Sistema de Processamento de Energia para Conexão de Painéis Fotovoltaicos à Rede Elétrica

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1 Sistema de Processamento de Energia para Conexão de Painéis Fotovoltaicos à Rede Elétrica Thiago Pires Gimenes, Bruna Cristina Cruz, Sérgio Vidal Garcia Oliveira & Adriano Péres FURB Universidade Regional de Blumenau, Blumenau, SC, Brasil INTRODUÇÃO O principal objetivo deste trabalho é o estudo, projeto e implementação de um sistema para realizar o processamento eletrônico de energia proveniente de painéis fotovoltaicos. O sistema consiste em dois estágios de processamento, sendo o primeiro um conversor Push-Pull com entrada em corrente e o segundo um inversor monofásico modulado a três níveis. O projeto foi realizado para o processamento de 130W, com tensão de entrada contínua no painel fotovoltaico de 17,6V e tensão de saída alternada de 220V eficazes para conexão do sistema com a rede elétrica comercial. No primeiro estágio é realizada a adequação nos níveis de tensão entre o painel fotovoltaico e o barramento de alimentação do inversor de 250V. No segundo estágio, o inversor monofásico com controlador PR (proporcional-ressonante) é conectado a rede elétrica comercial através de um transformador elevador, de forma a fornecer uma corrente com baixa distorção harmônica e regulada. O trabalho inicia com um estudo e modelamento dos painéis fotovoltaicos utilizados. Posteriormente são analisados e projetados os dois estágios conversores, finalizando com a elaboração de um protótipo do sistema para que seja realizada a comprovação experimental do desenvolvimento teórico. Em virtude do apelo global por fontes energéticas sustentáveis e pouco agressivas ao meio ambiente, a geração solar vem se tornando a cada dia uma alternativa interessante para substituir processos convencionais de geração. Ainda que com o custo relativamente alto, investimentos vêm sendo realizados com o foco de maximizar a eficiência dos painéis fotovoltaicos e reduzir seus custos de produção. Além disto, os esforços no que tange a eletrônica aplicada nestes processos são cada vez maiores no sentido de otimizar conversores e aplicar técnicas eficientes de controle. De forma global a geração de energia fotovoltaica vem vivenciando grande expansão, principalmente na ultima década. Porém em termos de capacidade de geração acumulada ainda existe uma distribuição muito heterogênea, de forma que a maior concentração da capacidade de geração está localizada na Europa. O balanço regional mundial mostra três zonas principais desenvolvendo o mercado de energia fotovoltaica. A Europa lidera o ranking, seguida pela região da Ásia Pacifico (APEC) e a América do Norte se posiciona em terceiro lugar. Fora destas regiões, África e América do Sul possuem grande potencial de crescimento pelo posicionamento geográfico e demandas futuras na geração de energia. Em se tratando do continente com maior representatividade na geração fotovoltaica, a Europa ainda apresenta um desbalanceamento bastante grande entre os países geradores, de modo que a Alemanha é responsável por mais de 50% da capacidade de geração europeia. Mediante este cenário, estudos já apontam que um programa solar brasileiro pode tornar-se viável em curto espaço de tempo desde que seja subsidiado, ou que garanta retorno ao consumidor final. Desta forma o consumidor passará a ter o benefício de pagar um valor de kwh reduzido, desde que faça opção de utilizar fontes de energia alternativa em sua própria residência (exemplo: painéis fotovoltaicos no telhado para cogeração). Este modelo de gerenciamento para energias renováveis já funciona na Europa com resultados excelentes de forma que se torna atrativa sua aplicação no Brasil. Em suma, o objetivo deste tipo de programa é facilitar o desenvolvimento sustentável no suprimento de energia, controlar o aquecimento global, proteger o meio ambiente e atingir um aumento substancial na porcentagem das fontes renováveis na matriz energética. Neste contexto se torna imprescindível uma análise mais detalhada das condições climáticas e estruturais que o Brasil oferece para o investimento e estudo de energias alternativas. Em se tratando de geração solar, o Brasil ocupa bom posicionamento geográfico, permitindo assim atingir índices de irradiação solar significativos, principalmente nas regiões centro-oeste, norte e nordeste [1].

2 Nas regiões de maior incidência já existem sistemas de geração solar para comunidades isoladas, aplicações de bombeamento executados com êxito e pequenas plantas piloto de geração. Além disto, também entrou em operação no início de 2011 (no estado do Ceará) com capacidade de 1MW a primeira usina de geração solar brasileira com escala comercial conectada ao Sistema Interligado Nacional. Frente aos avanços contemporâneos na área de energias alternativas, este trabalho tem como objetivo principal propor e validar um sistema de processamento eletrônico de energia fotovoltaica conectado diretamente a rede elétrica comercial conforme apresentado no esquemático da Figura 1. Trabalhos com topologias variadas já foram propostos anteriormente, porém utilizando técnicas de controle diferentes [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Figura 4 - Representação geral do sistema proposto. 2. MODELO DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS O conhecimento da estrutura física e do comportamento de um módulo fotovoltaico torna possível sua representação através de um circuito elétrico equivalente, facilitando desta forma sua aplicação em simuladores na área da eletrônica de potência como fonte de energia. Existem na literatura alguns circuitos propostos que representam com maior ou menor fidelidade e complexidade uma célula solar [7, 8, 9], dentre os quais é necessário se tomar uma decisão baseado na simplicidade e representatividade do modelo para sua escolha. Dentre os modelos avaliados optou-se pelo mostrado na Figura 2, devido à boa relação complexidade versus fidelidade. Além disto, verificou-se grande aplicação deste modelo em trabalhos científicos relacionados exclusivamente à modelagem matemática de células solares com resultados satisfatórios. Figura 2 Modelo elétrico equivalente escolhido. Como pode ser visto na Figura 2, estão inclusas no modelo as resistências parasitas do sistema, porém alguns autores acabam desconsiderando a resistência Rp por se tratar de um valor alto [10]. As expressões (1), (2), (3), (4) e (5) representam matematicamente o painel e são obtidas da análise efetuada nas malhas do circuito da Figura 2. [ ( ) ] (1) [ ( ) ] (2) ( ) (3) Com as informações do painel KC130TM da Kyocera torna-se necessário estimar as incógnitas ainda existentes em (1) para que o modelo atenda aos três pontos característicos de um módulo fotovoltaico: tensão de circuito aberto, corrente de curto-circuito e ponto de máxima potência. A característica de resposta depende das resistências parasitas, nível de irradiação, temperatura e características do diodo apresentado no modelo. Deve-se encontrar os valores de R p e R s para a devida representação do painel utilizado. 3. ESTÁGIO CC-CC: CONVERSOR PUSH-PULL Para realizar a adequação entre o painel fotovoltaico e o estágio inversor é necessário a aplicação de um conversor elevador CC CC. A definição da topologia a ser utilizada foi realizada com base em critérios de desempenho esperado do conversor interligado ao módulo fotovoltaico. Dentre os principais critérios levou- (4) (5)

3 se em consideração: a característica de elevação de tensão; entrada em corrente com baixa ondulação, resultando em maior estabilidade da tensão de entrada; relação de transformação elevada e isolação galvânica. Após estudo destas características optou-se pelo conversor Push-Pull alimentado em corrente, já que o mesmo trabalha como elevador de tensão com isolação galvânica, possui indutor na entrada de forma a minimizar a ondulação de corrente e seu ganho estático independe da carga para o modo de condução contínua. O conversor CC-CC do tipo Push-Pull utilizado é apresentado na Figura 3. M1 E Le Lp1 D1 D2 Ls C R Lp2 D3 D4 M2 Figura 3 - Conversor CC-CC do tipo Push-Pull para conectar o painel fotovoltaico ao estágio inversor. 4. ESTÁGIO INVERSOR O principal objetivo deste estágio é a adequação da tensão contínua do barramento proveniente do estagio CC CC para uma tensão alternada compatível com os requisitos do sistema proposto. Desta forma, optouse pelo inversor monofásico em ponte completa com filtro indutivo conforme Figura 4. Foi utilizada modulação senoidal a três níveis. A modulação proposta possui vantagens em relação à modulação dois níveis no que diz respeito à distorção harmônica e volume dos elementos magnéticos envolvidos [11]. Figura 4 - Topologia do inversor em ponte completa com filtro indutivo. 4. COMPENSADOR PROPORCIONAL RESSONANTE Diversos tipos de compensadores aplicáveis a sistemas de geração distribuída com necessidade de sincronismo com a rede comercial foram avaliados [12, 13, 14, 15, 16, 17] e verificou-se que a aplicação de um compensador PR (Proporcional-Ressonante) seria adequada e conveniente para o sistema proposto. O sistema completo proposto é apresentado na Figura 5. O hardware do sistema está preparado para medir as grandezas de entrada do estágio CC CC (saída do painel fotovoltaico) e as de saída do inversor. Neste trabalho serão apresentadas as grandezas de saída do estágio CC CA (inversor). É possível identificar as medições das grandezas de saída do inversor, compostas de: corrente de saída e tensão de saída. A medição da corrente de saída passa por um bloco de ganho e adição de um offset, já a medição de tensão tem mais de uma finalidade, sendo a mesma utilizada para sincronizar o sistema através de um detector de passagem por zero (DPZ), além de passar por um retificador de precisão gerando, desta forma, uma onda retificada para cálculo de grandezas relacionadas à tensão de saída. No caso de aplicações que devem seguir referencias senoidais, o compensador PI clássico não apresenta bom desempenho [13], pois mantém erro estático para boa resposta dinâmica e se mostra pouco eficiente com defasagens de ângulo, sendo necessária a utilização de técnica feedforward para contrabalancear as deficiências do mesmo. Já o compensador proporcional ressonante é indicado para aplicações onde existe a necessidade de se obter ganho elevado em determinada frequência de trabalho. A equação que determina o compensador PR é apresentada em (6) [14]. ( ) (6)

4 5. RESULTADOS Figura 5 Sistema completo proposto. Na Figura 6 é apresentada a corrente simulada de saída sem considerar distorção harmônica de tensão na rede. A corrente segue perfeitamente a tensão de referência e não há distorção harmônica significativa. Na Figura 7 é apresentada a corrente simulada de saída com a distorção harmônica de tensão semelhante a que se observa na rede onde os testes foram efetuados (THDv<4%). Percebe-se que a realimentação do sistema amplifica a distorção harmônica, fazendo com que a corrente se distorça além do que a distorção apresentada pela tensão. Assim, torna-se necessário implementar filtros de harmônicas no compensador de corrente [12]. Na Figura 8 são apresentadas tensão e corrente de saída. Percebe-se que a tensão tem limitado conteúdo harmônico, entretanto, a corrente amplifica este conteúdo e torna-se inadequada para a injeção à rede. Para contornar este problema foi implementado um filtro para as harmônicas de ordem 3 e 5 no compensador, resultando na corrente apresentada na Figura 9. Esta corrente apresentou distorção harmônica total abaixo de 3%, comprovando a eficácia do filtro. Figura 6 Corrente simulada na saída do inversor sem distorção harmônica de tensão Figura 7 Corrente simulada na saída do inversor considerando distorção harmônica de tensão Figura 8 Tensão e corrente de saída sem filtro de harmônica no compensador PR 5. CONCLUSÕES Figura 9 Corrente de saída com aplicação do filtro de harmônica no compensador PR Baseado nos resultados encontrados experimentalmente conclui-se que o compensador PR possui excelente desempenho na rastreabilidade de sinais senoidais, encontrando erro estático nulo e ótimo sincronismo. Porém detectou-se a necessidade de inclusão de compensadores de harmônicas para atingir uma

5 corrente senoidal sem distorções, o que ratifica e certifica que os procedimentos de projeto e as técnicas de controle adotadas foram eficientes. 6. Referências Bibliográficas [1] DEMONTI, Rogers. Sistema de Cogeração de Energia a Partir de Módulos SolaresFotovoltaicos. Florianópolis, Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Centro Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina. [2] DEMONTI, Rogers. Processamento da Energia Elétrica Proveniente de Módulos Fotovoltaicos. Florianópolis, Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) Centro Tecnológico, Universidade Federal [3] SILVA, Douglas Pereira da. Sistema Eletrônico para Processamento de Energia Solar Fotovoltaica, Operando na Máxima Transferência de Potência, com Aplicação na Alimentação de Refrigeradores Convencionais. Florianópolis, Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Centro Tecnológico, Universidade Federal [4] MEZAROBA, Marcelo. Sistema de Bombeamento de Água Com Energia Obtida de Painéis Fotovoltaicos. Florianópolis, Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Centro Tecnológico, Universidade Federal [5] GONÇALVES, Odiglei Hess. Contribuições ao estudo de um sistema de dois estágios para aplicação em cogeração de energia a partir de painéis fotovoltaicos. Florianópolis, Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Centro Tecnológico, Universidade Federal [6] HECKTHEU, Lúcio Almeida. Análise de Associações de Módulos Fotovoltaicos. Porto Alegre, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Centro Tecnológico, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. [7] J. A. GOW AND C. D. MANNING. Development of a photovoltaic array model for use in power-electronics simulation studies. Electric Power Applications, IEE Proceedings, 146(2): , [8] D. SERA, R. TEODORESCU, AND P. RODRIGUEZ. PV panel model based on datasheet values. In Proc. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, ISIE, p , [9] M. G. VILLALVA, J. R. GAZOLI, E. RUPPERT F. A comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 24, [10] W. XIAO, W. G. DUNFORD, AND A. CAPEL. A novel modeling method for photovoltaic cells. In Proc. IEEE 35th Annual Power Electron. Spec. Conf. (PESC), 2004, vol. 3, pp [11] PERAÇA, Mauro Tavares. Conversores CC-CC Elevadores Para Aplicação em Equipamentos de Refrigeração. Florianópolis, Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Centro Tecnológico, Universidade Federal [12] R. TEODORESCU, F. BLAABJERG, M. LISERRE AND P.C. LOH. Proportionalresonant controllers and filters for grid-connected voltage-source converters. IEE Proc. Electronics Power Applications, Vol. 153, No. 5, September [13] R. TEODORESCU, F. BLAABJERG, U. BORUP, M. LISERRE. A New Control Structure for Grid-Connected LCL PV Inverters with Zero Steady-State Error And Selective Harmonic Compensation. In Proc. IEEE APEC 2004; vol. 1, pp [14] S. B. KJAER, J. K. PEDERSEN, F. BLAABJERG. A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 41, no. 5, September/October [15] M. CIOBOTARU, R. TEODORESCU, F. BLAABJERG. Control of single-stage single-phase PV inverter. EPE, Dresden, [16] R. TEODORESCU, F. BLAABJERG, M. LISERRE AND A. V. TIMBUS. Overview of Control and Grid Synchronization for Distributed Power Generation Systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, no. 5, October [17] Control of Power Electronic Converters. Aalborg University Institute of Energy Technology. Disponível em: <