Micro inversor para módulo fotovoltaico

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Micro inversor para módulo fotovoltaico Nuno Cruz de Lima Curral RELATÓRIO FINAL Relatório Final realizado no âmbito da Unidade Curricular de Preparação da Dissertação do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores do Major Automação Orientador: Prof. Dr. Armando Luís Sousa Araújo Co-orientador: Eng. Nuno Costa Fevereiro 2012

2 2 Conteúdo Conteúdo... 2 Capítulo Introdução... 4 Capítulo Estado de Arte Modelação dos painéis fotovoltaicos Equações associadas aos modelos elétricos Modelo de um díodo Modelo de dois díodos Cálculo de R p e R s Influência da radiação e temperatura Sistemas de conversão de energia fotovoltaica Esquemas de conversão Conversores DC/DC Conversores DC/DC não isolados Step-down Buck Step-up Boost Step-up/step-down Buck-Boost Conversores DC/DC isolados Flyback Forward Push-pull Meia ponte Ponte completa Topologias Inversoras para AC Modules Bi-Directional Fly-Back Inverter [12] Conversor ressonante série DC/DC e inversor de ponte completa modificado [12] Conversor Buck-Boost e inversor de ponte completa [13] Flyback-type inverter [7] Conversor Flyback DC/DC com ponte completa DC/AC a tirístores [7] Mastervolt Soladin 120 inverter [7] Comparação entre topologias [7] Técnicas MPPT Condutância incremental Perturbação e observação Controlo baseado em lógica difusa... 29

3 Controlo baseado em redes neuronais Correlação de Ondulação Hill Climbing Comparação entre técnicas MPPT Capítulo Caracterização dos problemas a tratar Capítulo Plano de trabalho Anexos Diagrama de Gantt Referências... 37

4 4 Capítulo 1 Introdução Nos tempos que decorrem a escassez em petróleo, o impacto ambiental inerente ao seu uso e o aumento do seu preço que se vem a verificar ao longo dos anos motivaram o ser humano a procurar formas de energia renovável não poluentes que possam satisfazer as suas necessidades energéticas. O Sol é a maior fonte de energia do planeta Terra sendo que esta energia nos chega como energia luminosa e energia térmica, tratando-se de uma fonte de energia inesgotável, renovável, sustentável e limpa, não constituindo uma ameaça para o meio ambiente. A necessidade do ser humano em produzir energia elétrica motiva o desenvolvimento das tecnologias baseadas no efeito fotovoltaico, relatado pela primeira vez em 1839 por Alexandre- Edmond Becquerel, que consiste na transformação da energia transmitida pelo Sol em corrente elétrica quando material semicondutor fica com uma diferença de potencial nos seus extremos devido à absorção da luz. Este material semicondutor designa-se por células fotovoltaicas podendo estas ser conectadas dando origem a módulos ou painéis fotovoltaicos. Estes geradores elétricos têm a desvantagem de terem uma baixa eficiência energética e de usarem tecnologia cara, sendo para isso necessário que a comunidade científica desenvolva esforços para aumentar a sua eficiência para que o retorno do investimento passe a ser mais gratificante. No sentido de aproveitar a máxima energia que os painéis fotovoltaicos podem fornecer há que garantir que estes operam no ponto de máxima potência e interligá-los à rede elétrica de energia, para que possamos usufruir da mesma, através de conversores otimizados para o máximo rendimento. O investimento nas tecnologias baseadas em energias renováveis é uma aposta para o futuro, reduzindo os custos associados ao uso de energia não renovável, podendo esta energia ser vendida, no caso de uma instalação doméstica, para o provedor de eletricidade ou para o estrangeiro.

5 5 Capítulo 2 Estado de Arte 2.1 Modelação dos painéis fotovoltaicos Os painéis fotovoltaicos têm como finalidade a conversão da energia luminosa transmitida pelo Sol em energia elétrica sendo uma tecnologia com potencial benefício a longo prazo. A sua comercialização tem crescido imenso, sendo promovida pelos governos por ser uma energia limpa e sustentável [1]. O princípio de funcionamento dos painéis fotovoltaicos baseia-se no papel que o material semicondutor desempenha, que ao ser excitado pela absorção da energia luminosa gera corrente elétrica contínua, sendo o silício cristalino o semicondutor mais usado até à data. Sendo os painéis fotovoltaicos geradores elétricos com uma baixa eficiência, torna-se necessário rentabilizar o investimento feito e garantir que é extraída a máxima energia do mesmo, sendo necessário para que tal aconteça desenvolver conversores controlados com uma alta eficiência de conversão e que extraiam a máxima potência do painel fotovoltaico [2]. Para o desenvolvimento destes sistemas e para garantir a utilização ótima da energia solar é necessário efetuar uma simulação precisa, credível e abrangente antes da implementação recorrendo-se a ferramentas de simulação como o PSIM ou Matlab Simulink. Para que a simulação seja precisa e credível é necessário garantir que a modelação do painel fotovoltaico é consistente, emulando o seu comportamento real de forma fidedigna [3] Modelos elétricos O modelo elétrico de um painel fotovoltaico envolve a estimação das curvas não lineares das características corrente-tensão e potência-tensão tendo como base valores fornecidos na datasheet do painel fotovoltaico e ensaios efetuados com o mesmo. Para que o modelo elétrico obtido seja preciso este deve ser verificado comparando as curvas obtidas com os dados fornecidos pelo fabricante do painel fotovoltaico para diferentes condições de irradiação e temperatura. A Figura 2.1 apresenta as curvas características de um painel fotovoltaico.

6 6 Figura 2.1 Curvas características corrente-tensão e potência-tensão de um painel fotovoltaico [4] Existem diferentes modelos elétricos de painéis fotovoltaicos sendo o mais simples o modelo de um díodo, ou modelo ideal, visível na Figura 2.2 que consiste numa fonte de corrente I ph, dependente da radiação incidente, em paralelo com um díodo que representa o comportamento da corrente na junção PN do semicondutor, necessitando apenas de três parâmetros, sendo eles a corrente de curto-circuito I sc, a tensão em vazio V oc e o fator de idealidade do díodo [3]. Figura 2.2 Modelo ideal do circuito equivalente de um painel fotovoltaico Este modelo pode ser melhorado através da inclusão de uma resistência em série R s, exibindo, no entanto, falhas para variações de temperatura. A inclusão de uma resistência em paralelo R p melhora significativamente os resultados obtidos com o modelo, mostrando apenas resultados um pouco piores para baixas irradiações, principalmente para tensões na vizinhança da tensão em vazio do painel fotovoltaico [3]. A Figura 2.3 apresenta o modelo de um díodo com a inclusão de resistência em série e em paralelo. Figura Modelo de um díodo com inclusão de resistência em série e em paralelo A adição das resistências ao modelo ideal de um díodo representa as perdas que ocorrem num painel fotovoltaico real que afetam o seu desempenho e permitem obter um modelo elétrico mais fidedigno. Tem-se assim um modelo em que a fonte de corrente depende da irradiação solar e da temperatura, um díodo que representa o comportamento da corrente na junção PN do material semicondutor que depende da temperatura e da tensão, uma resistência em paralelo R p e uma resistência em série R s, que representam as perdas por correntes de fuga e por condução, respetivamente [2].

7 7 Outra opção existente para a modelação de painéis fotovoltaicos é o modelo de dois díodos que também inclui a resistência em série e a resistência em paralelo. Este modelo é derivado dos fenómenos físicos que ocorrem na junção PN do semicondutor sendo mais apropriado para células de silício policristalino, contribuindo para a boa aproximação da curva corrente-tensão. Já o modelo com apenas um díodo com as resistências em série e paralelo representa melhor o comportamento de um painel fotovoltaico com células de silício amorfo [5]. Na Figura 2.4 é visível o modelo de dois díodos. Figura 2.4 Modelo de dois díodos para painel fotovoltaico Equações associadas aos modelos elétricos Após abordados os modelos possíveis para a implementação da simulação de um painel fotovoltaico é necessário desenvolver as equações associadas ao mesmo de modo a que seja possível concluir a sua modelização Modelo de um díodo Tendo-se como base o modelo de um díodo da Figura 2.3 e a lei dos nós de Kirchhoff chega-se à equação (2.1) da corrente na carga. (2.1) O valor de corrente da fonte de corrente dependente,, é função da corrente gerada pelo efeito fotovoltaico quando se reúnem as condições de teste estandardizadas,, da temperatura a que se encontra o mesmo,, da temperatura de referência,, do coeficiente de temperatura à corrente de curto circuito,, da radiação incidente,, e da radiação incidente de referência,. A equação (2.2) permite calcular o valor da fonte de corrente dependente. As condições de teste estandardizadas, também denominadas como STC, consistem na incidência de um valor fixo de radiação e do funcionamento do painel fotovoltaico a temperatura fixa no seu material [6]. (2.2) A corrente no díodo,, apresenta uma característica não linear dependente de fatores como a corrente de saturação reversa,, temperatura do painel, tensão e corrente que fornece à carga, numero de células em série,, e outras constantes como a de Boltzmann, carga do eletrão e fator de idealidade do díodo. A equação (2.3) descreve o seu funcionamento.

8 8 { ( ) } (2.3) Por sua vez, o valor atual da corrente de saturação reversa,, depende da corrente de saturação reversa quando se reúnem as condições STC,, da temperatura do painel fotovoltaico e da temperatura de referência, da carga do eletrão, da banda de energia do semicondutor, da constante de Boltzmann e do fator de idealidade do díodo. A equação (2.4) permite calcular o seu valor. ( ) { ( )} (2.4) Por último, a corrente na resistência em paralelo, paralelo e em série, e do valor de tensão e corrente na carga., depende do valor das resistência em (2.5) Modelo de dois díodos Caso seja utilizado o modelo de dois díodos para o circuito equivalente, Figura 2.4, o cálculo da corrente na carga é feito através da equação (2.6). (2.6) À semelhança da equação (2.3) para o cálculo de, a corrente no segundo díodo é calculada pela equação (2.7). { ( ) } (2.7) O cálculo da corrente de saturação reversa dos dois díodos pode ser efetuado através de uma equação melhorada que considera a constante de corrente de curto-circuito,, e o coeficiente de tensão em vazio,, que são fornecidos pelo fabricante do painel fotovoltaico. As unidades destes coeficientes são, respectivamente, ampere/ºc e volt/ºc e o cálculo é efectuado segundo a equação (2.8). [ ( ) ] (2.8) Cálculo de R p e R s Tal como foi dito previamente, é necessário desenvolver um modelo de simulação do módulo fotovoltaico consistente para que represente o comportamento real do mesmo. Para o conseguir é preciso utilizar um algoritmo que permita calcular os valores das resistências em paralelo e em série a partir dos dados fornecidos pelo fabricante do painel na datasheet do produto de forma a

9 9 minimizar o erro entres as curvas I-V obtidas na realidade e as obtidas com o modelo de simulação para as diferentes condições de radiação e temperatura. Para achar o valor das resistências faz-se um cálculo simultâneo em que o objetivo é a correspondência entre o valor de potência máxima experimental,, fornecida pelo fabricante e a potência máxima calculada em cada iteração,, aumentando-se um pouco o valor da resistência em série e calculando-se o valor da resistência em paralelo através da equação (2.9). [ { } ] (2.9) O valor de é aumentado até ser igual a sendo para isso necessário achar o valor de e, calculando-se, assim, o valor de corrente na carga através do método de Newton e o erro entre a potência experimental e a potência calculada. O algoritmo está descrito através do fluxograma da Figura 2.5 [3]. Segundo [2] e [4] o cálculo das resistências pode ser efetuado diretamente a partir das características fixas do painel fotovoltaico segundo as equações (3.10) e (3.11). (2.10) (2.11) De seguida são explicadas a influência da temperatura e da radiação no comportamento I-V do módulo fotovoltaico. Figura 2.5 Algoritmo para minimizar o erro entre potência calculada e experimental [3]

10 Influência da radiação e temperatura Através da análise das equações enunciadas na secção (2.1.2) é percetível que a temperatura de funcionamento e a quantidade de radiação incidente no módulo fotovoltaico influenciam a potência que o mesmo é capaz de fornecer. Também foram referidas algumas medidas efetuas às condições de teste estandardizadas (em inglês STC, standard test conditions) que consistem num conjunto de medições de referência do módulo fotovoltaico realizadas com uma radiação incidente de 1 kw/m 2, AM 1.5 e temperatura das células fotovoltaicas de 25 ºC. AM 1.5 representa o coeficiente de massa de ar e corresponde a um ângulo de zenith solar de 48.2º. A intensidade da radiação solar incidente é diretamente proporcional à corrente gerada pelo painel fotovoltaico tendo a sua variação impacto proporcional no valor da corrente de curtocircuito. A equação (2.12) descreve a proporcionalidade entre a radiação incidente e a corrente de curto-circuito e a Figura 2.6 realça as diferentes curvas I-V e P-V para diferentes níveis de radiação e uma temperatura de 25 ºC num array de painéis fotovoltaicos projetado para 80 kw em [1]. (2.12) Figura 2.6 Características I-V e P-V do array de painéis fotovoltaicos a 25 ºC e radiação variável [1] Por outro lado, a temperatura influencia o valor da corrente saturação reversa tendo consequências no valor da tensão em vazio do painel fotovoltaico que diminui com o aumento da temperatura. A Figura 2.7 demonstra o efeito da variação de temperatura nas curvas I-V e P-V para uma radiação de 1 kw/m 2 [1]. Figura 2.7 Características I-V e P-V do array de painéis fotovoltaicos com radiação de 1 kw/m 2 e temperatura variável [1]

11 Sistemas de conversão de energia fotovoltaica Os sistemas fotovoltaicos apresentam a desvantagem de serem uma tecnologia cara, sendo necessário um investimento inicial elevado. No entanto, tem-se verificado uma tendência para o decréscimo do custo dos painéis fotovoltaicos, devido ao aumento massivo da sua produção e consequente decréscimo no custo dos sistemas fotovoltaicos. Desta forma o custo do sistema de conversão de energia do painel fotovoltaico para a rede de energia torna-se mais visível no preço dos sistemas fotovoltaicos. Torna-se, então, atrativo procurar soluções para diminuir o custo dos conversores e melhorar a sua eficiência de forma a potenciar a tecnologia de energia elétrica solar [7]. A energia proveniente dos painéis fotovoltaicos consiste numa tensão e corrente contínua, tendo sido as suas curvas características apresentadas previamente na Figura 2.1. Esta energia não pode ser diretamente injetada na rede pois esta apresenta tensão e corrente alternada. Para que se possa fornecer energia para a rede a partir de qualquer sistema fotovoltaico será, então, necessário desenvolver o conversor que a partir da energia do mesmo injete uma corrente sinusoidal na rede que esteja em fase com a tensão da rede, sendo o fator de potência unitário. O conversor deve ser controlado para que seja extraída a máxima potência do painel fotovoltaico, operando este no ponto (V MP, I MP ), sendo para isso necessário a implementação de um controlo MPPT, maximum power point tracking. No âmbito desta dissertação é relevante apenas considerar sistemas fotovoltaicos compostos por um único painel uma vez que o objetivo é desenvolver um micro inversor para módulo fotovoltaico, sendo o conjunto de um painel fotovoltaico com um inversor denominado de AC Module, sendo micro inversor um termo cujo uso tem aumentado nos últimos anos, que consiste no dispositivo de estrutura compacta que interliga o painel fotovoltaico à rede. As vantagens do AC Module advêm do facto de tornar cada painel fotovoltaico de uma instalação independente dos outros, podendo um estar à sombra e não afetar o rendimento do resto da instalação. Os AC Modules são modulares na medida em que um utilizador pode ir comprando e acrescentando à sua instalação fotovoltaica mais módulos para atingir uma alta capacidade de produção elétrica, sem a necessidade de ter um investimento inicial muito elevado devido ao menor custo de um único AC Module e sem a necessidade de comprar um inversor novo, o que teria que acontecer no caso de acrescentar painéis fotovoltaicos a um array. A substituição de um painel fotovoltaico que tenha atingido o seu limite de funcionamento também é mais fácil. Sendo os painéis fotovoltaicos dos dias de hoje preparados para 20 a 25 anos de funcionamento aos níveis especificados, há que desenvolver inversores que tenham a mesma longevidade e um alto rendimento de maneira a que a energia fotovoltaica se torne mais competitiva [8] Esquemas de conversão Tendo em conta que o objetivo desta dissertação recai sobre o desenvolvimento do micro inversor para um painel fotovoltaico, constituindo este conjunto um AC Module, são válidos dois tipos de configurações para o conversor presentes na Figura 2.8. Na configuração (a) da Figura 2.8 o andar DC/AC é responsável pelo MPPT, amplificação da tensão e controlo da corrente injetada na rede. Na configuração (b) da mesma figura, o andar DC/DC é responsável pelo MPPT, o andar DC/AC pelo controlo da corrente injetada na rede, enquanto a amplificação da tensão pode ser feita por ambos. No caso do inversor com dois andares, dependendo do controlo do inversor DC/AC, a saída do conversor DC/DC ou será uma tensão DC ou uma saída de corrente com forma

12 12 sinusoidal retificada. A presença dos condensadores deve-se à necessidade em efetuar o desacoplamento de potência entre o painel fotovoltaico e os diferentes andares. Estes são, usualmente, do tipo eletrólitos constituindo uma desvantagem para o sistema na medida em que limitam o seu tempo de vida, devendo ser, por isso, de baixo valor ou substituídos por condensadores de filme. O seu dimensionamento faz-se segundo a equação (2.13) em que P PV é a potência nominal do painel fotovoltaico, U C a tensão média aos terminais do condensador e û C o ripple dessa tensão [7]. Figura 2.8 Tipos de inversores com condensadores de desacoplamento. (a) Único andar de potência. (b) Dois andares de potência. [7] (2.13) [7] A interface do inversor com a rede pode ser feita, segundo [7], através de quatro topologias presentes na Figura 2.9. Tal como foi dito anteriormente, a saída do primeiro andar DC/DC pode ser uma sinusoide retificada, Figura 2.9 (a) e (b), ou uma tensão DC, Figura 2.9 (c) e (d). Figura 2.9 Topologias de ligação de inversores à rede. (a) e (b) Current-source inverters. (c) e (d) Voltage-source inverters. No caso dos current-source inverters os semicondutores comutam ao dobro da frequência da rede injetando na rede a corrente sinusoidal recriada a partir da corrente sinusoidal retificada proveniente do conversor DC-DC, comutando os semicondutores a tensão e corrente nula, reduzindo as perdas. Os voltage-source inverters injetam uma corrente sinusoidal na rede aplicando-lhe diferentes níveis de tensão através de uma modulação PWM ou de um controlo por histerese. Se o número de níveis for maior, a frequência de comutação dos transístores diminui e a corrente injetada tem uma forma mais próxima da forma sinusoidal da rede que é referência para o controlo aplicado. No caso dos current-source inverters, devido à corrente ser modulada pelo andar DC/DC, o condensador eletrolítico de desacoplamento entre o painel fotovoltaico e o conversor vai ter uma maior capacidade do que a necessário no caso da interface através de

13 13 voltage-source inverters, o que limita o tempo de vida do sistema tal como referido anteriormente [7] Conversores DC/DC Caso o conversor entre o painel fotovoltaico e a rede elétrica for de dois andares, o primeiro vai ser um conversor DC/DC responsável pelo controlo MPPT, por amplificar a tensão se necessário e por fornecer ao andar DC/AC corrente em forma sinusoidal retificada ou uma tensão DC, tal como foi visto anteriormente. Serão apresentados nesta secção as principais topologias de conversão de corrente contínua do tipo isoladas e não isoladas. Os constituintes deste tipo de conversores são elementos passivos, bobines ou condensadores, e por semicondutores que funcionam como interruptores, sendo a sua função controlar o trânsito de potência, neste caso, entre o painel fotovoltaico e o segundo andar DC/AC. As perdas devem ser minimizadas de forma a maximizar a eficiência de todo o sistema e tornar esta tecnologia mais competitiva Conversores DC/DC não isolados Os conversores deste tipo apresentados de seguida são o step-down Buck, step-up Boost e o step-up/step-down Buck-Boost. Este tipo de conversores não apresenta qualquer isolamento entre a entrada e a saída, sendo constituídos por elementos passivos e interruptores controlados de forma a obter uma tensão DC regulada na saída. O controlo dos interruptores faz-se através de um sinal PWM com duty cycle controlado de forma a obter a tensão de saída pretendida Step-down Buck O conversor step-down Buck é um abaixador de tensão na medida em que a tensão de saída é menor que a tensão de entrada. O esquema elétrico deste conversor e formas de onda importantes associadas ao seu funcionamento estão presentes na Figura Durante o período de condução do interruptor a bobina é carregada, enquanto durante o período de não condução a bobina é descarregada e a corrente flui pelo díodo. O rácio entre o período de condução sobre a soma do período de condução e não condução é denominado por duty cycle do sinal PWM. Admitindo que a corrente na bobina oscila com valor médio constante, conclui-se o valor da tensão média é nula. Dessa condição resulta a equação (2.14) em que D é o duty cycle e varia entre 0 e 1 [4, 9]. (2.14)

14 14 Figura 2.10 Conversor step-down circuito e formas de onda [9] Step-up Boost O conversor step-up Boost é um elevador de tensão sendo a tensão de saída superior à tensão de entrada. O seu esquema elétrico e formas de onda associadas ao seu funcionamento estão presentes na Figura Durante o período de condução do interruptor, a bobina é carregada, enquanto no período de não condução esta energia flui pelo díodo para a carga elevando a sua tensão. À semelhança do conversor Buck, o valor médio da tensão aos terminais da bobina é nula devido ao facto de o seu valor médio ser constante. Desta condição resulta a equação (2.15) [4, 9]. Figura Conversor step-up circuito e formas de onda [9]

15 15 (2.15) Step-up/step-down Buck-Boost Este conversor reúne a característica abaixadora e elevadora dos conversores Buck e Boost, respetivamente. Tal como nesses conversores, o duty cycle do sinal PWM aplicado ao interruptor dita o tempo em que a bobina é carregada a partir da alimentação e em que é descarregada. Na Figura 2.12 é visível o circuito deste conversor e formas de onda associadas ao seu funcionamento. Durante o período de condução do interruptor a bobina carrega com a tensão de entrada aos seus terminais, enquanto durante o período de não condução do interruptor esta descarrega com tensão V o aos seus terminais, tendo em conta que este conversor inverte a tensão na saída. Considerando que o valor médio da tensão aplicada aos terminais da bobina é nula resulta a equação (2.16) [4, 9]. (2.16) Figura 2.12 Conversor step-up/step-down circuito e formas de onda [9]

16 Conversores DC/DC isolados Os conversores DC/DC isolados são conversores que utilizam um transformador de alta frequência responsável pelo isolamento entra a entrada e a saída. A excitação do núcleo do transformador pode ser unidirecional ou bidirecional fazendo com que o ponto de operação magnética se encontre no primeiro ou primeiro e terceiro quadrantes do ciclo de histerese de material magnético presente na Figura As topologias abordadas com excitação unidirecional são flyback e forward, e com excitação bidirecional são push-pull, meia ponte e ponte completa. Nas topologias flyback e forward o controlo é efetuado através de uma onda PWM simples enquanto nas outras topologias com mais que um interruptor o controlo é mais complexo [9]. Figura 2.13 Ciclo de histerese do material magnético [9] Flyback O conversor Flyback pode funcionar como abaixador ou elevador à semelhança do conversor Buck-Boost. O controlo do interruptor é feito através de uma onda PWM simples com duty cycle variável que define o tempo de magnetização do transformador e o tempo de transferência dessa energia para a saída. O circuito do conversor Flyback está presente na Figura 2.14 e os circuitos resultantes do conversor com o interruptor on e off com o modelo aproximado do transformador incluindo o enrolamento de desmagnetização na Figura Figura 2.14 Conversor DC/DC Flyback [10]

17 17 Figura 2.15 Circuito resultante com o interruptor on e off, considerando o modelo aproximado do transformador [10] Segundo [11], em condução continua não há desmagnetização completa do núcleo do transformador, variando o fluxo do mesmo entre um valor mínimo e um valor máximo. Admitindo então que o fluxo no início de um período é igual ao fluxo no final de um período obtém-se a razão de transformação entre a tensão de saída e de entrada presente na equação (2.17) na qual se pode verificar que este conversor tem características abaixadoras e elevadoras. (2.17) Uma topologia alternativa ao conversor Flyback consiste na inclusão de mais um interruptor e de dois díodos de desmagnetização, tal como na Figura Nesta alternativa os interruptores têm o mesmo sinal de controlo, e o facto de os díodos conduzirem a corrente de desmagnetização para a fonte fazem com que os transístores comutem a tensões mais reduzidas, sendo possível trabalhar a uma frequência de comutação maior, contribuindo para uma maior eficiência. No caso da topologia apresentada inicialmente, é usual a presença de um snubber no interruptor previndo picos de tensão no mesmo [4, 9, 11]. Figura 2.16 Conversor flyback com dois interruptores e díodos de desmagnetização [10]

18 Forward O conversor forward é um conversor derivado do conversor DC/DC não isolado step-down podendo tal como o conversor flyback funcionar como abaixador ou elevador, sendo que no seu caso, para elevar uma tensão está dependente da razão de transformação do transformador. O controlo do interruptor é feito através de uma onda PWM simples com duty cycle variável que controla o tempo que a bobina carrega a partir de energia proveniente do lado do transformador e que descarrega para a carga. O circuito do conversor forward encontra-se na Figura Admitindo que o valor médio da tensão na bobina é nulo chega-se à equação (2.18) que permite saber a razão de transformação entre a tensão de entrada e de saída em função do duty cycle da onda PWM e da razão de transformação do transformador [11]. Figura 2.17 Conversor DC/DC Forward [10] ( ) (2.18) Esta topologia inclui um terceiro enrolamento no transformador que serve para desmagnetizar o núcleo do transformador, impedindo que sature. Este processo de desmagnetização fornece caminho para a energia acumulada durante a magnetização se descarregar no núcleo, não alterando a razão entre a tensão de saída e de entrada. Para uma desmagnetização completa do transformador o tempo de desmagnetização tem que ser igual ao tempo em que o interruptor não conduz o que vai limitar o valor de duty cycle máximo segundo a equação (2.19) [4, 11]. (2.19) À semelhança do que acontece com o conversor flyback, também o conversor forward tem uma topologia alternativa com mais um interruptor e dois díodos para a desmagnetização do núcleo do transformador, dispensando a necessidade de um enrolamento auxiliar. Também se verificam menos perdas nos interruptores na topologia alternativa devido à menor tensão a que estão sujeitos [4].

19 19 Figura Conversor forward com dois interruptores e díodos de desmagnetização [9] Push-pull O conversor push-pull é um conversor em que a excitação do núcleo do transformador é bidirecional sendo baseado no conversor DC/DC step-down, sendo capaz quer de diminuir quer de aumentar a tensão de saída em relação à tensão de entrada dependendo da razão de transformação do transformador. O tempo de condução dos interruptores, em função do duty cycle dos sinais PWM, vai ditar o tempo em que a bobina vai carregar e o tempo em que vai descarregar, sendo que vai oscilar com corrente com valor médio constante. Figura 2.19 Conversor DC/DC push-pull [9] Admitindo que a tensão média aos terminais da bobina é nula em metade de um ciclo que corresponde à condução de um interruptor chega-se à equação (2.20). ( ) (2.20) O valor do duty cycle tem que ser menor que 0.5 uma vez que os interruptores não podem conduzir ao mesmo tempo, sendo aconselhável que acha um tempo morto entre o fim de condução de um interruptor e o início de condução do outro. A presença dos díodos em

20 20 antiparalelo com os interruptores serve para fornecer caminho às correntes de desmagnetização do transformador[10] Meia ponte O conversor em meia ponte é outro conversor derivado do conversor DC/DC step-down com excitação bidirecional do núcleo do transformador. É capaz de diminuir ou aumentar a tensão dependendo da razão de transformação do transformador. Esta topologia apresenta dois condensadores com igual capacidade em paralelo com a tensão de entrada de forma a estabelecer um ponto médio de tensão, tal como se pode ver na Figura Figura 2.20 Conversor DC/DC em meia ponte [10] A tensão aplicada no primário do transformador vai positiva ou negativa conforme seja o primeiro ou o segundo interruptor a conduzir, não podendo estes conduzir em simultâneo. A tensão aplicada à bobina é igual qualquer que seja o interruptor a conduzir. Admitindo um valor médio de corrente constante na bobina e que a tensão média é nula ao longo de meio período chega-se ao resultado da equação (2.21) ( ) (2.21) O valor do duty cycle não pode exceder 0.5 pois os interruptores não podem conduzir em simultâneo, sendo aconselhável, tal como no caso do push-pull que exista um tempo morto entre o fim de condução de um interruptor e o início de condução do outro para evitar curto-circuito aos terminais da fonte de tensão. Os díodos em antiparalelo servem para fornecer caminho à corrente associada ao fluxo de fugas do transformador [9, 10] Ponte completa O conversor DC/DC em ponte completa é uma alternativa ao conversor DC/DC em meia ponte, tendo o mesmo ganho que o conversor DC/DC push-pull, permitindo diminuir ou aumentar a tensão. A ponte completa à entrada possui quatro interruptores que permitem excitar bidireccionalmente o transformador com o valor positivo e negativo da tensão de entrada,

21 21 eliminando a necessidade de usar um transformador com ponto médio no primário, como acontece no push-pull, ou do uso de condensadores para obter um valor médio de tensão, como acontece no conversor em meia ponte. O circuito do conversor DC/DC em ponte completa está presente na Figura Figura 2.21 Conversor DC/DC em ponte completa [10] Os interruptores conduzem aos pares, não podendo o par (T 1,T 2 ) conduzir ao mesmo tempo que o par (T 3 T 4 ) para não se curto-circuitar a fonte de tensão. Tal como no caso do conversor em meia ponte, qualquer que seja o par de interruptores a conduzir a tensão aplicada à bobina durante esses instantes é igual. Admitindo que a corrente média na bobina é constante e que a tensão média aos seus terminais é nula ao longo de meio período chega-se ao resultado da equação (2.22). ( ) (2.22) À semelhança do conversor push-pull e em meia ponte, o duty cycle não pode exceder os 0.5, devendo existir um tempo morto entre o fim de condução de um par de interruptores e o início de condução do outro par. Os díodos em anti-paralelo têm a função de fornecer caminho à corrente associada ao fluxo de fugas do transformador [4, 10] Topologias Inversoras para AC Modules Tal como foi visto na secção 2.2 a interligação de painéis fotovoltaicos à rede pode ser feita através de um andar DC/AC responsável pelo aumento da tensão, controlo MPPT e do controlo de corrente para injeção na rede, ou de dois andares, um DC/DC e um DC/AC responsáveis pelas mesmas funções mas com divisão de tarefas. Nesta secção serão apresentadas soluções para interligação de painéis fotovoltaicos à rede quer de um, quer de dois andares Bi-Directional Fly-Back Inverter [12] A topologia Bi-Directional Fly-Back Inverter é composta por dois conversores DC/DC flyback bidirecionais, incluindo a amplificação de tensão, através do duty cycle do sinal de controlo dos

22 22 interruptores e da razão de transformação dos transformadores, controlo MPPT e inversão DC/AC com desacoplamento de potência. A topologia pode ser visualizada na Figura Figura Bi-Directional Fly-Back Inverter [12] A razão de transformação entre a tensão de saída e a tensão de entrada encontra-se na equação, sendo que um conversor opera com duty cycle igual a D e o outro com duty cycle igual a (1-D). (2.23) Esta topologia possui a desvantagem de possuir um alto ripple de potência de 100Hz que é maior comparado com topologias de dois andares, o que origina a necessidade em usar condensadores com uma capacidade maior o que resulta num menor tempo de vida do conversor Conversor ressonante série DC/DC e inversor de ponte completa modificado [12] Este conversor é composto por dois andares, sendo o primeiro um conversor série ressonante DC/DC e o segundo um inversor de ponte completa modificado com a inclusão de dois díodos em que a topologia de interligação com a rede é do tipo voltage-source inverter. A topologia é a da Figura Figura 2.23 Inversor composto por conversor série ressonante DC/DC e inversor de ponte completa modificado [12]

23 23 A ressonância no conversor DC/DC dá-se devido à indutância de fugas do transformador e à presença do condensador que formam uma carga ressonante, que junto com as capacidades dos interruptores, permitem que comutem com tensão nula que contribuem para a redução de perdas do conversor. No entanto, existem perdas no transformador devido às altas correntes causadas pelo princípio de ressonância. No caso apresentado em [12] o andar DC/DC opera a uma frequência de 100 khz e com duty cycle um pouco inferior a 0,5 de modo a evitar curto-circuitar o painel fotovoltaico. O ganho de tensão é fixo, sendo o controlo MPPT da responsabilidade do segundo andar, ao contrário do que é usual e do que foi citado na secção 2.2. Do lado do segundo andar, a comutação dos díodos dá-se pela corrente proveniente do conversor ressonante, resultando em poucas perdas de recuperação. Os interruptores do lado esquerdo são controlados a uma frequência de 20 a 80 khz através dum controlo por histerese de modo a minimizar o erro de corrente, enquanto os interruptores do lado direito são controlados ao dobro da frequência da rede, 100 Hz, comutando de acordo com o sentido da tensão da rede. A indefinição existente na frequência de comutação torna mais difícil o dimensionamento do filtro de interferência eletromagnética, enquanto o facto de só dois interruptores comutarem a frequências altas contribuir para menores perdas Conversor Buck-Boost e inversor de ponte completa [13] Este conversor é composto por dois andares, sendo o primeiro um conversor DC/DC Buck- Boost e o segundo um inversor de ponte completa. A vantagem em usar a topologia Buck-Boost advém do facto de poder ser possível tanto elevar como abaixar a tensão de saída em relação à entrada em função do que for necessário. A topologia é a da Figura Figura 2.24 Inversor composto por conversor DC/DC Buck-Boost e inversor de ponte completa Esta topologia implementa um controlo de corrente no interruptor Q A para que a corrente que flui para o segundo andar tenha a forma de sinusoide retificada. O controlo dos braços da ponte completa é feito à frequência da rede de acordo com a polaridade da sua tensão para que a corrente possa ser injetada, sendo efetuado o controlo para garantir que têm a mesma fase, ou seja, fator de potência unitário. As formas de onda associadas ao seu funcionamento estão presentes na Figura 2.25.

24 24 Figura 2.25 Formas de onda associadas ao inversor composto por conversor DC/DC Buck-Boost e inversor de ponte completa [13] Sendo a corrente que vai para o segundo andar descontínua, é necessário o filtro à saída para que a corrente injetada na rede seja contínua [4, 13] Flyback-type inverter [7] Nesta topologia apenas é usado um interruptor do lado do primário, sendo isolado para a rede através dum transformador de alta frequência que devido ao ponto médio no secundário, aos dois díodos e aos dois interruptores permite controlar o sentido da corrente injetada na rede. O filtro à saída filtra a corrente de modo a que seja injetada uma sinusoide na rede. A topologia de interligação com a rede é do tipo current-source inverter. O circuito da topologia encontra-se na Figura Figura Flyback-type inverter [7]

25 Conversor Flyback DC/DC com ponte completa DC/AC a tirístores [7] Esta topologia apresenta as mesmas características do lado do primário que a topologia anterior, usando um transformador de alta frequência. Do lado do secundário é controlada a corrente de forma a obter uma sinusoide retificada que é filtrada para a rede e injetada de acordo com o comando dos tirístores. Os tirístores podem constituir um problema para entrarem em condução devido à corrente que necessitam na gate para que tal aconteça. A interligação com a rede é do tipo current-source inverter e o circuito da topologia encontra-se na Figura Figura Conversor Flyback DC/DC com ponte completa DC/AC a tirístores [7] Mastervolt Soladin 120 inverter [7] O inversor Mastervolt Soladin 120 é uma solução do mercado. O seu funcionamento é plug and play, tendo uma potência nominal de 90 watt, de 20 a 40 volts de entrada. Usa uma topologia de dois andares visível na Figura 2.28, usando dois condensadores de desacoplamento com valor relativamente alto, o que contribui para uma baixa longevidade do conversor. O primeiro andar é um conversor push-pull sendo operado através de um controlo em corrente pelo integrado UCC3806. A interface com a rede é do tipo current-source inverter. Figura Mastervolt Soladin 120 inverter

26 Comparação entre topologias [7] Foi feita uma comparação entre várias topologias em [7, 14] entre as quais algumas abordadas nesta secção. A sua avaliação encontra-se na Tabela 2.1. Tabela 2.1 Avaliação de topologias inversoras [7] Topologia Condensador de desacoplamento Longevidade Interface com a rede Eficiência europeia (%) Custo (Euro) Rating dos componentes Flyback-type inverter V Média 2 Interruptores current-source inverter Bom Flyback DC/DC com ponte 4 Interruptores completa V Média current-source Bom DC/AC a inverter tirístores Série ressonante DC/DC e 4 Interruptores inversor de V Longa voltage-source Fraco ponte inverter completa modificado Mastervolt 4 Interruptores Soladin V Média current-source Bom inverter inverter A análise efetuada tem em conta o tempo de vida do inversor, perdas na cablagem, stress nos componentes e rating dos mesmos, o custo e a eficiência europeia. De todas as topologias abordadas, a topologia série ressonante DC/DC e inversor de ponte completa modificado é a que tem uma maior longevidade apresentando, no entanto, o pior rating dos componentes, a pior eficiência e o maior custo. As outras topologias abordadas têm um bom rating dos componentes, sendo o modelo comercial Mastervolt Soladin 120 inverter o que apresenta melhor eficiência, e um custo que apesar de não ser o mais baixo é bastante inferior ao da topologia Série ressonante DC/DC e inversor de ponte completa modificado. Concluindo, a topologia do Mastervolt Soladin 120 inverter parece ser a mais indicada a utilizar. No entanto, sendo a sua potência nominal de 90 watt e a potência pretendida para o micro inversor a desenvolver ser de 230 watt, o custo será maior. Através da consulta de [14] é possível encontrar informações mais detalhadas sobre as conclusões retiradas na Tabela 2.1.

27 Técnicas MPPT Os painéis fotovoltaicos são um sistema de geração de energia com uma baixa eficiência sendo necessário otimizar o seu funcionamento para que se possa maximizar a energia extraída dos mesmos em cada instante do seu funcionamento. Deste modo a tecnologia fotovoltaica vai-se tornar mais competitiva, contribuindo para as necessidades energéticas do ser humano, e, sendo uma forma de energia limpa, contribui para a melhoria das soluções alternativas à energia proveniente dos combustíveis fosseis que se encontram em extinção e que constituem uma ameaça para o planeta Terra. Para cumprir com o objetivo de maximizar a energia proveniente de um painel fotovoltaico é necessário implementar um controlador MPPT, maximum power point tracking, que garanta que este opera no ponto de potência máxima às condições em que se encontra, irradiação e temperatura, pois tal como foi referenciado em 0, o ponto de potência máxima depende das condições climáticas a que o módulo fotovoltaico está sujeito. Existem várias técnicas para implementar o controlador MPPT que vão ser abordadas nesta secção Condutância incremental A técnica condutância incremental é segundo [15] a técnica MPPT mais utilizada em sistemas fotovoltaicos. O funcionamento desta técnica baseia-se no facto de a soma da condutância instantânea I/V e da condutância incremental I/ V ser nula no ponto de potência máxima, negativa num ponto à direita do ponto de potência máxima e positiva num ponto à esquerda do ponto de potência máxima, tal como se pode verificar pela equação (2.24) e pela Figura Como a condição da soma da condutância e da condutância incremental ser nula é muito difícil de acontecer devido a ruídos e outros erros, define-se uma condição que garanta que o valor é próximo de zero comparando o seu módulo com um valor positivo muito pequeno, ε. O algoritmo desta técnica encontra-se no diagrama da Figura 2.30 [15]. (2.24) Figura 2.29 Trajetória do ponto de operação da técnica condutância incremental [15] Segundo [16] a dinâmica e o regime permanente deste método podem ser melhorados. Para melhorar a dinâmica aumenta-se o step-size, V ref, enquanto para melhorar a precisão em regime permanente é diminuído o step-size, oscilando o ponto de funcionamento muito mais perto do ponto de potência máxima.

28 28 Figura Algoritmo de condutância incremental [15] Perturbação e observação A técnica de perturbação e observação é uma técnica MPPT comum, simples e com uma complexidade de implementação baixa. O seu funcionamento baseia-se em perturbações que são feitas no valor de referência da corrente, sendo efetuada em cada iteração a medição da potência que o painel fotovoltaico fornece. É feita uma avaliação quanto ao comportamento do valor de potência, e conforme a última alteração que tenha sido feita ao valor da corrente de referência é decidida qual a nova perturbação a ser feita. O diagrama da Figura 2.31 contém o algoritmo desta técnica e permite perceber o seu funcionamento. Tal como no método da condutância incremental, se for adotado um step-size variável nas perturbações efetuadas será possível obter uma maior dinâmica quando o funcionamento está afastado do ponto de potência máxima e uma maior precisão quando próximo do ponto de potência máxima [15]. Figura Algoritmo de perturbação e observação [15]

29 Controlo baseado em lógica difusa Segundo [15], devido ao desenvolvimento de microcontroladores e de tecnologias de processamento digital de sinal (DSP), o controlo através de lógica difusa tornou-se numa opção cada vez mais usual para controlo de MPPT. Os controladores de lógica difusa operam com entradas imprecisas, em sistemas não lineares e não precisam de uma modelo dinâmico preciso. O controlador difuso é baseado em três etapas. A primeira chama-se fuzzification e consiste em converter as variáveis de entrada em variáveis linguísticas de acordo com uma função de pertença. As entradas são normalmente o erro e a variação do erro, podendo o erro ser a derivada da potência ou a soma da condutância e da derivada da condutância. A segunda etapa consiste em avaliar os valores das entradas segundo as regras definidas para o controlo, determinando a saída. A terceira etapa chama-se desfuzzification e consiste em converter a variável linguística de saída num sinal de controlo, no caso de um controlador MPPT, com duty cycle determinado pelo controlador de lógica difusa. A Figura 2.32 descreve a implementação de um controlo em lógica difusa. Figura 2.32 Implementação de um controlador de lógica difusa para MPPT [15] O desempenho deste controlador é dependente da precisão do cálculo do erro e da tabela de regras desenvolvida, podendo esta ser continuamente atualizada, adaptative fuzzy logic controller, e optimizada para a zona de melhor performance mantendo a potência do painel fotovoltaico com uma oscilação muito reduzida em torno do ponto de potência máxima [15] Controlo baseado em redes neuronais O controlo inteligente feito através de algoritmos de redes neuronais é, também, conseguido através de microcontroladores ou de DSPs. Uma rede neuronal é constituída por três camadas, sendo elas a input layer, hidden layer e output layer. Cada camada é composta por vários nós. O desempenho de um controlador baseado em redes neuronais depende do quanto bem treinada é e dos algoritmos usados na hidden layer, devendo ser o peso entre as ligações dos nós bem determinado. No caso de um controlador MPPT, as entradas são parâmetros do painel fotovoltaico como a tensão de circuito aberto, a corrente de curto-circuito, a irradiação e a temperatura, sendo a saída o duty cycle para controlo do interruptor do conversor. A rede neuronal deve ser bem treinada de acordo com as características do painel fotovoltaico e com a ajuda dos valores de entrada e saída que tenham sido guardados durante as quatro estações climatéricas. A degradação do painel fotovoltaico também deve ser tida em conta uma vez que as suas características irão

30 30 mudar, alterando o ponto de potência máxima. A Figura 2.33 descreve a implementação de um controlo baseado em redes neuronais [15]. Figura Implementação de um controlador baseado em redes neuronais para MPPT[15] Correlação de Ondulação Devido à comutação existente nos interruptores dos conversores, a ondulação é uma característica já presente na tensão e corrente proveniente dos painéis fotovoltaicos. O método de correlação de ondulação usa essa ondulação para efetuar o controlo MPPT, não sendo necessário injetar perturbações tal como acontece noutros métodos, atingindo-se a convergência para o ponto de máxima potência a uma velocidade limitada pelo ganho do controlador e da frequência de comutação. Este método relaciona a derivada da potência com a derivada da tensão ou da corrente, deduzindo se o ponto de potência em que se encontra está à esquerda ou à direita do ponto de potência máximo, calculando o novo valor de duty cycle. Sabe-se que a tensão é menor que a tensão de potência máxima se tanto a potência como a tensão estiverem a diminuir ou a aumentar. Sabe-se que a tensão é maior que a tensão de potência máxima se a potência estiver a diminuir e a tensão a aumentar ou se a potência estiver a aumentar e a tensão a diminuir. A tensão do painel fotovoltaico diminui se o duty cycle aumentar, no que resulta a equação (2.25) (2.25)[15] A sua implementação é feita analogicamente, recorrendo a filtros passa-alto para a diferenciação e a multiplicadores para efetuar os produtos necessários, tal como se pode ver na Figura 2.34, e não necessitando de nenhuma característica do painel fotovoltaico. O custo de implementação é reduzido sendo apropriado para aplicações modulares[15, 17].

31 31 Figura 2.34 Circuito esquemático do método de correlação de ondulação Hill Climbing A técnica MPPT Hill Climbing é um método simples que, à semelhança do método de perturbação e observação, lê a tensão e a corrente do painel fotovoltaico e de modo a aproximar o seu funcionamento ao ponto de potência máxima aplica uma perturbação que em vez de ser na tensão de referência é no duty cycle. O algoritmo está visível no diagrama da Figura 2.35 [18]. Figura 2.35 Algoritmo MPPT Hill Climbing [18] O valor de slope é um ou menos um, sendo a variável a o step entre cada iteração. Se o step for baixo a dinâmica da resposta é fraca, enquanto se for alto a precisão é fraca. Para melhorar o método Hill Climbing foi proposta uma modificação em [18] que consiste em usar um step variável calculado pela equação (2.26) em que M é um valor constante. O algoritmo do método Hill Climbing modificado está visível no diagrama da Figura (2.26)

32 32 Figura Algoritmo MPPT Hill Climbing modificado [18] Comparação entre técnicas MPPT Para escolher a técnica MPPT para um determinado sistema é necessário ter em conta as especificações do mesmo, tomando assim a decisão mais acertada. Uma comparação entre várias técnicas MPPT foi realizada em [19] sendo exposta na Tabela 2.2 os resultados obtidos para as técnicas abordadas neste documento. Técnica MPPT Dependente do painel fotovoltaico Analógico ou Digital Ajuste periódico Velocidade de convergência Complexidade de implementação Parâmetros sensorizados Perturbação e Observação Condutância incremental Não Ambos Não Varia Baixa Não Digital Não Varia Média Tensão e Corrente Tensão e Corrente Lógica Difusa Sim Digital Sim Rápida Alta Varia Redes Neuronais Sim Digital Sim Rápida Alta Varia Correlação de ondulação Não Analógico Não Rápida Baixa Tensão e Corrente Hill Climbing Não Ambos Não Varia Baixa Tensão e Corrente Tabela 2.2 Avaliação de técnicas MPPT