Plataforma de teste e desenvolvimento de algoritmos MPPT solar

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1 Plataforma de teste e desenvolvimento de algoritmos MPPT solar M. F. Espíndola 1, L. E. eixas Jr. 1,2, H. M. chneider 1 1 Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer CTI/MCTI, 2 Centro Universitário da FEI -. B. Campo Campinas, Brasil marcos.espindola@gmail.com, luis.seixas@cti.gov.br, homero.schneider@cti.gov.br Resumo O objetivo deste trabalho é apresentar um ambiente baseado em instrumentos virtuais (software de linguagem gráfica) e no conceito HIL (Hardware in the Loop) que possibilita avaliação de desempenho de algoritmos MPPT desenvolvidos para microinversores em sistemas fotovoltaicos. A estratégia baseia-se na gravação das curvas características do painel em diversas condições reais de sobreamento e iluminação para posterior reprodução destes dados em HIL para o microinversor. Os resultados aqui apresentados são provenientes de testes com um microinversor modelo M215 da empresa Enphase. Palavras-Chave HIL, Instrumentos Virtuais, Microinversor olar, MPPT, Painel olar I. ITRODUCÃO Este trabalho descreve a aplicação de uma plataforma de desenvolvimento (workbench) e seus resultados dentro do contexto de teste e desenvolvimento de algoritmos MPPT. Métodos robustos de comparação destes oferecem informações importantes para o desenvolvimento destes algoritmos [1]. orteado pela proposta da robustez, alta fidelidade com o comportamento real do painel e repetibilidade, o ambiente de teste se vale do uso do conceito HIL para o sistema. O objetivo é obter a alta fidelidade do comportamento do painel, para isso grava-se em uma tabela de padrões comportamentais suas curvas-características sob diversas condições de iluminação, sombreamento [2] e consequentemente situações de coexistência entre pontos de máximos locais e de máximo local. Quando em reprodução deste comportamento (repetitividade), o teste da eficiência das heurísticas dos algoritmos MPPT destas respectivas situações reais (fidelidade) torna-se uma alternativa aos processos de teste, que usam modelamento matemático dos painéis [3], [4]. O conceito HIL é funcional para ambos os lados do teste, o primeiro, seja emulando (no sentido de emular ou imitar o comportamento) um painel para um micro inversor, com função de otimizar a energia. Por outro lado, para emular um micro inversor para o painel. Ou ainda, emular os dois lados ao mesmo tempo e em tempo real. O ganho desta abordagem é dado principalmente pela flexibilidade, inclusão ou atualização de funções de teste, ou de aplicação, tempo de implantação e loops de análise e de desenvolvimento o quanto for necessário [5]. Exemplifica-se na Fig. 1 a principal parte (main program) da programação gráfica que implementa a emulação do painel para um microinversor, onde: A - É o loop de execução, B É o bloco que representa a aquisição de dados da tensão do microinversor, C - Um subcódigo que contém a tabela dos padrões comportamentais, D - Representa a passagem de valores para visualização na tela (comunicação entre o sistema operacional de tempo real com o usuário), E - Representa a escrita do comportamento do painel para o microinversor, F - Representa a situação de fim da execução do programa caso o usuário sinalize. A abordagem em programação gráfica de sistemas, por exemplo, LabVIEW, vai ao encontro da flexibilidade adaptativa dos testes e da modularização das funções do sistema permitindo e viabilizando o aspecto colaborativo da construção e síntese do sistema de comparação de algoritmos [6], [7]. A seguir este trabalho será tratado como integração de duas grandes partes: a da plataforma com seus aspectos funcionais e construtivos e a parte dos resultados do uso da plataforma como ambiente de trabalho de teste e desenvolvimento de algoritmos MPPT. Dentro de um dos desdobramentos dos resultados, uma importante contribuição deste trabalho é o apontamento da necessidade, e a proposta de um método, de uma análise estatística mais detalhada no comparativo dos algoritmos MPPT que possa avaliar, não somente o Tracking Factor (TF) apresentado em [1] que analisa apenas o acúmulo do erro, mas sim uma análise que indique o quão assertiva é a heurística dos algoritmos referente a dinâmica de alternância entre máximos locais em uma situação real de sobreamento, por exemplo. II. PLATAFORMA A plataforma é o ambiente que efetua a implementação do sistema de gravação e reprodução do comportamento do painel ilustrada pela Fig. 2. O hardware é constituído por um chassi I PXI-1042Q, uma CPU I PXI-8108 rodando sistema operacional Phar Lap pela ational Instruments, uma DAQ I PXI-6259, e um PC Desktop, cujo software são: LabVIEW

2 2011 com módulo LabVIEW Real-Time sobre Windows XP. A fonte CC de quatro quadrantes é uma Kepco BOP MG sob controle analógico para interfaceamento com a DAQ. O painel é da empresa Jetion olar, modelo JT240 de 240W e o conversor é um micro inversor da empresa Enphase, modelo M215. Controladora PXI 8108 com Real-Time O (Phar Lap) DAQ *(escritav, leitura I) (escrita I, leitura V) B D LabVIEW (PC desktop) Fonte CC (100V/10A) 4 quadrantes (controle analógico) C F E Arquivos de nuvem de pontos da superfície P,V e/ou I,V no tempo **Painel/Conversor A Fig. 1. Programa gráfico de emulação do painel. A Fig.2 ilustra que o fluxo de informações e controle pode ocorrer tanto com a gravação das curvas-característica no tempo (com painel solar conectado à fonte CC) quanto com a reprodução das mesmas (com conversor conectado à fonte CC). A conexão entre equipamentos no mundo real com o ambiente virtual, conceito de HIL, está em ambas as configurações: o caso da gravação, restrito à leitura neste trabalho, porém com a conexão do painel ao ambiente virtual existe a possibilidade de teste de algoritmo de MPPT implementado no próprio ambiente de programação gráfica. o caso da reprodução, analisar e responder às interrogações de um conversor que contém algoritmo MPPT. III. GRAVAÇÃO DE PADRÃO DO PAIEL A gravação de padrão baseia-se na aquisição de dados de um comportamento de um painel sob condições reais de sombreamento e iluminação. O programa da gravação tem seu fluxograma apresentado pela estrutura da Fig. 3. A organização dos dados visa facilitar a integração com o padrão de planilha do Microsoft Excel 2007, ou seja, cada linha é uma curvacaracterística na amostragem temporal e cada coluna a tensão aplicada aos terminais do painel. A quantidade de colunas escolhidas foi de oitenta pontos (passos de tensão na obtenção da curva-característica) e a amostragem foi de dez curvascaracterísticas por segundo. Ambos os valores foi de definição empírica levando em consideração a dinâmica dos eventos de sobreamento realizados. * escrita V se gravação, escrita I se reprodução ** Painel se gravação, Conversor se reprodução Fig. 2. Bloco diagrama do sistema O arquivo de dados gerados foi montado explorando os eventos de sobreamento que geram máximos locais. Como o painel usado possui três conjuntos de células, cada um com seu diodo bypass, e pela consequente comutação destes perante aos efeitos de sobra, foi possível explorar três conjuntos bases de curvas-características: com dois máximos locais e um máximo global; com um máximo local e um máximo global; com um máximo global. O conjunto com dois máximos locais ocorreram sempre em potências da ordem de 20% da nominal do painel (como ilustrado na Fig. 5 da seção resultados, no corte inferior da superfície). Para a análise dos dados e identificação dos eventos foram exploradas duas das funcionalidades do Microsoft Excel 2007: para a montagem do padrão (recortes e colagens da sequência dos eventos) foi usado a opção de formatação condicional com escala de cor sobre os dados; para a visualização em superfície das curvas-características, seleciona-se os dados e usa-se o gráfico de superfície 3D. IV. REPRODUÇÃO DE PADRÃO DO PAIEL A reprodução de padrão do painel visa a utilização dos dados obtidos na gravação de padrão de modo a oferecer condições de repetitividade de condições reais em ambiente de teste da plataforma. Pode ter uso na análise ou no desenvolvimento de propostas de algoritmos MPPT. Esta proposta pode-se considerar como complemento às análises de simulação que utilizam apenas a modelagem matemática do painel solar. O programa LabVIEW da reprodução tem seu fluxograma apresentado pela estrutura da Fig. 4 e sua execução foi em

3 início início defini quantidade de passos de tensão (pontos da curva) defini tensão de circuito aberto carrega dados gravados do padrão do painel em tabela na memória RAM (cada coluna: tensão no terminal da fonte cada linha: vetor de dados da corrente) tensão = 0 v lê corrente guarda par (I,V) em vetor curva corrente guarda par (P, V) em vetor curva potência incrementa tensão define com o usuário velocidade de reprodução em curvas por segundo (Relação entre base tempo de tempo e o. da linha da tabela) consulta base de tempo e calcula linha da tabela consulta tensão nos terminais da fonte CC e define a coluna da tabela tensão é maior que de circuito aberto? armazena e exibe ponto a ponto o comparativo entre ponto de máxima potência do vetor e o ponto de máxima potência encontrado pelo conversor MPPT sob teste *corrente de saída da fonte cc = dado (linha, coluna) guarda vetor curva corrente como nova linha de arquivo texto da superfície de corrente guarda vetor curva potência como nova linha de arquivo texto da superfície de potência aguarda passo de tempo fim pelo usuário? fim pelo usuário? pós-processamento e exibição de métricas estatísticas do desempenho do conversor mppt sob teste fim fim * local para inserção de algoritmo de interpolação de superfície Fig. 3. Fluxograma que ilustra a gravação do padrão de curvas. Fig. 4. Fluxograma que ilustra a reprodução do padrão de curvas.

4 sistema operacional de tempo real instalado na controladora PXI. A velocidade de reprodução do padrão foi introduzida como parâmetro de entrada uma vez que os eventos podem ser normalizados para qualquer base de tempo. V. REULTADO A Fig. 5 apresenta um dos resultados do processo de aquisição e gravação dos dados comportamentais do painel ao longo do tempo. Os respectivos eventos de máximos locais na superfície são resultados de estímulos de sombreamento. O eixo x é tempo, y é a tensão em volts nos terminais do painel (0 à 37V, tensão de circuito aberto) e z a potência gerada em watts. O traçado do gráfico foi feito usando o modelo 3D de superfície do Microsoft Excel O painel solar usado foi da empresa Jetion e o modelo JT240 de 240W. Fig. 6. Exemplo de curva potência versus tensão dentro do padrão gravado. x z y Fig. 7. Inicialização do microinversor Enphase M215. A Fig. 8 e a Fig. 9 são cortes da trajetória na superfície de potência podendo-se usar a Fig. 5 como apoio para a abstração. Ambas mostram a trajetória ideal sobre a trajetória real do microinversor sob teste. A Fig. 8 é o corte para a visualização do plano ZX (potência pelo tempo) do evento e a Fig. 9, o plano YX (tensão pelo tempo). A Fig. 10 e Fig. 11, respectivamente, são correspondentes a outro evento de exemplo. Fig. 5. uperfície de curvas potência versus tensão no tempo. Os resultados apresentados em sequência são decorrentes da reprodução do padrão de curvas-características gravado resultando em um sistema de emulação de painel solar em tempo real para o micro inversor Enphase M215. As informações mostradas pela Fig. 6 são de acesso em tempo real ao usuário com a possibilidade da escolha de qualquer curva fixa no padrão ou reprodução temporal de um conjunto de curvas. empre é possível conhecer antes o ponto de máxima potência, pois a curva permite estabelecer o quão eficiente é a busca do algoritmo sob teste ou em desenvolvimento. a figura destacam-se as informações de depuração e diagnóstico: o losângulo maior é o ponto de máxima potência da curva; os demais losangos são os demais pontos da curva; os círculos apontam a região em que o algoritmo do microinversor M215 atua em regime (oscilante em torno do ponto de máxima potência). A Fig. 7 mostra que o microinversor M215 necessita perceber o painel por um período cerca de 80 segundos antes de atuar com seu algoritmo interno de busca pela máxima potência. Fig. 8. Perfil 1 de exemplo entre trajetórias da potência. Fig. 9. Perfil 1 de exemplo entre trajetórias da tensão.

5 Fig. 10. Perfil 2 de exemplo entre trajetórias da potência. [2] G. R. D. G. R. Hassan, User-friendly LabView tool to study effects of partial shading on {PV} characteristics, pp , [3] B. R.Ramaprabha, MATLAB Based Modelling to tudy the Influence of hading on eries Connected PVA, pp , [4] H. Patel e V. Agarwal, MATLAB-Based Modeling to tudy the Effects of Partial hading on {PV} Array Characteristics, IEEE TRAACTIO O EERGY COVERIO, VOL. 23, O. 1, MARCH 2008, vol. 23, n. 1, pp , [5] A. Yamane, W. Wang, L.-A. Gregoire e W. Li, The Real-time imulation of a Power Grid Integrating olar Energies Using a ovel Power Conditioner, IEEE Workshop on Complexity in Engineering, Aachen, Germany, June 11-13, [6]. W. O. K... R. Alex ee Kok Bin e L. I.-W. Monash, Development of a LabVIEW-based test facility for standalone {PV} systems, [7]. P.. T. V. A. Kapil Bhise, LabVIEW based emulation of Photovoltaic array to study maximum power point tracking algorithms, pp , Fig. 11. Perfil 2 de exemplo entre trajetórias da tensão. VI. COCLUÕE Por que utilizar HIL? em muitos casos é a forma mais eficaz de desenvolver sistemas embarcados e conectar a uma planta real. Em outras palavras, ligar, por exemplo, um microinversor (sistema embarcado) a um painel solar (planta real). Apresentando-se o comportamento funcional da planta real, emulando vários padrões comportamentais pode-se testar de várias formas os sistemas embarcados de microinversores. Portanto sendo útil durante o desenvolvimento e teste destes sistemas, determinantes no custo de desenvolvimento e no tempo do ciclo de vida de um produto. Frisa-se também que as informações do teste sendo visualizadas em tempo real permite uma melhor dinâmica para o usuário no desenvolvimento de novas heurísticas ou estratégias no desenvolvimento. o caso do sistema apresentado, microinversor e emulação de painel solar, pode-se investigar em trabalhos futuros estudo de propostas de tratamento estatístico e de métricas de comparação de eficiência entre microinversores (benchmarking). COCLUÕE Este projeto é resultado das pesquisas na área de Energia olar Fotovoltaica no Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer CTI/MCTI e financiado pela FIEP, projeto / Desenvolvimento de competências em energia solar fotovoltaica integrada às edificações e tecnologias fotovoltaicas orgânicas. REFERÊCIA [1] M. Brito, L. Galotto, L. P. ampaio, G. Azevedo e C. A. Canesin, Evaluation of the Main MPPT Techniques for Photovoltaic Applications, IEEE TRAACTIO O IDUTRIAL ELECTROIC, VOL. 60, O. 3, MARCH 2013, vol. 60, n. 3, pp , 2013.