PROTÓTIPO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO BASEADO NO INVERSOR BOOST MULTINÍVEL EM CORRENTE

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1 PROTÓTIPO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO BASEADO NO INVERSOR BOOST MULTINÍVEL EM CORRENTE MÁRCIO C. B. RODRIGUES, CLEY A. C. DUTRA, ESTÊVÃO C. TEIXEIRA, PEDRO G. BARBOSA, HENRIQUE A. C. BRAGA Laboratório de Sistemas Eletrônicos, Núcleo de Automação e Eletrônica de Potência Faculdade de Engenharia, Universidade Federal de Juiz de Fora Cx. Postal 422, , Juiz de Fora, MG. s: carmo@labsel.ufjf.br,hbraga@ieee.org Abstract This work presents a 360Wp single-phase grid-connected photovoltaic system prototype based on the current multilevel boost inverter. The prototype has been developed to validate the theoretical concepts related to this new topology, that has been recently proposed. The system employs multilevel sinusoidal pulse width modulation, with a switching frequency of 3 khz, and is able to synthesize a current with up to five levels in its output. Thus, with a simple passive current filtering, it is possible to inject into the grid a current with low harmonic distortion and an almost unitary displacement factor. Furthermore, the system has a natural capacity of achieving an equalized current sharing between the switches responsible by the current modulation. This feature is very interesting on energy processing of high-power systems. Digital simulation and experimental results for the system prototype are presented. Keywords Renewable Energy, Photovoltaic Systems, Current Multilevel Converters, Multilevel PWM. Resumo Este trabalho apresenta um protótipo de 360 Wp de um sistema fotovoltaico monofásico baseado no inversor boost multinível em corrente, com o objetivo de validar experimentalmente os conceitos teóricos relacionados a esta nova topologia, recentemente proposta. O sistema opera com modulação por largura de pulso senoidal multinível, numa freqüência de chaveamento de 3 khz, sendo capaz de sintetizar, em sua saída, uma corrente em até cinco níveis. Assim, após uma simples filtragem, uma corrente com baixa distorção harmônica e praticamente em fase com a tensão da rede é injetada na rede elétrica. Adicionalmente, o sistema possibilita uma inerente divisão equilibrada da corrente total entre as chaves responsáveis pela modulação da corrente de saída, característica muito interessante para o processamento de energia em sistemas de altas potências. São apresentados resultados de simulação e experimentais para o protótipo do sistema proposto. Palavras-chave Energia Renovável, Sistemas Fotovoltaicos, Conversores Multiníveis em Corrente, PWM Multinível. 1 Introdução Atualmente, com o crescente consumo energético mundial e com o eminente esgotamento das reservas de combustíveis fósseis, nota-se uma grande busca por fontes alternativas de energia. A ameaça de racionamento de energia elétrica, apagões e sobretaxas, além da grande preocupação ambiental, vêm reforçar a necessidade de pesquisa no campo de sistemas de energia renovável. No Brasil a maior parte da energia elétrica consumida é gerada em usinas hidrelétricas. Em regiões de difícil acesso para a construção de novas linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica tem sido investigada a viabilidade da utilização de fontes alternativas de energia, tais como painéis fotovoltaicos (PV, do inglês photovoltaic), geradores eólicos, etc. A viabilidade de utilização de sistemas híbridos como, por exemplo, empregando geradores a diesel combinados com painéis PV também vem sendo estudada (Bazzo et al, 2000). Devido à constante queda no custo dos painéis PV, que alguns estudos prevêem chegar a US$ 1,00/Wp em 2007 (Fairley, 2003), os sistemas fotovoltaicos passam a se tornar uma alternativa interessante também em aplicações urbanas, de modo a suplementar a geração do sistema elétrico. Existem sistemas fotovoltaicos conectados à rede com potências de 100 W a vários megawatts, sendo que a potência da maioria dos sistemas PV residenciais se encontra na faixa de 1 kw a 5 kw (Kroposki & DeBlasio, 2000). Nestes sistemas, toda a energia gerada é injetada no ponto de acoplamento comum (PCC, do inglês point of common coupling) entre a rede e as cargas, suprindo ou auxiliando no suprimento da demanda local. O excedente de geração, caso exista, é injetado no sistema interligado de energia elétrica. Durante os períodos onde a geração é insuficiente (por exemplo, à noite ou em períodos de baixa insolação), as cargas locais são alimentadas totalmente pela rede elétrica da concessionária. Nestes sistemas PV, torna-se necessária a utilização de um medidor de energia elétrica bidirecional, para registrar o consumo e geração da instalação. Em um painel fotovoltaico, a energia solar é convertida diretamente em energia elétrica, através do efeito fotovoltaico, gerando tensão e corrente contínuas (CC) em seus terminais. Devido a natureza unidirecional da tensão e da corrente gerada é necessário utilizar um sistema de processamento e condicionamento da energia convertida, como interface entre o painel fotovoltaico e a rede elétrica, a fim de adequar a freqüência e os níveis de tensão, permitindo que operem em paralelo. Na literatura técnica são encontradas as mais diversas topologias de conversores estáticos, em diferentes configurações, realizando esta interface entre os painéis fotovoltaicos e a rede elétrica (Rodrigues et al, 2003a).

2 Em Rodrigues et al, 2003b foi proposta uma nova topologia de sistema fotovoltaico, baseada em conversores multiníveis em corrente ou, simplesmente, conversores MNC (Braga, 1996). Esta topologia é capaz de injetar uma corrente com baixíssima distorção harmônica (THD, total harmonic distortion), podendo operar com chaveamento em freqüências relativamente baixas (3 khz), minimizando as perdas por chaveamento. Seu circuito elétrico pode ser considerado simples, comparando-o com inversores MNC propostos anteriormente (Braga et al, 1999). O mesmo pode ser dito em relação à lógica de comando de suas chaves. Esta topologia é denominada Inversor Boost MNC. Uma vantagem no uso de conversores MNC é a redução da corrente nominal das chaves semicondutoras utilizadas, visto que a corrente total do sistema é dividida, de uma forma equânime, entre estes dispositivos. Isto se torna particularmente interessante em aplicações de alta potência, embora sistemas MNC possam ser empregados também em aplicações de baixas potências. Neste trabalho são apresentados resultados experimentais obtidos em um protótipo de 360 Wp (Watt-pico) do Inversor Boost MNC, validando os conceitos propostos anteriormente. 2 Sistema Fotovoltaico Baseado no Inversor Boost Multinível em Corrente O circuito que representa a aplicação do Inversor Boost MNC, com duas células MNC (Braga & Barbi, 1995a), a um sistema PV é apresentado na Fig. 1. Esta estrutura é composta por um conversor CC-CC Boost MNC (Braga & Barbi, 1995b), conectado em cascata a um inversor CSI. Toda a lógica responsável pela síntese de uma corrente de baixo conteúdo harmônico na saída do inversor encontra-se no comando das chaves do conversor CC-CC. Isto pode ser realizado conforme proposto em Rodrigues et al, 2003b, por meio de uma modulação por largura de pulso (PWM, pulse width modulation) senoidal multinível. O inversor apenas condiciona convenientemente a polaridade da corrente CC, injetando-a na rede com a fase correta. Após uma simples filtragem, uma corrente praticamente senoidal e em fase com tensão da rede é injetada no sistema elétrico. A geração dos pulsos de comando das chaves S 1 e S 2 é realizada através da comparação de uma senóide retificada com duas portadoras triangulares, de freqüência f s, defasadas de 180 entre si, executando a modulação por largura de pulso (Barbosa, 2000; Mohan et al, 1995; Redl & Balogh, 1993), conforme ilustrado na Fig. 2, onde pode-se observar a lógica inversa de acionamento destas chaves. Isso se deve ao fato que a energia é transferida dos painéis PV à rede quando as chaves S 1 e S 2 estão bloqueadas. Com esta estratégia de comando, a forma de onda de corrente sintetizada na saída do inversor, antes do filtro, pode ter até cinco níveis e os harmônicos aparecem em bandas laterais a partir do dobro da freqüência das portadoras triangulares usadas para controlar as chaves S 1 e S 2. A Fig. 3 ilustra esta forma de onda para um caso idealizado e seu espectro harmônico, onde f designa a freqüência fundamental da corrente sintetizada, que é igual a freqüência de oscilação da rede elétrica. Pode-se observar que, através de um filtro simples de segunda ordem, é possível eliminar os harmônicos oriundos do chaveamento com PWM senoidal. Adicionalmente, com a estratégia de chaveamento proposta, a corrente total do sistema é distribuída de forma equilibrada entre as chaves do conversor CC-CC Boost MNC, conservando uma característica inerente aos conversores multiníveis em corrente, muito interessante no processamento de energia em sistemas de altas potências. Figura 1 Inversor Boost MNC e sua aplicação a um sistema fotovoltaico. 2.1 Simulação do Sistema Proposto Com o objetivo de comparar os resultados experimentais que serão apresentados adiante, a topologia mostrada na Fig. 1 foi modelada e simulada utilizando o software PSpice. Nesta simulação foram utilizados os seguintes parâmetros: C PV =1000 µf, L i =600 mh, L b =60 mh, L f =3 mh, C f =4,7 µf e R f =4,7 Ω. Foi considerada uma rede elétrica de 60Hz, com tensão eficaz de 127 V. Para os diodos e chaves foram utilizados os modelos genéricos existentes no Pspice ( Dbreak e Sbreak, respectivamente). As chaves foram comutadas em 3 khz e o índice de modulação de amplitude (m a =V ref /V t ) utilizado no PWM senoidal foi igual a 0,9. Foram incluídos, ainda, os seguintes elementos parasitas: resistência série dos indutores de entrada e

3 equilíbrio, iguais a 1,2 Ω e 0,3 Ω, respectivamente, e indutância característica da rede, igual a 0,5 mh. O sistema foi simulado para três painéis fotovoltaicos BP SX-120 (fabricados pela BP Solar e empregados na implementação do protótipo) conectados em série, operando a 25 C com um densidade de energia solar igual a 1kW/m², modelados pelo circuito equivalente da Fig. 4 (Rodrigues et al, 2003b; Koutroulis et al, 2001). Nesta simulação, cujas principais formas de onda são exibidas na Fig. 5, foi obtida uma corrente com THD=3,26%, com ângulo de defasagem da componente fundamental igual a -4,46, resultando num FP=0,9964. Pode-se observar uma divisão bem equilibrada da corrente entre as chaves S 1 e S 2 e entre os diodos D 1 e D 2. Figura 2 Ilustração da estratégia de comando das chaves. Figura 3 Corrente de saída (antes do filtro) idealizada. (a) Forma de onda cinco níveis; (b) Espectro harmônico. Figura 5 Formas de onda do sistema proposto (simulação). (a) corrente na chave S 1 ; (b) corrente na chave S 2 ; (c) corrente no diodo D 1 ; (d) corrente no diodo D 2 ; (e) corrente nos indutores de entrada e de equilíbrio; (f) corrente na saída do conversor CC-CC Boost MNC (três níveis); (g) corrente na saída do inversor (cinco níveis, antes do filtro); (h) corrente injetada na rede e tensão no PCC (escala reduzida em 40 vezes). 3 Protótipo do Inversor Boost MNC Figura 4 Modelo de painel PV utilizado na simulação. Um protótipo de 360 Wp foi construído de modo a validar os conceitos propostos anteriormente. Foram utilizados os mesmos valores de indutores, capacitores e índice de modulação de amplitude descritos na seção 2.1. As chaves semicondutoras utilizadas foram os MOSFETs IRF740 e os diodos

4 do circuito de potência são especificados como MUR860. O circuito de acionamento das chaves foi implementado segundo o diagrama funcional mostrado na Fig. 6. As chaves S 1 e S 2 foram acionadas utilizando o driver integrado IR2104, através de sua saída inversora (LO), que é referenciada ao terra do circuito lógico. Já as chaves da ponte inversora foram acionadas através de drivers com isolamento magnético. A comutação dessas chaves (S 1H, S 1L, S 2H e S 2L ) ocorre no cruzamento por zero da senóide da rede. Como neste instante, a corrente sintetizada pelo conversor CC- CC é nula, torna-se desnecessária a preocupação de evitar que duas chaves de um mesmo braço do inversor fiquem bloqueadas simultaneamente, como ocorre em inversores CSI convencionais. Isto simplifica ainda mais a estratégia de chaveamento. Uma fotografia do protótipo implementado é mostrada na Fig. 7. foram realizadas simultaneamente (figuras diferentes). No entanto, isto não traz inconsistência ou invalida os resultados apresentados. Pode-se observar uma divisão equilibrada entre a corrente nas chaves e nos diodos do conversor CC- CC Boost MNC, com S 1 e D 1 assumindo o ripple da corrente em L i (como na simulação). O equilíbrio da divisão da corrente pode ser verificado visualmente pelas correntes nos indutores de entrada e de equilíbrio (Fig. 13). A corrente injetada na rede apresentou uma THD = 4,61%, com ângulo de defasagem da componente fundamental igual a -3,889, resultando num FP = 0,9966. Como esperado, a topologia proposta apresentou alta eficiência na conversão de energia, com rendimento médio igual a 93,17 %, conforme ilustrado na Fig. 17. Os principais focos de perda de energia no inversor são as resistências parasitas dos indutores. No caso das chaves, com o emprego de uma freqüência de chaveamento de 3 khz, prevalecem as perdas por condução, sendo praticamente desprezíveis as perdas por chaveamento. Figura 6 Circuito de acionamento das chaves (diagrama funcional). indutor de entrada (L i ) alimentação do circuito de acionamento das chaves Conexão aos painéis PV Conexão à rede elétrica Figura 8 Acionamento das chaves da ponte inversora (10V/div; 5ms/div). circuito de acionamento das chaves circuito de potência indutor do filtro de linha indutor de equilíbrio (L b ) Figura 7 Fotografia do protótipo implementado em laboratório. 3.1 Resultados Experimentais Da Fig. 8 à Fig. 16 são apresentadas as principais formas de onda medidas no protótipo do sistema proposto. As medições foram realizadas em um dia com grandes variações de insolação, o que pode trazer ligeira divergência entre medições que não Figura 9 PWM senoidal para a portadora 1 (5V/div; 500µs/div).

5 Figura 10 Pulsos de acionamento das chaves S 1 e S 2 (5V/div; 2ms/div). Figura 14 Corrente na saída do conversor Boost MNC (3 níveis) (2A/div; 5ms/div). Figura 11 Corrente nas chaves S 1 e S 2 (1A/div; 2ms/div). Figura 15 Corrente na saída do inversor (5 níveis, antes do filtro) (2A/div; 5ms/div). Figura 12 Corrente nos diodos D 1 e D 2 (1A/div; 2ms/div). Figura 16 Corrente injetada na rede (2A/div; 5ms/div) e tensão no PCC (50V/div; 5ms/div) , ma=0.9 média Rendimento (%) Figura 13 Corrente nos indutores de entrada e de equilíbrio (1A/div; 5ms/div) Po (W) Figura 17 Avaliação do rendimento do sistema proposto.

6 3 Conclusão Este trabalho apresentou a validação experimental dos conceitos relacionados a uma nova topologia de inversor MNC. Pôde-se observar grande conformidade entre os resultados de simulação e os experimentais. O sistema proposto apresentou um bom desempenho, tanto do ponto de vista da eficiência quanto da qualidade de energia. A THD obtida experimentalmente (4,62%) pode ser ainda menor, com a utilização de uma senóide pura, ao invés da tensão da rede (já com uma distorção harmônica em torno de 3%), na geração do PWM senoidal. Os resultados aqui apresentados constituem um passo muito importante no estudo de inversores MNC e suas aplicações, pois evidenciam a confiabilidade do sistema proposto. Assim, pode-se vislumbrar sua aplicação em sistemas fotovoltaicos (ou baseados em outras fontes de energia, como células a combustível) de maiores potências, onde a técnica MNC apresenta suas melhores vantagens. A proposta de uma estratégia de controle da corrente de entrada do sistema, visando o rastreamento do ponto de máxima potência dos painéis fotovoltaicos será apresentada em trabalhos futuros. Agradecimentos Os autores gostariam de registrar seu agradecimento, pelo suporte financeiro ao desenvolvimento deste trabalho, aos seguintes órgãos de fomento: CAPES, FAPEMIG, FINEP e CNPQ/CTEnerg (Proc /01-7). Referências Bibliográficas Barbosa, P. G., 2000, Compensador Série Síncrono Estático Baseado em Conversores VSI Mutipulso, Tese de D. Sc., COPPE UFRJ, Universidade Federal do Rio de Janeiro. Bazzo, E., Rüther, R., Martins, D.,C., 2000, Estudo da Viabilidade Técnica e Econômica de um Sistema de Energia Elétrica Alternativo Híbrido, Diesel/Fotovoltaico, para a Região Norte do Brasil, em CD-ROM do III Congresso Internacional de Infra-Estrutura para Telecomunicações (CININTEL 2000), Florianópolis, Brasil. Braga, H. A. C., Barbi, I., 1995a, A New Technique for Parallel Connection of Commutation Cells Analysis, Design and Experimentation, in Proceedings of the IEEE PESC 95, pp Braga, H. A. C., Barbi, I., 1995b, Current Multilevel DC-DC Converters, in Proceedings of the III Brazilian Power Electronics Conference (COBEP 95), pp , São Paulo, Brasil. Braga, H. A. C., 1996, Conversores Multiníveis em Corrente, Tese de Dr. Eng., INEP UFSC, Universidade Federal de Santa Catarina. Braga, H. A. C, Antunes, F. M., Barbi, I., 1999, Application of a Generalized Current Multilevel Cell to Current-Source Inverters, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 46, no.1, pp Calais, M., Myrzik, J., Spooner, T., Agelidis, V. G., 2002, Inverters for Single-Phase Grid Connected Photovoltaic Systems - An Overview, in Proceedings of the IEEE 33 rd Power Electronics Specialists Conference (PESC 2002), Vol. 4, pp Fairley, P., 2003, BP Solar Ditches Thin-Film Photovoltaics, IEEE Spectrum, vol. 40, no.1, pp , January. Koutroulis, E., Kalaitzakis, K., Voulgaris, N. C., 2001, Development of a Microcontroller- Based, Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 15, no.1, pp Kroposki, B., DeBlasio, R., 2000, Technologies for the New Millenium: Photovoltaics as a Distributed Resource. IEEE Power Engineering Society Summer Meeting. Mohan, N., Undeland, T. M., Robbins, W. P., 1995, Power Electronics: Converters, Applications, and Design. Second Edition, John Wiley & Sons, Inc. Redl, R., Balogh, L., 1993, Power Factor Correction with Interleaved Boost Converters in Continuos- Inductor-Current Mode, in Proceedings of the IEEE APEC 93. Rodrigues, M. C. B., Teixeira, E. C., Braga, H. A. C., 2003a, Uma Visão Topológica Sobre Sistemas Fotovoltaicos Monofásicos Conectados à Rede de Energia Elétrica, em CD-ROM do V Congresso Latino Americano: Geração e Transmissão de Energia Elétrica (V CLAGTEE), São Pedro, Brasil. Rodrigues, M. C. B., Teixeira, E. C., Braga, H. A. C., 2003b, A Current Five-Level Boost Inverter Applied to a Grid-Connected Photovoltaic System, em CD-ROM do VII Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência (COBEP 2003), Fortaleza, Brasil.