PROJETO E SIMULAÇÃO DE UM ARRANJO FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE UTILIZANDO FILTRO LCL

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1 PROJETO E SIMUAÇÃO DE UM ARRANJO FOTOOTAIO ONETADO À REDE UTIIZANDO FITRO uana D. de ima, Gutavo B. de ima, uiz. G. Freita 3, ua P. Pire 4,3,4 - Univeridade Federal de Uberlândia, Fauldade de Engenharia Elétria, Uberlândia MG, - Univeridade Federal do Triângulo Mineiro, Fauldade de Engenharia Elétria, Uberaba-MG luanadaiana@outlook.om, gutavobrito@gmail.om, 3 lgfreita@yahoo.om.br, 4 luapereirapire@yahoo.om.br Reumo Ete artigo apreenta a imulação de um itema fotovoltaio onetado à rede elétria por meio de um inveror om filtro tendo o objetivo de extrair a máxima potênia forneida pelo painel olar e injeta-la na rede elétria, devido a reente utilização da energia fotovoltaia, e o aumento da demanda por fonte de energia limpa. de irradiação melhore do que aquela enontrada na Alemanha, o maior utilizador deta tenologia na atualidade []. A Figura motra a irradiação olar mundial em média anual. Atravé dela omprova-e que o Brail tem maior potenial de geração de energia olar que o paíe europeu, onde a energia fotovoltaia é muito utilizada. Palavra-have Boot, onexão à Rede Elétria, Energia Solar Fotovoltaia, Fonte Alternativa de Energia, Inveror. Abtrat Thi artile preent a imulation of a photovoltai ytem onneted to the grid through an inverter with filter with the aim of extrating the maximum power upplied by the olar panel and injet it into the grid, due to inreaing ue of photovoltai, and inreaing demand for lean energy oure. Keyword Alternative Energy Soure, Boot, lean Energy, onneting to the Eletri Network, Photovoltai Solar Energy, Inverter. I. INTRODUÇÃO O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inegotável na eala de tempo terretre tanto omo fonte de alor omo fonte de luz, é hoje uma da alternativa energétia mai promiora para prover a energia neeária ao deenvolvimento humano []. A energia olar fotovoltaia é uma maneira de omplementar a geração de eletriidade no paí, produzindo energia limpa e renovável a partir da luz do Sol, além de diverifiar a matriz energétia naional. A importânia dete tema etá reendo, havendo neeidade de deenvolver itema mai efiiente e de menor uto. A quantidade de energia produzida por um itema fotovoltaio depende da taxa de irradiação olar e da temperatura ambiente do loal onde é intalado. No Brail, a regiõe Nordete, entro-oete e Norte ão a que pouem o maior potenial de aproveitamento da energia olar (om detaque para o nordete). A região Sul, dentre toda a regiõe, é a meno privilegiada, entretanto ainda poui taxa Fig.. Mapa mundial de irradiação olar em média anual. [] A fim de ontribuir om o deenvolvimento e a diverifiação da matriz energétia braileira, ete trabalho propõe a riação de um itema fotovoltaio onetado à rede elétria (on-grid). Na operação on-grid a etrutura propota é reponável por extrair a máxima potênia gerada no painéi fotovoltaio e injetá-la na rede elétria ob a forma de potênia ativa ontendo onteúdo harmônio limitado pela norma internaional, em epeifio do Intitute of Eletrial and Eletroni Engineer (IEEE) Standard for Interonneting Ditributed Reoure with Eletri Power Sytem. Indutânia têm ido utilizada para diminuir ee harmônio. Um filtro ou geralmente é oloado entre o inveror e a rede para atenuar a ditorçõe auada pela frequênia de omutação do inveror. Nee entido o trabalho omprova a apliabilidade de filtro do tipo no itema fotovoltaio onetado à rede elétria. II. ESTRUTURA PROPOSTA A Figura repreenta a etrutura propota do projeto, formada pelo painéi fotovoltaio, onveror - boot, inveror do tipo Ponte ompleta, filtro e rede om derição detalhada a eguir. Em relação a etratégia de ontrole, foi utilizada a ténia de MPPT (Maximum Power Point Traking) P&O (Perturbe e Oberve) que onite em extrair a máxima potênia diponível no painel para a ondiçõe de temperatura e radiação inidente a ada intante.

2 Arranjo Fotovoltaio onveror Boot Barramento Inveror Filtro Rede Elétria Q Q4 boot Q link R R A Q3 Q5 Fig.. Diagrama do iruito de potênia propoto nete trabalho III. MÓDUOS FOTOOTAIOS Nete projeto utilizam-e 6 painéi fotovoltaio Kyoera KD355-UDP. Para realizar a imulação foi neeário onfigurar o modelo fíio do um módulo olar utilizando a ferramenta Solar Module (phyialmodel) do oftware PSIM. Primeiramente, foi preio ir à tela de parametrização e inerir todo o dado que o dataheet informa. Ee dado ão referente ao apeto fíio e ontrutivo do módulo olar onforme motra a Figura 3. itema fotovoltaio onetado à rede elétria, tem omo prinipal araterítia a elevação da tenão de aída em relação à entrada om exeução da extração da máxima potênia diponível no terminai do módulo olare para diponibilização de um nível de tenão apropriado à ação do inveror. A. Projeto do onveror boot O apaitor do onveror boot foi alulado uando a equação [4]: P.. U. û () rede Onde: P rede U û - apaitor de aída do arranjo [F]; - Potênia máxima do arranjo fotovoltaio [W]; - Frequênia angular da rede[hz]; - Tenão máxima obre o apaitor []; - Amplitude do ripple []. Fig. 3. Parametrização no Solar Module Na ondiçõe padrõe de tete (PT: W/m, 5 ) o dataheet informa que a potênia máxima de um painel é de 35 Watt. omo etão endo utilizado 6 painéi, a potênia máxima do itema é ei veze maior a potênia máxima de um painel, a potênia máxima (Pmax) enontrada no Solar Module eta oerente om o eperado (8,4 W). I. ONERSOR BOOST - onverore de orrente ontínua (-) ão uado em vária apliaçõe indutriai e aadêmia em que é neeário fazer a onverão de nívei de tenão forneendo uma aída regulada [3]. Nete trabalho erá utilizado um onveror elevador om topologia boot. Ete onveror, quando apliado ao A potênia máxima extraída do arranjo fotovoltaio é de 8,4 W e a tenão máxima obre o apaitor é 6,68. A amplitude do ripple foi etabeleida em 8% da tenão máxima obre o apaitor, para que a oilação obre ete eja de pequena magnitude. A frequênia angular é dua veze a frequênia da rede, 6 Hz [5]. Por fim, o valor do apaitor de aída do arranjo é de 67 µf. Para o álulo do indutor do onveror - boot iniialmente alula-e a razão ília, endo utilizada a equação (): D U out () out D - Razão ília do boot; - Tenão na aída do boot []; out

3 Na aída do boot a tenão deve er de 4. Aim, a razão ília é,75. onheendo a razão ília, é poível enontrar a indutânia do boot atravé da equação (3). boot - Indutor do boot [H]; boot U. D (3) I. f f h - Frequênia de haveamento [Hz]; I - Ripple da orrente [A]. A frequênia de haveamento é de 5 KHz viando obter valore menore de indutore e apaitore. A ondulação de orrente é de 76,3 %. A indutânia do boot reulta em 3,93 mh. B. Projeto do ontrolador do onveror boot O projeto do ontrolador do onveror boot é feito atravé de um ontrolador Proporional Integral Derivativo (PID) que ontrola a tenão na aída do painel fotovoltaio atravé de uma tenão de referênia. Para enontrar o PID, foi preio realizar a análie em epaço de etado do onveror boot. A matrize do itema para a have fehada (A) e have aberta (A) ão: u in (4). h Il x (5) Rl _ boot boot boot A (6) R arg a. A R l _ boot R arg a. boot boot (7) B (8) B (9) boot A partir da matriz de etado foi poível enontrar a função tranferênia G ( ) para ontrolar a tenão de _ d entrada do onveror boot e aim extrair a máxima potênia do painel. G R arga in _ d () R Rload.. R. Rarga... Rload.. R arg - Reitênia do módulo fotovoltaio [ ]; a in - Tenão do barramento []; R _ - Reitênia do indutor do boot [ ]; l boot - apaitânia do boot [F]; boot - Indutânia do boot [H]; Em eguida o ontrolador PID foi projetado no Matlab. omo ritério de projeto foi utilizado margem de fae igual a 6, largura de banda 5 veze menor que a frequênia de haveamento, ultrapaagem perentual (UP) limitada em % e tempo de aomodação em m. Também foram ritério, um polo na origem para eliminar o erro de regime permanente, um polo na frequênia de haveamento (5 khz) para filtrar frequênia aima do haveamento e o zero do ompenador foram poiionado no polo da planta. A repota dete ompenador a um degrau unitário e o diagrama de bode ão evideniado na figura 4 e figura 5 repetivamente, onde fia evidente que o ontrolador atendeu o requiito de projeto. Fig. 4. Repota a um degrau unitário do onveror boot. Fig. 5. Diagrama de Bode do ompenador e lugar geométrio da raíze para o ontrole do onveror boot. Finalmente, o ompenador do boot reulta em: boot 3 3 4,.. 3,3. 535,8 () 6.( 5. ) 3

4 . ONERSOR -A PONTE OMPETA Inverore ão iruito que onvertem tenão e orrente em A om a frequênia de aída deejada. A partir da implementação do orreto haveamento é poível obter em ua aída, forma de onda aproximadamente enoidai, podendo eta er filtrada para melhore reultado [6]. O inveror utilizado nete trabalho é do tipo ponte ompleta (do inglê, Full-Bridge). Quando on-grid, ete é o elemento reponável por ontrolar a tenão do barramento e injetar orrente elétria na rede om baixa ditorção harmônia total (DHT). Para operação off-grid, ua função e reume em garantir a orreta alimentação elétria da arga (UPS), endo que eta erá deenvolvida em trabalho poteriore. A. Filtro O haveamento do onverore provoam harmônio que devem er reduzido para etar em onformidade om o proedimento do módulo 8 qualidade da energia elétria da Agenia Naional de Energia Elétria (ANEE). Atualmente ete é o doumento de referênia para etudo e analie da qualidade de energia em itema de potênia. Um indutor de valor elevado poderia er utilizado para atenuar ee ruído, entretanto o alto uto e o tamanho difiultam ua utilização em itema de potênia uperior a algun kw. O filtro urge omo uma alternativa mai atrativa, já que eu indutore apreentam menor valor de indutânia, além de atenuar o harmônio de haveamento do inveror [7] e [8]. Para enontrar a indutânia foi utilizado o valore de bae da equaçõe e 3 [7]. o valor da orrente harmônia da rede obre a orrente harmônia do onveror, endo a atenuação eolhida em %. x r. (6) I g ( h ) (7) i( h ) r( ax). b w a - alor de Atenuação de 5% O reultado enontrado etão preente na Tabela I. Tabela I alore enontrado para o filtro. Elemento do Filtro alore, F mh mh B. Projeto do ontrolador do inveror A etratégia de ontrole utilizada para o inveror foi do tipo aata. Nete tipo de ontrole, a malha interna deve reponder mai rápido à variaçõe no ditúrbio do que a malha externa. e - Tenão nominal efiaz do filtro []; Z b b e () P (3). Z rede O valor do apaitor do filtro ( ) é enontrado atravé do valor de atenuação de 5% da potênia reativa do itema. b,5. b (4) O indutor pode er enontrado limitando a orrente de ripple máxima admiível egundo a equação (5) [9]. e (5). 6. f h.. I ripple I - orrente de ripple máxima admiível [A]; ripple O egundo indutor é enontrado atravé de (6). O I g ( h ) parâmetro r é alulado atravé de (7). A divião é i( h ) Fig. 6. Diagrama do ontrole em aata. ontrolador da malha de orrente A malha interna é reponável por fazer o ontrole da orrente injetada na rede. Foi realizado a análie de epaço de etado do inveror, reultando na eguinte matrize: R Rl R R R Rl A (8) link Rl R R R R Rl A (9) link 4

5 u rede () B () I l Il x () B _ link (3) e - Indutânia do filtro [H]; Rl - Reitênia do indutor - apaitor do filtro [F]; - Reitênia de R link [ ] ; [ ] - apaitor do barramento de tenão ontínua [F]; om a matrize de etado, foi poível enontrar a função tranferênia da orrente do indutor em função da razão ília de haveamento D do inveror (Gild). ; ( ) D. ontrolador da malha de tenão O ontrolador da malha de tenão é reponável por manter o barramento em 4. Para enontrar o ontrolador de tenão (()) é preio onheer a função tranferênia que relaiona a tenão no apaitor link e a orrente no indutor (Gv_il), enontrada om a matrize de etado do inveror. A Gv_il alulada foi: link. link.... R. link. Gv _ il (4) link.(. R.. Rl. ) O ontrolador da malha de tenão enontrado é: ( ), , , , ,5., , , , ,5. (5) Por er de Grau 7 o ontrole e torna omplexo, endo aim foi enontrado um PI por meio de tentativa erro om um ganho de,5 e ontante de tempo de,8. O ganho de valor pequeno garante que o ontrolador de tenão eja mai lento que o ontrolador de orrente, atifazendo o ritério do ontrolador do tipo aata. I. RESUTADOS OBTIDOS A Figura 9 motra a potênia diponível no painel (P_Painel) e a potênia extraída do painel (P_Painel_Wattimetro). Nota-e o orreto funionamento da ténia de MPPT, uma vez que o itema de ontrole atuou e etabilizou o itema pouo egundo depoi da perturbação que oorreu no tempo igual à,5, momento que a irradiânia mudou de 5 W/m para W/m. Fig. 7. Diagrama de bode do ompenador de Gil_d e lugar da raize. Fig. 9. omparação entre a potênia diponível no painel e potênia extraída do painel. Fig. 8. Repota do ompenador de Gil() à um degrau unitário. O ompenador de Gild pouem o memo ritério que o onveror boot, porém a UP foi etabeleido em 5%. O diagrama de Bode e a repota a um degrau unitário etão evideniado na Figura 7 e 8 repetivamente. O ompenador enontrado da função Gild () é: Apó realizar a ampliação da Figura 9 no período de regime permanente ompreendido entre o tempo de,7 á,9, é poível pereber que a potênia extraída é de aproximadamente 89 W e a produzida pelo onjunto de painéi é 8 W(efiiênia de 99,87%), omprovando que o método P&O utilizado é efiiente para a extração da máxima potênia diponível no painéi. 5

6 buar melhoria no itema fotovoltaio e, aim, fomentar ua partiipação na matriz energétia naional. AGRADEIMENTOS O autore agradeem a FAPEMIG e ao NPQ pelo inentivo a pequia. REFERÊNIAS Fig. Ampliação da omparação entre potênia diponível e extraída do painel. A Figura apreenta a orrente injetada na rede durante egundo de imulação. Para a ondição de 4 W/m a orrente injetada tem um valor de aproximadamente 5 A pio e para a ondição de W/m ee valor obe para 9 Apio. Fig.. orrente injetada na rede A ditorção harmônia dea orrente foi de,9% onforme a Figura, omprovando a efiáia do ontrole e filtro projetado, uma vez que a norma internaional IEEE Standard for Interonneting Ditributed Reoure with Eletri Power Sytem impõe a máxima ditorção harmônia de orrente igual a 5%. Fig.. Ditorção Harmônia Total (DHT) da orrente que etá endo injetada na rede elétria. II. ONUSÕES Ee projeto propô a ontrução de um itema fotovoltaio onetado à rede, utilizando em ua topologia o filtro. O trabalho obteve reultado atifatório uma vez que o índie de DHT etá adequadamente abaixo do etipulado pela norma, demontrando a efiiênia da ténia e garantindo aim, a qualidade da energia injetada na rede. A ténia de MPPT, embora é uma maneira imple de ratreamento do ponto de máxima potênia também e motrou-e efiiente. Ete projeto é parte de uma pequia onde etá endo deenvolvido um itema hibrido (operação On-grid e offgrid). Embora, ete ainda e enontra em deenvolvimento, o projeto tem ignifiativa importânia vito a neeidade de [] J. T. Pinho, M. A. Galdino, Manual de Engenharia para Sitema Fotovoltaio, EPE: RESESP, pp. 8 85, março 4. Aedido em de Janeiro de 6, em: ual_de_engenharia_f_4.pdf [] I. T. Salamoni, R. Rüther, O Potenial Braileiro da Geração Solar Fotovoltaia onetada à Rede Elétria: Análie de Paridade de Rede. IX Enontro Naional e atino Ameriano de onforto no Ambiente, pp , agoto 7. Aedido em de Setembro de 5, em: 7/ENA/alamoni_ruther.pdf [3] D. B. andido, ontrole Superviório Apliado a Sitema Fotovoltaio Autônomo om Topologia Multi String. Univeridade Federal de Santa Maria, pp. -6, março. Aedido em 6 de Janeiro de 5, em: Arquivo=359 [4] J. K. P. F. B. Soeren Baekhoej Kjaer, "A Review of Single-Phae Grid-onneted Inverter for Photovoltai Module," IEEE Tranation on Indutry Appliation, vol. 4, no. 5, pp. 9 36, etembro/outubro 5. [5]. A. S. Jain, "omparion of the performane of maximum power point traking heme applied to ingle-tage grid-onneted photovoltai ytem," IET Eletrial Power Appliation, vol., no. 5, pp , 7. [6] A. Ahmed, Eletrônia de Potênia, Prentie Hall, São Paulo,. [7] M. iere, Deign and ontrol of an ll-filter baed three-phae ative retifier, IEEE Indutry Appliation onferene, vol., no. 5, pp , etembro/outubro 5. [8] T.. Wang, Z. Ye, G. Sinha, Output filter deign for a grid-interonneted three-phae inverter, IEEE 34 th Annual Power Eletroni Speialit onferene, vol., pp , Agoto 3. [9] M. Malinowki, Bernet, Simple ontrol heme of pwm onverter onneting Wind turbine with grid imulation tudy, Nordi Windy Power onferene, pp Aedido em 6 de Janeiro de 5, em: pdf 6