MICROINVERSOR SOLAR UTILIZANDO UM CONVERSOR LLC RESSONANTE

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1 VII Congresso Brasileiro de Energia Solar Gramado, 7 a de abril de 8 MICROINVERSOR SOAR UTIIZANDO UM CONVERSOR C RESSONANTE José Airon Beckhäuser Filho jose.beckhauser@gmail.com Ivo Barbi ivobarbi@gmail.com Universidade Federal de Sana Caarina, Deparameno de Engenharia Elérica Resumo. Com o crescene aumeno do mercado de energias renováveis, diversas soluções vêm sendo apresenadas a fim de ober o melhor rendimeno na conversão de energia, confiabilidade e segurança. Para que a energia proveniene do veno ou do sol sejam converidas em energia elérica se faz necessário o emprego de conversores esáicos. Aualmene a maioria das soluções para energias renováveis uiliza inversores cenralizados, que apresenam algumas desvanagens quando se raa de confiabilidade e segurança. Para a área foovolaica, uma das alernaivas é o emprego de microinversores, que possuem baixa poência, operam em ensões inferiores aos inversores cenralizados e aumenam a confiabilidade do sisema. Denre várias opologias disponíveis, opou-se por empregar um conversor ressonane para o eságio cc-cc e um inversor VSI (Volage Source Inverer) para compor o eságio cc-ca. Ese rabalho apresena a análise eórica e simulada de um conversor C ressonane para aplicações em sisemas foovolaicos de baixa poência. O microinversor erá poência nominal de 5 W e erá capacidade de injear a poência gerada por um único módulo foovolaico à rede elérica. Para o seguimeno do pono de poência máxima (SPPM), foi uilizada a écnica P&O (Perurba e Observa) com variação em frequência, obendo uma rápida resposa para variações da poência gerada pelo módulo. Um proóipo esá sendo desenvolvido a fim de validar o comporameno enconrado nas simulações. Palavras-chave: Energia solar, Conversor ressonane, Microinversor.. INTRODUÇÃO Com a demanda crescene por fones renováveis de energia, surge ambém a necessidade do desenvolvimeno de ecnologias que possam realizar as conversões da energia desas fones de forma cada vez mais eficiene. Os inversores cenralizados são os equipamenos mais comuns enconrados aualmene em sisemas foovolaicos. Desacam-se por serem um único equipameno capaz de converer a energia proveniene de uma quanidade de módulos que pode ser de algumas unidades aé dezenas deles. Geralmene apresenam uma ou mais enradas com seguimeno do pono de poência máxima (SPPM), que possibiliam a insalação de srings em posições ou inclinações azimuais diferenes (Teodorescu e al., ). Como a ensão de enrada normalmene é um valor muio próximo ao valor eficaz da rede elérica, não se faz necessária a uilização de conversores de alo ganho, simplificando assim o sisema de uma forma geral. Os microinversores, por sua vez, são equipamenos que se dedicam à conversão da energia proveniene de um único módulo foovolaico. Com isso, eles permiem que cada módulo opere em seu pono de máxima poência sem sofrer a influência dos demais, seja por quesões de sombreameno ou de falhas. Além do mais, aumenam a confiabilidade do sisema, já que a falha de um único equipameno pouco afeará a geração como um odo. (Gui e al., 4) O nível de ensão em correne conínua ambém será inferior se comparado aos inversores radicionais, em orno de 3 V conra 5 V, refleindo assim numa maior segurança na insalação, operação e manuenção do sisema. Apesar de apresenarem diversas vanagens, os microinversores devem apresenar um alo ganho esáico, enre e vezes a ensão de enrada, uma vez que a ensão de máxima poência (V mp ) de um módulo foovolaico com 6 células se enconra na faixa de 3 V. Eses desafios esão razendo foco aos microinversores, que cada vez mais vêm sendo esudados com uma solução para insalações descenralizadas de energia de pequeno pore.. Classificação dos Microinversores Os microinversores são basicamene classificados quano à quanidade de eságios: um ou dois, como na Fig.. Nas opologias de eságio único, o conversor cc-ca deve possuir um elevado ganho esáico, além de ser responsável pelo SPPM e por adequar a correne a ser enregue à rede. Já nos conversores de dois eságios, o eságio cc-cc é responsável pelo ganho esáico e pelo SPPM, enquano o conversor cc-ca é responsável por conrolar o barrameno cc e adequar a correne a ser injeada na rede elérica. Apesar de possuir uma esruura mais simples, os microinversores de eságio único geralmene apresenam um rendimeno inferior aos de dois eságios.

2 VII Congresso Brasileiro de Energia Solar Gramado, 7 a de abril de 8 Figura Microinversor de (a) eságio único (b) dois eságios. Ese rabalho foca na aplicação de um microinversor de dois eságios, sendo que o eságio cc-cc será feio por um conversor do ipo C ressonane e o eságio cc-ca será composo por um inversor de ensão com modulação de rês níveis, endo em visa que a isolação do eságio cc-cc elimina o problema de correnes de modo comum.. CONVERSORES RESSONANTES Os esforços crescenes em busca de opologias que possuam um elevado rendimeno e uma elevada densidade de poência enconram como obsáculos o volume de componenes passivos, como induores, filros e ransformadores. Uma das formas de reduzir o peso e o volume desses elemenos é o emprego de comuação em ala frequência. (Choi, 7) Porém, com o aumeno da frequência aumenam-se ambém as perdas por comuação nos conversores PWM (Pulse Widh Modulaion). A fim de reduzir as perdas de comuação e possibiliar a operação em ala frequência, empregam-se écnicas de comuação suave, uma caracerísica inrínseca dos conversores ressonanes. Essa configuração permie que o conversor reduza as perdas de comuação, seja por ZCS (Zero Curren Swiching) ou ZVS (Zero Volage Swiching), possibiliando que ele possa comuar em frequências superiores aos conversores PWM convencionais. Um conversor ressonane é composo por eságio de comuação, podendo ser do ipo half-bridge ou full-bridge e um anque ressonane composo por elemenos induivos e capaciivos. A lieraura conempla uma grande quanidade de conversores de caracerísicas ressonanes, denre os principais esão o série-ressonane, paralelo-ressonane, CC ressonane e C ressonane (Kazimierczuk e Czarkowski, ), ilusrados na Fig.. Todos eles apresenam ganhos variáveis com a frequência, porém cada um apresena caracerísicas únicas. Nese rabalho serão aboradas somene as caracerísicas do C. Tanque Ressonane Série-Ressonane Paralelo-Ressonane CC-Ressonane C-Ressonane Figura Diferenes exemplos de aques ressonanes. Um dos moivos pela preferência do conversor C para aplicações foovolaicas é que ano a induância de dispersão quano a induância magneizane do ransformador compõem o anque ressonane, sendo necessário somene a adição de um capacior em série para complear o anque ressonane. O fao de que o conversor opera em ZVS permie ambém que os efeios causados por EMI (elecromagneic inerference) sejam reduzidos, dispensando assim o uso de volumosos filros para coner inerferências eleromagnéicas.

3 VII Congresso Brasileiro de Energia Solar Gramado, 7 a de abril de 8 3. CONVERSOR C RESSONANTE O conversor C em esudo esá represenado na Fig. 3. No primário é possível observar a presença de um conversor do ipo full-bridge, que é responsável por produzir uma ensão, cuja forma de onda é quadrada, que irá exciar o anque ressonane. O duy cycle é sempre consane em 5%, pois caso conrário haveria assimerias na correne ressonane, o que ocasionaria redução no rendimeno do conversor. Nese caso, para realizar o conrole da ensão de saída faz-se necessário alerar a frequência de comuação, como será viso no decorrer desa seção. O anque ressonane é composo por dois induores e um capacior. Como se cosuma empregar um ransformador nesa opologia, os induores e m podem ser incorporados ao próprio ransformador, sendo a induância de dispersão e magneizane, respecivamene. Isso raz como benefício a redução da quanidade de componenes discreos no circuio (Yang, 3). No secundário há a presença de um eságio reificador, que pode ser aivo ou passivo. Nese caso esá sendo empregado um reificador de onda complea em pone que irá injear uma correne conínua para a carga, represenada por R o. Uma das principais vanagens de se uilizar o conversor C no eságio cc-cc é sua propriedade de maner um rendimeno elevado para oda a faixa de carga (Tian e al., 6). C V in m C R fo m o Figura 3 Conversor C ressonane. 3.. Modos de Operação do Conversor C Como o conversor apresena modulação em frequência, os modos de operação dependem exclusivamene da carga e da ensão de enrada aplicada. Quando a frequência de comuação é igual a frequência de ressonância, ou seja, f n =, o conversor opera com ganho consane para qualquer que seja a carga. Esse é o melhor pono de operação do conversor C, pois operando na ressonância a correne do anque ressonane será essencialmene senoidal. A frequência de ressonância pode ser obida aravés da Eq. (). f = π C () Para os casos em que f n <, o conversor se compora como um conversor elevador de ensão e é a região recomendada de operação, pois apesar de haver um aumeno nas perdas por correnes circulanes no anque ressonane devido ao aumeno da correne de magneização, ainda há comuação suave nos diodos do reificador do secundário e uma boa regulação de ensão com pequenas variações na frequência. Há um limie mínimo de frequência de operação em que o conversor permanece operando em ZVS, mesmo a vazio, que é deerminada pela Eq. (). A parir desse pono o conversor enra numa região ZCS, que deve ser eviada por apresenar perdas de recuperação reversa, ruídos e spikes de correne que podem levar o conversor a uma falha complea (Specovius, 7). f min = π ( + m )C () Nos casos em que f n >, o conversor opera acima da frequência de ressonância e se compora como um conversor abaixador de ensão. Apesar do conversor ainda se enconrar numa região de ZVS, recomenda-se que a operação acima da ressonância seja eviada, pois os diodos do reificador do secundário passam a sofrer comuação forçada, o que reduz o rendimeno do conversor. Além do mais, é necessário que haja uma variação muio grande na frequência de comuação para aingir pequenas reduções na ensão do secundário. Nese caso, não há uma frequência limie de operação. A Fig. 4 resume odos os modos de operação do conversor C descrios aneriormene. Esão represenadas as formas de onda para a ensão aplicada no anque ressonane ( ); correne no anque ressonane ( ); correne magneizane ( m ); e correne nos diodos do reificador do lado secundário ( D e D ).

4 VII Congresso Brasileiro de Energia Solar Gramado, 7 a de abril de 8 Abaixo da Ressonância f s < f Na Ressonância f s = f Acima da Ressonância f s > f m m m D D D D D D Figura 4 Modos de operação do conversor C. 4. APROXIMAÇÃO DE PRIMEIRA HARMÔNICA Os conversores ressonanes são assim caracerizados por possuírem um anque C, cuja correne varia senoidalmene durane um período de comuação. Essas variações são de grande ampliude, não sendo possível empregar méodos convencionais de modelagem como análise por espaço de esados (Erickson e Maksimovic, 4). Uma das formas de se ober o ganho esáico deses conversores é empregando a écnica FHA (Firs Harmonic Approximaion), que considera somene os efeios provocados pela primeira harmônica da ensão aplicada no anque ressonane enquano o conversor opera na frequência de ressonância (De Simone e al., 6). A Fig. 5 ilusra as formas de onda da ensão aplicada no anque ressonane e a correne resulane dessa exciação. A ensão no anque ressonane é gerada por comuação em ala frequência e possui o formao quadrado, cuja ampliude é igual ao valor da fone cc na enrada do conversor. Quando a frequência de comuação coincide com a frequência de ressonância, a correne observada no anque ressonane apresena caracerísica essencialmene senoidal. Desa forma, considera-se que na frequência de ressonância somene a componene fundamenal da ensão é responsável pela poência demandada pela carga. À medida que a frequência de comuação se afasa da ressonância, erros vão surgindo em virude de erem sido desprezados os efeios das harmônicas de ordens superiores na ensão de enrada. f s f s f s f f s ( ) ( ) f s f Figura 5 Formas de onda e especro da (a) ensão e (b) correne aplicadas no anque ressonane. Como a ensão aplicada no anque ressonane é uma onda quadrada, sua expansão em Série de Fourier, resula na Eq. (3), sendo sua fundamenal de primeira harmônica represenada pela Eq. (4). Ambas as formas de onda esão ilusradas na Fig. 6. () = 4V in π n=,,5 ( ω s ) (3) () = 4V in π (ω s ) (4)

5 VII Congresso Brasileiro de Energia Solar Gramado, 7 a de abril de 8 Figura 6 Tensão de enrada no anque ressonane. Aravés da aplicação de análises de circuio, considerando somene a primeira harmônica de ensão e refleindo a carga do secundário do ransformador para o lado primário, como mosra a Fig. 7, podemos ober a função de ransferência (5) que descreve Conversor a variação do C ganho Ressonane esáico em função da frequência de comuação. Diferenemene dos conversores convencionais, os conversores ressonanes são modulados em frequência, o que orna a análise mais complexa. C V in m C R fo m o C () m R c Figura 7 Circuio equivalene simplificado do conversor C. M(Q, λ, f n ) = V V in = f n [f n (λ + ) λ] + [Qf n ( f n )] (5) Sendo: Q = R ac r C r R c = 8R o π (n n ) f = f n = f s f r λ = r m π r C r Faor de qualidade; Resisência de carga refleida; Frequência de ressonância; Frequência de comuação normalizada; Razão enre induância de ressonância e induância magneizane. Aravés desa análise ambém é possível deerminar as equações que relacionam as correnes de pico do anque ressonane (6) e correne de pico injeada no barrameno cc (7) em função de parâmeros de projeo.

6 VII Congresso Brasileiro de Energia Solar Gramado, 7 a de abril de 8 I _pe k(q, λ, f n ) = V in π f m λ f n Q + f n λ (6) [f n (λ + ) λ] + [Qf n ( f n )] I _pe k(q, λ, f n ) = V in π f m λ Q + λ f n (7) Por erem sido deduzidas aravés da análise de primeira harmônica, os valores endem a acumular erros à medida que são calculados para frequências de operação que não sejam a de ressonância, como explicado aneriormene. 5. MICROINVERSOR PROPOSTO A Fig. 8 ilusra a opologia empregada nas simulações. O conversor consise de um eságio C ressonane compondo o eságio cc-cc, já com o ransformador incorporando a induância de ressonância. Para o eságio cc-ca opouse por um inversor VSI com modulação de rês níveis, pois os filros de saída são menores em comparação à modulação de dois níveis e ambém não há a presença de correnes de modo comum, devido à isolação provida pelo ransformador de ala frequência. C 5 f f V p C C f p m C C f R V i fo m o 8 Figura 8 Microinversor proposo. O conversor será alimenado por um módulo foovolaico e foi projeado para processar uma poência máxima de 5 W. A frequência de ressonância foi alocada em khz, sendo que a frequência poderá variar enre 5 khz e 5 khz, cobrindo uma variação na ensão de enrada enre 8 V e 36 V. Os valores dos elemenos que compõem o anque ressonane podem ser deerminados pelas Eqs. (8), (9) e (), sendo capacior ressonane, induor ressonane e induor magneizane, respecivamene. A Tab. resume as principais caracerísicas do conversor C proposo. C = πf QR c = QR c πf (8) (9) m = QR c πf λ () Tabela - Especificações do Conversor C Ressonane. CARACTERÍSTICAS E PARÂMETROS VAOR Máxima Poência 5 W Tensão Nominal de Enrada 33 V Variação da Tensão de Enrada 8 ~ 36 V Frequência de Ressonância khz Variação da Frequência de Comuação 5 ~ 5 khz Capacior Ressonane (C ),3 µf Induor Ressonane ( ),5 µh Induor Magneizane ( m ),5 µh Tensão do Barrameno cc 4 V Tensão de Saída Vrms Rendimeno Esperado (CEC) > 96 %

7 M(Q, f n ) VII Congresso Brasileiro de Energia Solar Gramado, 7 a de abril de 8 O ganho do anque ressonane (M) para diversos valores de faor de qualidade (Q) para um valor fixo de λ pode ser observado na Fig. 9. Observa-se que para maiores valores de Q o conversor opera com cargas elevadas, enquano menores valores de Q represenam condições de carga leve. λ =. Q =, V in = V Q =, Q =,4 Q =, Q =, Q =, Q =, V in = V f n Figura 9 Ganho do conversor C para diferenes valores de Q. Noa-se que odas as curvas possuem um pico que separam as regiões de impedância capaciivas e induivas do anque ressonane. O objeivo em idenificar essas regiões é que se deve maner o conversor sempre operando na região de impedância induiva, pois desa forma ele comua com ensão nula (ZVS). O conrole da ensão do barrameno cc será feio exclusivamene pelo eságio inversor, sendo que o conrole da ensão de enrada será realizado pela variação da frequência da ensão de exciação do anque ressonane. A ensão de referência será gerada pelo SPPM, que é do ipo P&O (Perurba e Observa) adapado para frequência. 5.. Resulados de Simulação Foram realizadas simulações a fim de se verificar a operação do conversor C como eságio cc-cc de um microinversor solar de 5 W. Foram simuladas variações na irradiância e emperaura para analisar o funcionameno do algorimo de SPPM (Maximum Power Poin Tracker) e a eficiência do P (Phase ock oop) empregado no sincronismo. A Fig. ilusra o a resposa do SPPM para uma variação da irradiância de 3 para W/m², comparando o valor real de poência produzida pelo módulo (P in ) e a poência calculada pelo algorimo de SPPM (P mpp ). Noa-se que o novo pono de operação é aingido em aproximadamene µs. Pin Pmpp Figura Desempenho do SPPM.

8 VII Congresso Brasileiro de Energia Solar Gramado, 7 a de abril de 8 A Fig. mosra a operação do conversor com uma ensão de enrada reduzindo de 33 V para 3 V. Nese caso, a frequência será reduzida aé se aingir um novo pono de operação (6,6 khz). Observa-se um aumeno das correnes circulanes no anque ressonane, ou seja, nos ponos em que a correne de magneização se iguala à correne do anque ressonane, não há ransferência de poência para a carga. 4K K K 8K 6K 4K K.5K K -.5K -K Frequência C Barrameno CC Tensão na Carga f s =, Tensão de Enrada Correne de Ressonânica Correne Magneizane Correne no Diodo Correne no Diodo Figura Operação abaixo da ressonância. Da mesma forma, a Fig. mosra a operação do conversor com uma ensão de enrada de 33 V, enconrando-se assim na frequência de ressonância, cujo valor foi projeado para khz. Frequência C Tensão de Enrada 4K K K 8K 6K 4K f s = Barrameno CC Correne de Ressonânica Correne Magneizane K.5K K -.5K -K Tensão na Carga Correne no Diodo Correne no Diodo Figura Operação na ressonância. A Fig. 3 mosra a operação do conversor com uma ensão de enrada passando de 33V para 38 V. Nese caso, a frequência será elevada aé se aingir um novo pono de operação em 8 khz. A comuação nos diodos do secundário passa a ser forçada, reduzindo o rendimeno do conversor.

9 VII Congresso Brasileiro de Energia Solar Gramado, 7 a de abril de 8 4K K K 8K 6K 4K K.5K K -.5K -K Frequência C Barrameno CC Tensão na Carga f s = Tensão de Enrada Correne de Ressonânica Correne Magneizane Correne no Diodo Correne no Diodo Figura 3 Operação acima da ressonância. A Fig. 4 mosra a auação do conrole para maner a ensão do barrameno cc (V cc ) conrolada em 4 V e a correne injeada na rede (I e e), cuja caracerísica senoidal é manida, mesmo sob bruscas variações de poência de enrada (P in ). Pin Vcc Irede Figura 4 Auação do conrole de ensão e correne do inversor. 6. CONCUSÃO O conversor C apresena muias vanagens para aplicação em sisemas foovolaicos. Denre eles desaca-se o fao de operar em ZVS em praicamene oda a faixa de poência, o que confere caracerísicas que elevam o rendimeno e dispensa a uilização de filros volumosos para coner emissões de EMI. Esudos preliminares indicam que o conversor C apresena um bom comporameno operando como rasreador do pono de máxima poência, conforme resulados

10 VII Congresso Brasileiro de Energia Solar Gramado, 7 a de abril de 8 apresenados nese arigo. Um proóipo esá sendo desenvolvido a fim de validar o comporameno enconrado nas simulações. Agradecimenos Os auores agradecem à EDP pelo supore financeiro do projeo BD-ES-9-5, fruo do Programa de Pesquisa e Desenvolvimeno da ANEE. REFERÊNCIAS Choi, H., 7. Design consideraions for an C resonan converer, Fairchild Power Seminar. De Simone, S., Adragna, C., Spini, C., Gaavari, G., 6. Design-oriened seady sae analysis of C resonan converers based on FHA, Inernaional Symposium on Power Elecronics, Elecrical Drives, Auomaion and Moion, pp Erickson, R. W., Maksimovic, D., 4. Fundamenals of Power Elecronics, Kluwer Academic Publishers. Gui, H., Zhang, Z., He, X., iu, Y., 4. A high volage-gain C micro-converer wih high efficiency in wide inpu range for PV applicaions, IEEE Applied Power Elecronics Conference and Exposiion, pp Kazimierczuk, M. K., Czarkowski, D.,. Resonan Power Converers, John Wiley & Sons. Specovius, J., 7. Grundkurs eisungselekronik: Bauelemene, Schalungen und Syseme. Springer Vierweg. Teodorescu, R., iserre, M., Rodríguez, P.,. Grid Converers for Phoovolaic and Wind Power Sysems, John Wiley & Sons. Tian, S., ee, F. C., i, Q., 6. Equivalen circui modeling of C resonan converer, IEEE Applied Power Elecronics Conference and Exposiion (APEC), pp Yang, B., 3. Topology invesigaion for fron end DC/DC power conversion for disribued power sysem, Tese de Douorado, Virginia Polyechnic Insiue and Sae Universiy, Blacksburg, EUA. SOAR MICROINVERTER USING A C RESONANT CONVERTER Absrac. Considering he increase of renewable energies, several soluions have been proposed in order o reach he bes efficiency, reliabiliy and safey. For convering wind or solar energy in elecrical energy, a saic converer should be used. Nowadays, mos of he soluions for renewable energies employs cenral inverers, ha have some drawbacks if compared o microinverers. In he field of phoovolaics, one of he mos promising alernaives is he use of microinverers, ha process less power and operae in a lower volage level in comparison o cenral inverers, bu increase reliabiliy and safey. From several available opologies, a resonan converer has been chosen as dc-dc sage and a VSI (Volage Source Inverer) as ac-ac sage. This paper presens he heoreical analysis behind he C resonan converer and is simulaion for phoovolaic energy conversion proposes. The proposed microinverer has a raed power of 5 W and will be able o injec he power generaed by one phoovolaic module o he grid. For he Maximum Power Poin Tracker (SPPM), he P&O (Perurb and Observe) echnic wih frequency variaion was employed. I has a fas and accurae response, even under higher power variaions. Keywords: Solar energy, Resonan converer, Microinverer.