposta real da planta gerando mudan as de ganho e fase pr ximos da frequ ncia de Nyquist que a metade da frequ ncia de discretiza o Para garantir uma boa estabilidade e tempo de resposta para o controle a frequ ncia de Nyquist deve ser 100 vezes maior que a frequ ncia natural da planta ou seja a frequ ncia de O dB da planta deve estar a 2 d cadas abaixo da frequ ncia de Nyquist Isto alcan ado pela equa o 3 5 50 En ET 9 F Nyquist O diagrama de bode da planta para 3 valores diferentes de indut ncia pode ser observado na Figura 3 16 ilustrando o efeito da fase pela discretiza o Idealmente a planta sempre possui defasagem de 90 graus Por m a discretiza o gera fase de 180 graus na frequ ncia de Nyquist independe do valor da indut ncia da planta e quase totalmente eliminada 2 d cadas abaixo Figura 3 16 Ilustra o da defasagem devido discretiza o do controle Resp
161. veis de tens es facilidade na instala o e na opera o 1 2 1 Extra o da M xima Pot ncia dos Pain is PV Os conversores para aplica es em sistemas de gera o PV devem trabalhar com MPPT Maximum Power Point Tracking 2 que s o implementados atrav s de algoritmos para o rastreamento da m xima pot ncia poss vel de ser extra da do painel Como o ponto de opera o varia constantemente este rastreamento fundamental para o m ximo aproveitamento nas diferentes condi es de irradia o e temperatura que mudam a curva de tens o e corrente do m dulo PV Desta forma poss vel aumentar o retorno do investimento No entanto existem diversos algoritmos de MPPT com desempenhos diferentes Os melhores algoritmos podem aumentar o percentual de energia aproveitada durante o mesmo per odo mas tamb m podem aumentar o custo do conversor pela necessidade de maior n mero de sensores ou de um circuito de controle mais complexo Tamb m existe a quest o de alguns algoritmos possu rem depend ncia param trica do painel sendo que para cada m dulo PV necessitam de ajustes para manter o desempenho Os algoritmos mais conhecidos capazes de rastrear o ponto timo independente do painel s o os de Perturba o e Observa o P amp O 3 No entanto estes apresentam problemas de tempo de resposta e vers es modificadas surgiram para minimizar estes problemas A topologia do conversor tamb m pode influenciar no desempenho do MPP
162. vel maximum power point tracking method for PV module integrated converter using square root functions In INDUSTRIAL ELECTRONICS SOCIETY IECON 31 2005 Raleigh Annual Raleigh s n 2005 p 6 REFER NCIAS 18 JAIN S AGARWAL V A new algorithm for rapid tracking of approximate maximum 19 20 2 22 23 24 25 26 2i power point in photovoltaic systems IEEE Power Electronics Letters New York v 2 p 16 19 march 2004 ISSN 1540 7985 HO B M CHUNG H S LO W L Use of system oscillation to locate the MPP of PV panels IEEE Power Electronics Letters New York v 2 n 1 p 1 5 march 2004 ISSN 1540 7985 HO B M T CHUNG H S An integrated inverter with maximum power tracking for grid connected PV systems IEEE Transactions on Power Electronics New York v 20 n 4 p 953 962 july 2005 ISSN 0885 8993 CHUNG H S et al A novel maximum power point tracking technique for solar panels using a SEPIC or Cuk converter IEEE Transactions on Power Electronics New York v 18 n 3 p 717 724 may 2003 ISSN 0885 8993 CASADEI D GRANDI G ROSSI C Single phase single stage photovoltaic generation system based on a ripple correlation control maximum power point tracking IEEE Transactions on Energy Conversion New York v 21 n 2 p 562 568 june 2006 ISSN 0885 8969 ESRAM T et al Dynamic maximum power point tracking of photovoltaic arrays using rip

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