I. INTRODUÇÃO. Palavras-chaves Energia Fotovoltaica, Microgeração Distribuída, Sistemas UPS, MPPT.

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1 Projeto e Simulação Computacional de um Sitema Fotovoltaico Híbrido Utilizado para Injeção de Potência Ativa na Rede Elétrica e Sitema UPS Aplicado a Semáforo Luca P. Pire, Luiz C. Freita, Ernane A. A. Coelho, Valdeir J. Faria e Luiz C. G. Freita Núcleo de Pequia em Eletrônica de Potência (NUPEP), Fac. de Engenharia Elétrica (FEELT), Univeridade Federal de Uberlândia (UFU), Uberlândia MG Gutavo B. Lima, Danillo B. Rodrigue Univeridade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM), Intituto de Ciência Tecnológica e Exata (ICTE), Uberaba - MG Reumo Nete artigo erá apreentado a análie e imulação computacional de uma etrutura que, alimentada por um módulo fotovoltaico, injeta potência ativa na rede elétrica ou opera como itema UPS (Uninterruptible Power Suplly) aplicado em emáforo. A injeção de potência ativa na rede ocorre quando eta encontra-e em condiçõe normai de uprimento (itema ongrid). Sob contingência na rede, aciona-e o modo de operação offgrid e a etrutura alimenta o emáforo atravé da energia extraída do módulo fotovoltaico. A operação no modo on-grid motrou-e eficiente na extração da máxima potência do módulo, injetando na rede corrente com baixo THDi (3,8%). Operando no modo offgrid a etrutura diponibilizou tenão adequada para alimentar o emáforo, garantindo eu funcionamento enquanto a rede elétrica eteja indiponível. Palavra-chave Energia Fotovoltaica, Microgeração Ditribuída, Sitema UPS, MPPT. I. INTRODUÇÃO A crecente demanda energética aliada à poibilidade de redução da oferta de combutívei convencionai (tai como o petróleo), junto com a crecente preocupação com a preervação ambiental, tem impulionado pequia e deenvolvimento de fonte de energia alternativa meno poluente, renovávei e que produzam pouco impacto ambiental. Em e tratando de energia olar, etima-e que a energia proveniente do ol incidente obre a uperfície terretre eja da ordem de 10 mil veze o conumo energético mundial [1]. Além dito, uma projeção feita pela IEA (Internacional Energy Agency) prevê que em 2050 o montante de energia gerada por painéi fotovoltaico erá de 6000 TWh, valor ete correpondente a 16% do total de energia previta para ete período [2]. Quanto ao potencial braileiro de geração de energia fotovoltaica, ete é bem vato, uma vez que o Brail é um paí com localização geográfica privilegiada no que tange ao Fig. 1. Mapa braileiro de irradiação olar em média anual [3]. nívei de irradiação olar, conforme ilutra a Fig. 1. Dete modo, com o objetivo de etabelecer a norma e 1 procedimento para o aceo de micro e mini geração ditribuída ao itema de ditribuição de energia elétrica, além do itema de compenação e outra providência, a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) promulgou a reolução normativa n 482 de 17 de Abril de 2012 e permitiu a poibilidade de utilizar fonte alternativa de energia para erem conectada ao itema de ditribuição, o que fomentou o mercado e abriu epaço para o deenvolvimento de nova pequia nete egmento. Por outro lado, no que e refere à confiabilidade de fornecimento de energia elétrica, a egurança e organização do grande centro urbano dependem da operação contínua do emáforo, uma vez que ete permitem que o trânito de veículo automotore flua de modo organizado e rápido para evitar a ocorrência de acidente e congetionamento. Portanto, a atuação do emáforo tem grande relevância nee cenário e ua alimentação intermitente tem igual importância. Nee contexto, é apreentado nete artigo a propota de um itema de microgeração de energia aplicado à injeção de potência ativa na rede elétrica e atuando como itema UPS (do inglê Ete trabalho etá endo financiado pela FAPEMIG atravé do proceo APQ e TEC-PPM e pelo CNPq atravé do proceo / e /

2 Fig. 2. Diagrama elétrico de um itema fotovoltaico híbrido utilizado como itema UPS e injeção de potência ativa na rede elétrica. Uninterruptible Power Supply) para alimentação diurna de emáforo. A etrutura propota é ilutrada na Fig. 2. Em condiçõe normai da tenão de alimentação o emáforo é alimentado diretamente pela rede elétrica e a etrutura propota opera extraindo potência ativa do módulo fotovoltaico e injetando-a na rede. Frente a ocorrência de uma falta na rede de alimentação, a etrutura operará de forma a continuar alimentando o emáforo a partir da energia diponível no módulo fotovoltaico, garantindo eu funcionamento. II. ESTRUTURA PROSPOTA A etrutura ilutrada na Fig. 2 é reponável pela interface entre o módulo fotovoltaico, emáforo e a rede elétrica. Ee itema opera de forma híbrida, ou eja, conectado à rede quando eta encontra-e em condiçõe normai de operação (on-grid) e de modo iolado (off-grid) quando detectado interrupção no fornecimento de energia elétrica. Operando no modo on-grid a etrutura propota é reponável por extrair a máxima potência diponível no módulo fotovoltaico e injetá-la na rede elétrica atravé da impoição uma corrente com baixo índice de ditorção harmônica total (DHT). Diante da ocorrência de alguma contingência na tenão de alimentação ete modo de operação é abandonado, endo habilitado uma técnica de controle que permite a etrutura operar como itema UPS, extraindo energia do módulo e gerando uma tenão de aída adequada para alimentar o emáforo. Detaca-e que a operação como itema UPS omente é garantida quando a potência diponível no módulo fotovoltaico é uficiente para alimentar o emáforo. Ito ocorre no período diurno e diante da preença de irradiação olar. O módulo fotovoltaico utilizado nete trabalho tem ua principai caracterítica apreentada na Tabela I. TABELA I. DADOS DO MÓDULO SOLAR KD135SX-UPU CONDIÇÕES PADRÃO DE TESTE (CPT: T=25 C, G=1000 W/M², AM=1.5) [3]. Módulo Fotovoltaico Kyocera KD135SX-UPU Tenão MPP, V MPP = 17,7 V Corrente MPP, I MPP = 7,63 A Tenão de Circuito Aberto, U OC = 22,1 V Corrente de Curto-Circuito, I SC = 8,37 A Coeficiente de Temperatura da Tenão (U OC) = -0,08 A/ o C Coeficiente de Temperatura da Corrente (I SC) = -0,00502 A/ o C Eficiência do Módulo, η = 14,0% A. Projeto do Converor CC-CC (Boot) Operando no modo on-grid o converor CC-CC, do tipo Boot, é reponável por extrair a máxima potência do módulo fotovoltaico controlando ua tenão de entrada atravé de uma técnica de MPPT, dicutida na eção D. Neta ituação a tenão de aída do converor Boot é regulada pelo inveror. Já no modo off-grid, o converor Boot é reponável por regular a tenão do link CC de modo a garantir a operação do inveror, endo ete reponável por diponibilizar a tenão enoidal para alimentar o emáforo. Detaca-e que neta ituação é neceário que a potência diponível no módulo fotovoltaico eja uperior àquela demandada pelo emáforo. O valor de indutância do converor Boot é determinado de acordo com (1) [4]: L = Vin D f ΔI = 17,7 0, , = 3,57 mh (1) Em que: Vin é a tenão de entrada do Boot, D é a ua razão cíclica média, f é a frequência de chaveamento e ΔI a ondulação de corrente. De acordo com o dado da Tabela I, a tenão de operação para máxima potência é de 17,7 V. Tendo em vita a eficiência do converor Boot, deeja-e que ua razão cíclica neta condição eteja próxima de 0,8, que ignifica que a tenão do link CC deve er mantida em 70 V. Detaca-e que nete modo de operação a regulação da tenão nete barramento é realizada pelo inveror, conforme dicutido na Seção E. Foi definido uma frequência de chaveamento 50 khz tendo em vita o limite operacionai do interruptore de potência tradicionalmente utilizado para ete fim. Para a ondulação de corrente (ΔI) admite-e um valor igual a 1% do valor médio de entrada, o que retorna 76,3 ma. O capacitor de entrada do converor (C pv) erá definido de acordo com (2) [4], endo que a ondulação de tenão no capacitor (ΔV) deve er limitada a 1% (177 mv) da máxima tenão de aída do módulo. Ete valor garante pouca ocilação da tenão nete ponto do circuito e auxilia o método de MPPT a ficar mai etável. C pv = ΔI 8 f ΔV = 76.3m 8 50k 0.01 = μF (2)

3 B. Projeto do controlador do converor Boot operando conectado à rede elétrica modo on-grid Em (3) é apreentada a função de tranferência em pequeno inai da tenão de aída do módulo fotovoltaico em relação à razão cíclica do converor Boot quando a itema opera no modo on-grid [5]. Eta equação foi obtida a partir do modelo em variávei de etado do circuito ilutrado na Fig. 2 e erá utilizada para o projeto do controlador reponável por impor uma tenão de entrada no módulo fotovoltaico de acordo com a referência gerada pelo método de MPPT. Fig. 3. Repota do controlador do converor boot conectado à rede a um degrau unitário. Gvc_d_on_grid = R pv V cc C pv L 1 R pv 2 +L 1 +R pv (3) Neta equação, R pv é a reitência equivalente do módulo fotovoltaico, C pv é a capacitância conectada em paralelo com o terminai de aída do memo, V cc é a tenão do link CC de aída do converor Boot e L 1 a ua indutância. Para determinar o compenador da planta definida em (3) fez-e uo da ferramenta Siotool do oftware Matlab. Como critério de projeto adotou-e etabilização do itema em 1/10 do tempo de atualização do método de MPPT utilizado. Como eta atualização é de 100 Hz (10 m) tem-e etabilização do controlador em 1 m, com um tempo de ubida de 0,05 m. O projeto do controlador foi realizado com bae no eguinte critério: margem de fae uperior a 60 (itema com baixo tempo de acomodação e ultrapaagem percentual (%UP) reduzida [6, 7, 8]), velocidade do controle 5 veze menor que a frequência de chaveamento (50 khz) e tempo de etabilização máximo de 1 m. Um controlador PI (Proporcional-Integral) atendeu a ete requiito de projeto e etá motrado em (4). A repota ao degrau unitário etá ilutrada na Fig. 3 e o diagrama de Bode e o lugar geométrico da raíze na Fig. 4. C_conv_on_grid = 1,3452 ( ) C. Projeto do controlador do converor Boot operando deconectado da rede elétrica modo off-grid Operando no modo off-grid, o converor Boot é reponável por regular a tenão do link CC, uma vez que neta ituação não é mandatório a realização de técnica de MPPT e a potência extraída do módulo deve er uficiente apena para alimentar a carga. A função de tranferência para o itema neta ituação etá motrada em (5). O critério de projeto ão o memo para o cao on-grid. Gvc_d_off_grid = Vin(R D 2 2 D R+R L ) (D 1) 2 (R D 2 2 R D+C L R 2 +L +R) O compenador que atende a ete critério é dado por (6). C_conv_off_grid = 1 (+100) (4) (5) (6) Fig. 4. Lugar geométrico da raíze e diagrama de Bode para o controlador do converor Boot conectado à rede (modo on-grid). D. Técnica de MPPT Devido à baixa eficiência na converão da energia olar em energia elétrica pelo módulo fotovoltaico e à contante modificação da potência diponibilizada pelo módulo ao longo do dia cauada pela variação de irradiação olar e temperatura ambiente torna-e neceário utilizar alguma técnica de ratreamento do ponto de máxima potência (em inglê, MPPT Maximum Power Point Tracking). Como critério de ecolha do método de MMPT foi realizada uma imulação computacional com o método P&O e Condutância Incremental, que ão tradicionalmente utilizado neta aplicação, e verificado qual dele poui maior eficiência na extração da potência do módulo fotovoltaico. É de uma importância encontrar o método de ratreamento do ponto de máxima potência que retorna o maior fornecimento de potência em ituaçõe diverificada de operação (diferente índice de irradiação olar e temperatura). Por menor que eja a diferença de eficiência entre o método, ao longo de vário ano, deixa-e de extrair um montante coniderável de energia. 1) Método P&O Para obter a repota dete método de MPPT imulou-e a etrutura operando no modo on-grid ubmetida a um degrau de radiação de 500 W/m 2 para 1000 W/m 2 com temperatura contante em 25 C. A Fig. 5 apreenta o reultado obtido a partir do método P&O. Nota-e que eta técnica extrai do módulo fotovoltaico uma potência próxima do valor máximo diponível em amba condiçõe. A ocilação da potência extraída é uma caracterítica dete método, uma vez ua operação inere uma perturbação de tenão para obter o ponto de máxima potência. A mínima eficiência obtida em regime permanente foi de, aproximadamente, 98,4%.

4 Fig. 6. Modo de controle do tipo cacata aplicado ao controle de um inveror full-bridge. A funçõe de tranferência do inveror no modo on-grid e eu repectivo controladore ão: Fig. 5. Comparação entre a máxima potência fornecida pelo módulo fotovoltaico e a obtida pelo método P&O. 2) Método de Condutância Incremental G il_d () = 2 V CC L2 C 2 () = 1, , (7) (8) Para a mema condiçõe de imulação, a repota em regime permanente deta técnica foi emelhante à técnica P&O. Contudo, para uma irradiação de 1000 W/m 2 a técnica condutância incremental e revelou meno eficiente, com 96,6% de extração de máxima potência. Portanto, a técnica P&O foi ecolhida como método de MPPT para a extração do demai reultado de imulação computacional apreentado nete trabalho. E. Projeto do Inveror Conforme ilutra a Fig. 2, o inveror é implementado atravé de uma ponte completa de interruptore de potência cacateado com um filtro LC. Em condiçõe normai da tenão de alimentação (modo on-grid) o inveror é reponável por regular a tenão do link CC em 70 V e injetar na rede elétrica uma corrente com baixa DHT. No modo off-grid o inveror deve gerar uma tenão de aída enoidal adequada para alimentar o emáforo. Nete cao, a regulação da tenão do link CC é realizada pelo converor Boot. Para a epecificação do filtro LC do inveror (L 2 e C f na Fig. 2) utiliza-e a fórmula do converor Buck tradicional. Como critério de projeto, etabeleceu-e uma ondulação de tenão e corrente igual a 1%. Portanto, o valor de indutância e capacitância encontrado foram, repectivamente, 5 mh e 0,5 μf. F. Projeto do controlador do inveror operando conectado à rede elétrica modo on-grid No modo de operação on-grid a etratégia de controle utilizada é do tipo cacata (Fig. 6). Ete tipo de controle aplicado ao itema fotovoltaico é caracterizado por conter uma malha interna de corrente (G il_d ) reponável por injetar na rede elétrica uma corrente com baixo conteúdo harmônico. Já a malha externa (G vc_il ) é reponável pelo controle de tenão no link CC. Ainda com relação ao controle em cacata, a malha interna (controle de corrente) deve ter ação mai rápida que a malha externa (controle de tenão) para que a tenão no link CC eja regulada a partir da variação da amplitude de corrente injetada na rede elétrica. Além dio, ambo o controladore devem propiciar um itema com margem de fae maior que 60. G vc_il () = ((4 R D)(D 1)+R L2 ) (Cf R +2) (2D 1) C 1 () = 0,1 (+10) (9) (10) G. Projeto do controlador do inveror operando conectado à rede elétrica modo off-grid Para a ituação off-grid o controle do inveror é o reponável por gerar uma tenão enoidal com 30 V de pico e frequência de 60 Hz que é aplicada ao primário do tranformador, conforme ilutra a Fig. 2. Logo, a função de tranferência para ete controle envolve a tenão de aída do inveror com relação à razão cíclica de chaveamento (G vaidainv_d ), ilutrado em (11). De forma análoga ao modo on-grid, o itema deve ter no mínimo 60 de margem de fae. Portanto, o controlador encontrado é ilutrado em (12). G vaidainv_d = 2 Rinv Vin C L Rinv 2 +L +Rinv C vaida_d = 0,87389 (+2, )(+1, ) (+2, ) H. Projeto do Tranformador (11) (12) Coniderando que a tenão de fae-neutro da rede elétrica tem valor igual a 180 V de pico, eria neceária uma tenão no link CC de aproximadamente 300 V para o inveror operar adequadamente injetando potência ativa na rede elétrica. Dea forma, o converor Boot (reponável pela interface entre o módulo fotovoltaico e o inveror) deveria operar com uma tenão de alimentação de 17,7 V gerando na ua aída uma tenão de 300 V. Eta condição de operação é inviável, uma vez que a razão cíclica de operação teria um valor próximo da unidade, o que cauaria problema no que tange à controlabilidade do converor, além de elevar conideravelmente ua perda [4]. A olução propota conite em manter a tenão do link CC em 70 V. Dea forma, o converor Boot opera com uma razão cíclica igual a 0,77. Para ete nível de tenão do link CC o inveror opera adequadamente gerando uma tenão de aída com amplitude de 30 V de pico.

5 Portanto, para adequar ee nível de tenão ao da rede elétrica (180 V de pico) utilizou-e um tranformador monofáico ideal com relação de epira de 1/6 do primário em relação ao ecundário. Ete tranformador, além de permitir a adequada operação do converore de potência, inere uma iolação galvânica na etrutura, deejável para o deacoplamento entre a rede e o converore de potência. motra a forma onda de tenão e corrente no terminai do emáforo na ituação off-grid. O valor de ditorção harmônica de corrente e tenão para diferente nívei de irradiação olar e modo de operação é apreentado na Tabela II. III. Simulaçõe computacionai Com o intuito de verificar a repota da etrutura propota diante da variação de irradiação olar e contingência na rede elétrica fez-e a imulação com irradiação inicial de 400 W/m 2 durante 0,5 egundo, endo acrecido de 600 W/m 2 por mai 0,5 egundo. Nee intante, há falha no fornecimento de energia e o itema paa a operar no modo off-grid com irradiação de 400 W/m 2. No tempo 1,5 egundo inere-e um acrécimo de 600 W/m 2 de irradiação mantendo a condição de falta na rede. A temperatura é contante durante toda imulação (25 C). A Fig. 7 ilutra o comportamento da potência extraída do módulo fotovoltaico. Durante o período on-grid a potência extraída aproxima-e do valor máximo diponível em função da técnica de MPPT aplicada. Sob contingência na alimentação a potência extraída do módulo é omente 8 W, que é potência requerida pelo emáforo. a) b) Fig. 8. a) Tenão e corrente na rede elétrica para o itema on-grid. b) Tenão no emáforo para o itema off-grid. Fig. 7. Comparação da potência máxima diponível com a potência extraída durante a perturbaçõe de irradiação e falha na rede. No reultado de imulação computacional apreentado, a rede elétrica é repreentada por uma fonte de tenão enoidal de 60 Hz com amplitude de 180 V de pico e defaagem angular nula. O inal de referência utilizado na etratégia de controle para garantir o incronimo entre a tenão de alimentação e a corrente injetada na rede foi implementado atravé de uma fonte enoidal com mema fae da fonte utilizada na alimentação. No itema reai ete incronimo entre a tenão de alimentação e o inal utilizado na etratégia de controle é alcançado atravé de um PLL (do inglê, Phae Locked Loop). Na imulação computacional a deconexão da rede elétrica (contingência) é realizada por meio de um interruptor (S 6 na Fig. 2), que iola a rede e comuta o controle do modo on-grid para off-grid. A Fig. 8 a) ilutra a forma de onda de tenão e a corrente injetada na rede elétrica para a ituação on-grid e a Fig. 8 b) TABELA II. DISTORÇÃO HARMÔNICA TOTAL DE TENSÃO E CORRENTE. On-Grid Off-Grid Vrede Irede Vemaforo Iemaforo 200 W/m 2 0,015% 7,0% 1,4% 1,4% 400 W/m 2 0,014% 4,4% 1,36% 1,36% 600 W/m 2 0,012% 3,87% 1,39% 1,39% 800 W/m 2 0,012% 3,82% 1,41% 1,41% 1000 W/m 2 0,011% 3,77% 1,4% 1,4% A Fig. 9 ilutra a tenão de referência gerada pelo método P&O e a repectiva repota do controle da tenão no terminai do módulo fotovoltaico. A Fig. 10 motra a tenão no link CC diante da variaçõe de irradiação olar e no doi modo de operação (on-grid e off-grid). Na condição on-grid a regulação da tenão do link CC é realizada pelo inveror, que também poui a função de injetar corrente na rede elétrica. O tempo demandado para a tenão do link CC alcançar a referência (70 V) durante o modo on-grid etá diretamente relacionado ao apecto da corrente da injetada na rede, conforme evidencia a etratégia de controle ilutrada na Fig. 6. Quanto menor o tempo de etabilização da tenão do link CC, mai ditorcida erá a corrente injetada na rede elétrica neta ituação.

6 O cuto referente a implementação do projeto e ua manutenção, bem como local de intalação do módulo fotovoltaico erão realizado em etudo poteriore, endo que em trabalho futuro o autore apreentarão o reultado experimentai dete itema operando para maiore nívei de potência. IV. REFERÊNCIAS Fig. 9. Tenão de referência gerada pelo MPPT e a tenão no terminai do módulo fotovoltaico para 1000 W/m 2. Fig. 10. Tenão no link CC durante o período de imulação. Durante a condição off-grid, a regulação da tenão do link CC é realizada pelo converor Boot, que poui excluivamente eta função neta condição. Portanto, a regulação da tenão de link neta condição é realizada de forma mai eficiente, conforme pode er verificado na Fig. 10. Apear do tempo de etabilização elevado na condição on-grid, a injeção de corrente na rede elétrica não é efetivamente prejudicada. III. OBSERVAÇÕES FINAIS A Reolução Normativa nº 482/2012 com complemento na eção 3.7 do Módulo 3 do PRODIST etabeleceu o procedimento para aceo de micro e mini geradore ao itema de ditribuição, o que etimulou divera pequia nea área. Nee contexto, a utilização do itema fotovoltaico híbrido, que opera no modo on-grid e off-grid, e torna intereante no que tange a utilização de fonte alternativa de energia aliado ainda à poibilidade utilizar a etrutura como itema UPS para emáforo, com o intuito de reduzir trantorno no trânito cauado pela interrupção diurna do fornecimento de energia elétrica pela rede CA tradicional. Atravé do reultado de imulação computacional apreentado conclui-e que a etrutura propota apreentou reultado atifatório operando tanto no modo on-grid quanto no modo off-grid. Detaca-e ainda que há uma etratégia de controle ditinta para cada ituação e que a tranição entre ete controle não compromete a continuidade de fornecimento de energia ao emáforo. [1] ANEEL. [Online]. Available: aplicacoe/atla/energia_olar/3_2.htm. [Aceo em ]. [2] I. E. Agency, Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy, Pari, France, [3] Kyocera. [Online]. Available: com.br/pdf/kd-f-cell-sx-erie.pdf. [Aceo em ]. [4] D. W. Hart, Eletrônica de Potência: análie e projeto de circuito, Porto Alegre: Mc Graw Hill, [5] G. B. d. Lima, Análie e deenvolvimento de um novo converor CA-CC híbrido monofáico com controle digital baeado em DSP, Uberlândia, [6] A. F. C. Heverton Auguto Pereira, Deenvolvimento, modelagem e controle de converore etático de potência: Converor Boot, [7] K. Ogata, Engenharia de Controle Moderno, Pearon Education-Br, [8] R. Dorf, Sitema de Controle Moderno, Rio de Janeiro: LTC, [9] I. T. Salamoni e R. Ruther, Potencial braileiro da geração olar fotovoltaica conectada à rede elétrica:, Ouro Preto, [10] C. -. CRESESB, Manual de Engenharia para Sitema Fotovoltaico, Rio de Janeiro, [11] A. C. Gome, Análie, Projeto e Simulação de um converor Boot com técnica de ratreamento de máxima potência para itema fotovoltáico, Uberlândia, [12] J. I. L. Seguel, Projeto de um itema fotovoltaico autônomo de uprimento de energia uando técnica de MPPT e controle digital, Belo Horizonte, 2009.