UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENERGIA. Salatiel de Castro Lobato

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENERGIA Salatiel de Castro Lobato ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS PRINCIPAIS TÉCNICAS DE MPPT COM FOCO EXPERIMENTAL Juiz de Fora 215

2 ii SALATIEL DE CASTRO LOBATO ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS PRINCIPAIS TÉCNICAS DE MPPT COM FOCO EXPERIMENTAL Monografia apresentada ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia da Universidade Federal de Juiz de Fora como parte dos requisitos para obtenção do Grau de Engenheiro Eletricista. Orientador Professor Doutor André Augusto Ferreira Juiz de Fora 215

3 iii SALATIEL DE CASTRO LOBATO ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS PRINCIPAIS TÉCNICAS DE MPPT COM FOCO EXPERIMENTAL Monografia apresentada ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia da Universidade Federal de Juiz de Fora como parte dos requisitos para obtenção do Grau de Engenheiro Eletricista. Aprovada em de de 215 BANCA EXAMINADORA: André Augusto Ferreira, Dr. Eng. Universidade Federal de Juiz de Fora, UFJF Orientador Vinicius Foletto Montagner, Dr. Eng. Universidade Federal de Santa Maria, UFSM Pedro Gomes Barbosa, Dr. Sc. Universidade Federal de Juiz de Fora, UFJF

4 iv AGRADECIMENTO Em primeiro lugar agradeço a Deus pela oportunidade concedida de estudar e me aprimorar. Agradeço aos meus pais, Cláudio e Gardênia, pela paciência, apoio, motivação e amor incondicional. Ao meu irmão, Vinicius, pela amizade de sempre. Ao meu orientador, André Ferreira, pela paciência e presença sempre constante na elaboração deste trabalho, contribuindo de maneira muito importante na solução dos desafios encontrados pelo caminho. Agradeço a toda equipe do LABSOLAR pela ajuda e apoio em todas as dificuldades. Por fim, agradeço ao apoio da FAPEMIG, projeto TEC APQ 4178/1.

5 v RESUMO Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre as principais técnicas de rastreamento de máxima transferência de potência em painéis solares fotovoltaicos. O objetivo é avaliar a eficiência das técnicas e suas possíveis formas de rastreamento, seja pela tensão terminal ou corrente de saída dos painéis solares fotovoltaicos. As principais etapas deste trabalho estão divididas em análises por meio de simulação e de comparação experimental, sendo este último o foco principal do estudo. Palavras chave: MPPT, máxima transferência de potência, painel solar fotovoltaico, perturba e observa, condutância incremental.

6 vi LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIGURA 2.1 Curvas características do painel solar fotovoltaico BPSX Esboço esquemático de um sistema solar fotovoltaico com conversor CC Fluxograma do algoritmo P&O Fluxograma do algoritmo de IC Circuito esquemático do conversor elevador de tensão adotado Resposta do conversor com atuação do controlador de tensão Resposta do conversor com atuação do controlador de corrente Esquemático do circuito simulado para rastrear o MPP Comportamento do algoritmo P&O rastreando o MPP através do controle da tensão terminal do arranjo solar fotovoltaico Comportamento do algoritmo IC rastreando o MPP através do controle da tensão terminal do arranjo solar fotovoltaico Comportamento do algoritmo P&O rastreando o MPP através do controle corrente do arranjo solar fotovoltaico Comportamento do algoritmo IC rastreando o MPP através do controle da corrente do arranjo solar fotovoltaico Comportamento da resposta da potência fornecida pelo arranjo solar fotovoltaico quando exposto a degraus de radiação solar e temperatura do painel Curva de radiação e temperatura registrada no dia 24/6/ Comportamento da resposta da potência fornecida pelo arranjo solar fotovoltaico quando expostos a curvas reais de radiação e temperatura para as técnicas de MPPT em estudo Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 26 e 27 de Junho de Curva de potência no período de 26 e 27 de junho de Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 29 de Junho e 4 de Outubro de Curva de geração (experimental e simulação) dos painéis solares fotovoltaicos do dia 28 de junho de

7 vii Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 1 e 2 de Julho de Curva de geração (experimental e simulação) dos painéis solares fotovoltaicos do dia 1 e 2 de julho de Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 3 e 5 de Julho de Curva de geração (experimental e simulação) dos painéis solares fotovoltaicos do dia 3 e 5 de julho de Curva de geração com algoritmo melhorado Curva de Radiação Solar e Temperatura referente ao dia 27 de. Fevereiro...29

8 viii LISTA DE TABELAS TABELA Dados do conversor elevador de tensão Dimensionamento do conversor elevador de tensão Especificações da simulação para análise comparativa das técnicas MPPT Energia gerada no arranjo solar fotovoltaico quando exposto a curvas reais de radiação e temperatura para as técnicas de MPPT em estudo Comparação da energia gerada pelo algoritmo CMPPT por Indutância Incremental Comparação da energia gerada pelo algoritmo VMPPT por Condutância Incremental Comparação da energia gerada pelo algoritmo CMPPT por P&O Resultados do experimento utilizando a metodologia de controle por tensão e rastreando o MPPT pelo algoritmo de P&O...26

9 ix ABREVIATURAS E SÍMBOLOS Wp, Watt-Pico; W, Watt; V, Volt; A, Ampere; Wh; Watt-hora; ms, milissegundo; TUST, Tarifa do Uso do Sistema de Transmissão; TUSD, Tarifa do Uso do Sistema de Distribuição; MPPT, Rastreamento do Ponto de Máxima Potência, do inglês Maximum Power Point Tracking; P&O, Perturba e Observa; CI, Condutância Incremental; CC, Corrente Contínua; P, Potência; V, Tensão; I, Corrente; MPP, Ponto de Máxima Potência, do inglês Maximum Power Point VMPPT, Rastreamento do Ponto de Máxima Potência por Tensão IMPPT, Rastreamento do Ponto de Máxima Potência por Corrente V in, Tensão na saída do painel fotovoltaico (entrada do conversor); I l, Corrente no indutor;

10 x SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Motivação Objetivos Organização do Trabalho Geração solar fotovoltaica e projeto do conversor elevador Rastreamento do ponto de máxima potência Perturba e Observa Condutância Incremental Conversor elevador de tensão Projeto do controlador Conclusões Parciais Análise comparativa de técnicas MPPT VMPPT Algoritmo Perturba e Observa Algoritmo de Condutância Incremental CMPPT Algoritmo Perturba e Observa Algoritmo de Impedância Incremental Análise Comparativa Conclusões Parciais Resultados Experimentais Materiais e Métodos Eficiência do conversor Comparação das técnicas MPPT CMPPT por Impedância Incremental VMPPT por Condutância Incremental CMPPT por Perturba e Observa VMPPT por Perturba e Observa... 26

11 xi 4.4. Conclusões Parciais Conclusões Trabalhos Futuros... 31

12 CAPÍTULO 1 1. INTRODUÇÃO As fontes energéticas que atualmente suprem grande parte da demanda por energia do mundo, são provenientes de combustíveis fósseis, como carvão e os derivados do petróleo. Estas fontes, por mais de um século, foram intensamente utilizadas não só para a geração de energia elétrica, mas também para suprir calor e energia mecânica. Por ser uma fonte não renovável e proveniente de recursos naturais, ela está se tornado cada vez mais escassa no mundo. Em contrapartida, discussões sobre sustentabilidade e qualidade de vida tornam-se cada vez mais presentes nos dias atuais. Desta maneira, a sociedade assume esta questão como um valor essencial para o seu desenvolvimento [1]. Além dos combustíveis fósseis, outras fontes já bem consolidadas como a nuclear têm o seu uso questionado devido aos impactos ambientais que causa, ou pode causar. Neste cenário, as fontes renováveis de energia são uma possível solução para os problemas enfrentados pela crescente demanda energética e necessidade de reduzir a poluição atmosférica. A título de exemplo, algumas destas fontes são: biomassa, eólica, geotérmica, energia provenientes das marés, energia solar e outras Motivação A energia solar é uma das opções para suprir a demanda energética da sociedade atual. Além de ser considerada uma fonte de energia limpa, seu custo apresenta uma elevada taxa de decaimento. Uma das maneiras de transformar energia solar em eletricidade é utilizar a tecnologia solar fotovoltaica. O aproveitamento da energia solar fotovoltaica pode ocorrer desde pequenas fontes de geração (alguns watts de potência) até grandes plantas de geração (parque solar de Olmedilla, Espanha, 6 MWp). Embora ainda apresentem alto custo implantação, quando comparado às outras tecnologias de geração renovável, são financeiramente atrativas em comunidades isoladas. E ainda, como podem produzir energia quando instalada no telhado das residências, não incide 1

13 sobre a eletricidade gerada tarifas como da TUST (Tarifa do Uso do Sistema de Transmissão) e da TUSD (Tarifa do Uso do Sistema de Distribuição)[2]. Uma forma de motivar o uso em larga escala desta tecnologia, é reduzir os custos de fabricação ou aumentar a eficiência na transformação da radiação solar em eletricidade. Neste último aspecto, pesquisadores em todo mundo buscam aprimorar os materiais das células solares fotovoltaicas, bem como reduzir as perdas energia na produção e condicionamento da eletricidade gerada. Uma das maneiras de aumentar a eficiência na produção de eletricidade pelo painel solar fotovoltaico é fazê-lo operar em um ponto de máxima transferência de potência, que se altera com a radiação solar e a temperatura do painel. Existem diversos algoritmos propostos na literatura técnica especializada para realizar o Rastreamento do Ponto de Máxima Transferência de Potência (MPPT, do inglês Maximum Power Point Tracking), mas ainda não existe um consenso sobre qual técnica apresenta melhor desempenho Objetivos O objetivo principal deste trabalho é comparar experimentalmente as principais técnicas de MPPT, que são: Perturba e Observa (P&O) e Condutância Incremental (CI). Os objetivos específicos deste trabalho são: I. Projeto de um conversor estático CC-CC boost e seus controladores; MPPT; II. Estudar e simular o comportamento do conversor e das técnicas de III. Construir um conversor, implementar os algoritmos de controle e de rastreamento para análise comparativa das diferentes técnicas MPPT Organização do Trabalho O texto deste trabalho, está organizado em cinco capítulos, incluindo o capítulo de introdução e conclusão do trabalho. O capítulo 2 apresenta uma visão geral sobre o comportamento dos painéis solares fotovoltaicos e é explicado o funcionamento das técnicas de MPPT, bem como 2

14 as suas possíveis formas de controle. E ainda, apresenta o desenvolvimento de um conversor boost e de seus controladores. No capítulo 3 são mostrados resultados obtidos por simulação, em que são realizadas comparações preliminares das técnicas de MPPT. O capítulo 4 trata do objetivo principal deste trabalho, que é a avaliação e comparação experimental das técnicas de MPPT. No capítulo 5 são apresentadas as conclusões e propostas investigações futuras. 3

15 Capitulo 2 2. Geração solar fotovoltaica e projeto do conversor elevador Este capítulo busca apresentar uma introdução a geração solar fotovoltaica, em que será apresentada uma breve revisão sobre o processo e características da geração solar fotovoltaica e técnicas de rastreamento de máxima potência. Ainda neste capítulo, será apresentada uma síntese do projeto do conversor elevador de tensão, bem como o controle deste para efetivar o rastreamento do ponto de máxima potência Rastreamento do ponto de máxima potência Sistemas de geração solar fotovoltaico são dependentes das condições climáticas a quais estão expostos (radiação solar e temperatura do painel). Estas condições são responsáveis pela potência máxima que pode ser gerada pelo painel solar fotovoltaico. Na Figura 2.1 são mostradas as curvas características para o painel modelo BPSX12 da BP Solar, para diferentes condições de radiação solar e de temperatura do painel. Potência (W) T = 3 C 1 w/m² 8 w/m² 6 w/m² 4 w/m² Tensão (V) (a) Potência (W) T = 3 C 6 w/m² 4 w/m² 8 w/m² 1 w/m² Corrente (A) (b) Potência (W) 12 G = 1 W/m² C 5 C 3 C 1 C Potência (W) G = 1 W/m² 1 C 3 C 5 C 7 C Tensão (V) (c) Corrente (A) (d) Figura Curvas características do painel solar fotovoltaico BPSX12 (simulação): (a) Curva P x V com temperatura fixa; (b) Curva P x I com temperatura fixa; (c) Curva P x V com radiação Fixa; (d) Curva P x V com radiação fixa. 4

16 Nas curvas esboçadas é possível observar que o ponto de máxima produção de potência varia em termos da radiação solar e da temperatura do painel. Pelas curvas P x V, com temperatura fixa, é possível constatar que a tensão em ocorre a máxima produção de potência é sempre praticamente a mesma, independente da variação da radiação solar. No entanto, é possível constatar que quando a temperatura varia, gráfico P x V com radiação solar fixa, a tensão varia expressivamente. Nesta situação, a corrente varia com menor intensidade, conforme gráfico P x I com radiação solar fixa. Um conversor estático de potência é acoplado ao painel solar para que o mesmo opere sempre no Ponto de Máxima Transferência de Potência (MPP, do inglês Maximum Power Point). Usualmente, emprega-se o controle da tensão terminal do painel para esse fim, mas também é possível realizar o controle da corrente. Na Figura 2.2 é apresentado um esboço esquemático de um sistema solar fotovoltaico incluindo o conversor estático CC-CC e o controlador para rastrear a máxima potência. ARRANJO SOLAR FOTOVOLTAICO + CC CC MPPT Controlador Figura Esboço de um sistema solar fotovoltaico com conversor CC. Existem diversos métodos descritos na literatura para implementar o algoritmo MPPT como: tensão constante, razão cíclica constante, perturba e observa, condutância incremental, correlação de riplle, oscilação do sistema e o método baseado na temperatura. Os métodos Perturba e Observa (P&O) e Condutância Incremental (IC) são os mais utilizados, pois possuem boa eficiência e são de fácil implementação. De acordo com [1], não existe um consenso sobre o melhor método para sintetizar esses algoritmos de rastreamento do MPP, isto é, se por tensão (VMPPT) ou por corrente (CMPPT). A escolha natural é o VMPPT, pois o painel apresenta uma taxa de variação de potência muito menor em relação a tensão do que em relação a corrente. Em seus resultados de simulações computacionais, Pedro Sobreira constatou que VMPPT e CMPPT apresentam resultados similares [3]. 5

17 Perturba e Observa O algoritmo de P&O é um método de MPPT de simples compreensão, de fácil implementação e boa eficiência nos sistemas de geração solar fotovoltaico. Na Figura 2.3 é mostrado o fluxograma do algoritmo P&O, em que V(m) e I(m) são variáveis medidas na iteração atual do algoritmo e V(m-1) e I(m-1) são os seus valores medidos na iteração anterior. V (m), I (m) P (m) = V (m) x I (m) Não P (m) > P (m-1) Sim Não V (m) > V (m-1) Sim Sim V (m) > V (m-1) Não Vref = Vref + ΔV Vref = Vref - ΔV Vref = Vref + ΔV Vref = Vref - ΔV V (m-1) = V (m) I (m-1) = I (m) Figura Fluxograma do algoritmo P&O [3] O algoritmo, baseado nas curvas características da Figura 2.1, trata-se de um método de perturbação e observação em que é aplicado um pequeno aumento na tensão, ou na corrente, e verificado a variação da potência. Caso ocorra aumento da potência fornecida pelo painel, o algoritmo segue com perturbações no mesmo sentido. No entanto, caso ocorra decréscimo de potência, na próxima iteração a perturbação irá acontecer no sentido contrário. Dessa forma, o algoritmo de P&O faz com que a referência fique variando em valores próximos ao MPP. Para que o algoritmo tenha uma boa eficiência é importante fazer uma escolha adequada para incremento da perturbação (dv). É importante que dv não assuma um valor muito pequeno, pois assim, o algoritmo demora a encontrar o MPP. Também não deve assumir valores muito grandes, pois resultará em grandes variações em torno do MPP. 6

18 Condutância Incremental O método de condutância incremental - IC (controle pela tensão) ou impedância incremental (controle pela corrente) também se trata de um método de perturbação e observação que possibilita obter uma taxa de convergência mais rápida e menores variações próximas ao MPP quando comparado ao P&O. Assim como o algoritmo de P&O, o algoritmo IC possui uma boa eficiência e fácil implementação. O método é baseado nas derivadas da curva característica P x V ou P x I dos painéis solares fotovoltaicos, Figura 2.1. Pela curva, observa-se que quando o ponto de operação se encontra a esquerda do MPP, o valor da derivada da curva em relação a tensão (VMPPT) ou corrente (CMPPT) assume valor negativo, se o ponto estiver a direita do MPP a derivada assume valor positivo e quando está trabalhando no MPP assume valor zero. Assumindo di e dv como a diferença entre os valores atuais do sistema e os anteriores e baseado na ideia da derivada da potência em relação à tensão, obtém-se a seguinte relação para o rastreamento por tensão (condutância incremental) [3]:. Com base nos resultados destas comparações o algoritmo decide entre incremento, decremento ou permanência da referência. Na Figura 2.4 é mostrado o fluxograma do algoritmo de IC. Os mesmos cuidados referentes ao incremento citados no algoritmo de P&O devem ser tomados ao incremento no algoritmo de IC. 7

19 V (m), I (m) dv = V (m) V (m-1) di = I (m) I (m-1) Não dv= Sim Sim di/dv = - I (m)/v (m) di= Sim Não Não Sim di/dv < - I (m)/v (m) Não Sim di= Não Vref = Vref + ΔV Vref = Vref - ΔV Vref = Vref + ΔV Vref = Vref - ΔV P (m) = V (m) x I (m) Figura Fluxograma do algoritmo de IC [3]. Para o caso de controle pela corrente, o raciocínio é análogo ao que foi utilizado para o algoritmo utilizando tensão como referência Conversor elevador de tensão Para realizar o controle da tensão no painel solar ou da corrente de saída do mesmo, foi utilizado um conversor elevador de tensão, mostrado na Figura 2.5, para comparar os algoritmos de rastreamento de máxima potência. Neste, é possível controlar tanto a sua tensão de entrada, quanto a corrente de entrada, ou seja, permitindo implementar o VMPPT e o CMPPT. L Diodo RFonte Fonte + - Cin Chave - S Cout Carga Figura Circuito esquemático do conversor elevador de tensão adotado No estudo de caso empregado nesta monografia é utilizado um arranjo de quatro painéis solares fotovoltaicos, modelo BPSX12, formado por um conjunto em paralelo 8

20 de dois painéis conectados em série. O conversor deverá operar no modo de condução contínua, de acordo com os seguintes parâmetros descritos na Tabela 2.1. Tabela 2.1 Dados do conversor elevador de tensão. Grandeza Valor Potência 48 W Tensão de entrada típica 66 V Corrente máxima 8 A Frequência de S 2 khz Ondulação da tensão de saída 1 % 2.2. O conversor foi dimensionado com os seguintes valores apresentados na Tabela Tabela 2.2 Dimensionamento do conversor elevador de tensão. Componente Valor L 1,1 mh C in 47 µf C out 47 µf 2.3. Projeto do controlador Nesta subseção será apresentada a síntese dos controladores do conversor estático, que regulam a tensão ou a corrente terminal do painel solar fotovoltaico, a depender do tipo: VMPPT ou CMPPT, respectivamente. Tanto para o projeto do controlador de tensão quanto para o projeto do controlador de corrente foi utilizado o método do fator k [4]. i) Controlador de Tensão A função de transferência para pequenas perturbações da tensão de entrada do conversor (tensão terminal do arranjo solar fotovoltaico) em função da razão cíclica de comutação [5], possibilita projetar o controlador para operar para determinadas margens de fases. A função de transferência que relaciona a tensão de entrada do conversor pela sua razão cíclica é dada por (1). Na Figura 2.6 está esboçada a resposta transitória do controle da tensão de entrada do conversor para diferentes margens de fase. O controlador projetado com margem de fase de 45 apresenta uma resposta transitória mais rápida e menor 9

21 sobressinal. A função de transferência desse controlador é apresentada em (2) Dessa maneira, este foi escolhido para o uso com o algoritmo do tipo VMPPT Tensão de Referência Tensão de Entrada - MF 45 Tensão de Entrada - MF 6 Tensão de Entrada - MF 75 Tensão (V) Tempo(ms) Figura Resposta do conversor com atuação do controlador de tensão ii) Controlador de Corrente De forma análoga ao controle de tensão, foi seguido o mesmo procedimento para o controle de corrente do conversor. A função de transferência do modelo linearizado da corrente no indutor [1] pela razão cíclica é dada por (3). Na Figura 2.7 é possível observar a resposta transitória do controle da corrente do conversor para diferentes margens de fase. Uma margem de fase de 75 apresenta resposta transitória com menor sobressinal, mas o tempo de acomodação é maior. Já a margem de fase de 45 resulta em sobressinal um pouco maior, porém o tempo de acomodação é inferior. Foi escolhido o controlador que resulte em margem de fase de 45 e a função de transferência do mesmo é expressa em (4). 1

22 7 6 5 Corrente de Referência Corrente no Indutor - MF 45 Corrente no Indutor - MF 6 Corrente no Indutor - MF 75 Corrnte (A) , 7.5 8, 8.5 9, Tempo(ms) Figura Resposta do conversor com atuação do controlador de corrente. iii) Controle digital Como os algoritmos de controle serão implementados em um controlador digital de sinais, foi utilizada a transformação bilinear para discretização do controlador com período de aquisição em 1 khz. A equação (5) representa a função no domínio z do controlador de tensão. A equação 6 apresenta a função de transferência do controlador discreto de corrente. 2.4 Conclusões Parciais Neste capítulo foi realizada uma breve revisão sobre as duas principais metodologias para rastreamento do MPP, tanto em termos de tensão quanto de corrente. 11

23 É esperado que ambos os métodos apresentem resultados similares, de acordo com a dissertação do autor Pedro Sobreira [3]. Foi descrito o projeto dos controladores para um conversor elevador de tensão, tanto para o controle em tensão, quanto em corrente, ambos com margem de fase de 45. Os controladores foram digitalizados com base na transformação bilinear para implementação dos métodos MPPT P&O e IC, empregando VMPPT e CMPPT para fins de comparação experimental da eficiência dessas técnicas. 12

24 Capitulo 3 3. Análise comparativa de técnicas MPPT Neste capítulo será realizada uma análise comparativa dos resultados de simulação das técnicas P&O e Condutância Incremental, utilizando como variáveis de controle a tensão terminal do painel solar fotovoltaico ou a corrente de saída do mesmo. O circuito esquemático mostrado na Figura 3.1 foi utilizado para simular o rastreamento da máxima potência por meio do controle de um conversor boost acoplado a um arranjo de painéis solares fotovoltaicos, descrito no capítulo anterior. O bloco PV_Array modela o comportamento do arranjo solar fotovoltaico [6] e o bloco MPPT sintetiza o algoritmo para rastrear o ponto de máxima transferência de potência. PV_Array Ipa A V L C R V MPPT ZOH ZOH Entrada Saida V Controlador Figura Esquemático do circuito simulado para rastrear o MPP VMPPT Algoritmo Perturba e Observa Para verificar a eficiência e funcionamento do algoritmo de P&O utilizando a metodologia do controle da tensão terminal do arranjo solar fotovoltaico, foram realizadas simulações para coletar dados que serão analisados e posteriormente comparados com outras técnicas. 13

25 A primeira simulação foi realizada com aplicação de um degrau de radiação e um degrau de temperatura para verificar a resposta do algoritmo MPPT e do controle da tensão de entrada do conversor boost. A simulação começa com a temperatura em 32º C e a radiação em 6 W/m 2. No instante de tempo de 8 ms a radiação é alterada para 8 W/m 2 e no instante de 15 ms a temperatura é elevada para 5º C. Na Figura observa-se a resposta da referência de tensão fornecida pelo algoritmo P&O e a tensão terminal do arranjo solar fotovoltaico. É possível constatar que as variações de radiação e de temperatura dos painéis solares resultam em uma mudança na tensão do arranjo, a fim de garantir que a potência do painel seja a máxima. O aumento da radiação resulta em um aumento da tensão terminal, enquanto que o aumento de temperatura resulta em uma redução tensão. Nota-se que, quando os degraus são aplicados, o algoritmo rapidamente encontra o novo ponto de máxima transferência de potência. No subgráfico esboçado é possível observar em detalhes o rastreamento em torno do ponto de máxima potência, o que resulta em pequenas perturbações na referência realizadas pelo algoritmo de P&O. Cabe destacar que o projeto do controlador foi especificado para seguir as variações de radiação e de temperatura do painel, e não para as variações em torno do ponto de operação. Com efeito, é possível notar um grande sobressinal em relação à referência de tensão do algoritmo MPPT Tensão de Referência Tensão Terminal Tensão (V) 4 3 Tensão (V) Tempo ( ms) Tempo ( ms) 2 Figura Comportamento do algoritmo P&O rastreando o MPP por meio do controle da tensão terminal do arranjo solar fotovoltaico. 14

26 Algoritmo de Condutância Incremental Para verificar o funcionamento do algoritmo de condutância incremental utilizando a metodologia do controle da tensão terminal do arranjo solar fotovoltaico, foi utilizado o circuito esquemático da Figura 3.1, em que o algoritmo condutância incremental também é sintetizado no bloco MPPT do simulador. As condições de simulação foram as mesmas utilizadas na análise do algoritmo P&O feita na seção anterior. Na Figura 3.3 é mostrada a resposta da referência de tensão fornecida pelo algoritmo de condutância incremental e a tensão terminal controlada do arranjo de painéis solares fotovoltaicos Tensão de Referência Tensão Terminal Tensão (V) Tensão (V) Tempo (ms) Tempo ( ms) Figura Comportamento do algoritmo IC rastreando o MPP através do controle da tensão terminal do arranjo solar fotovoltaico. Analisando a Figura 3.1 observa-se o comportamento semelhante entre os algoritmos condutância incremental e P&O, respondendo rapidamente às variações de temperatura e radiação solar. Uma vantagem atribuída ao algoritmo de condutância incremental visualiza-se no detalhe da Figura 3.3. Nas regiões próximas ao MPP o incremento da referência se torna pequena, tornando assim as variações da referência, em estado permanente, mais suaves. 15

27 3.2. CMPPT Algoritmo Perturba e Observa Para simular o funcionamento do algoritmo de P&O utilizando a metodologia do controle da corrente do arranjo solar fotovoltaico, empregou-se um circuito similar ao apresentado na Figura 3.1, alterando a referência de controle para a corrente de saída do arranjo solar fotovoltaico. As condições da simulação também não foram alteradas. Na Figura 3.4 pode ser visualizado o resultado dessa simulação Corrente (A) Corrente no Indutor Corrente de Referência Tempo(ms) Figura Comportamento do algoritmo P&O rastreando o MPP através do controle corrente do arranjo solar fotovoltaico. Diferentemente dos resultados encontrados para rastreamento por tensão, a referência de corrente fornecida pelo algoritmo de MPPT apresenta grandes oscilações. Este fato se deve à elevada ondulação de corrente no indutor do conversor boost. No entanto, o comportamento médio da corrente no indutor é similar ao da corrente de referência do algoritmo MPPT. 16

28 Algoritmo de Impedância Incremental Para verificar o funcionamento do algoritmo de impedância incremental, foi realizada uma nova simulação com as mesmas condições das simulações já realizadas. Na Figura 3.5 se pode verificar o resultado desta simulação Corrente (A) Corrente no Indutor Corrente de Referência Tempo (ms) Figura Comportamento do algoritmo IC rastreando o MPP através do controle da corrente do arranjo solar fotovoltaico. Observa-se que a resposta do sistema ao algoritmo de impedância incremental apresenta características semelhantes à resposta do algoritmo P&O, com a referência de corrente muito oscilatória devido ao comportamento oscilatório da corrente no indutor de um conversor boost. Para ambas as técnicas de MPPT controladas pela corrente, observa-se que a referência de corrente ainda se estabilizava quando os degraus foram aplicados, o que não aconteceu com o controle de tensão. Assim, verifica-se que o controle pela corrente tem uma resposta mais lenta. Nas próximas seções irá verificar se as diferenças encontradas nestas primeiras simulações levam a alguma vantagem ou desvantagem real na escolha de uma técnica ou outra. 17

29 3.3. Análise Comparativa Tanto o algoritmo P&O quanto o CI (impedância incremental para o controle de corrente) apresentaram respostas de simulações satisfatórias. Porém, com os dados até então analisados, não é possível identificar qual técnica é mais eficiente. Para comparar o comportamento transitório das técnicas de MPPT foram simuladas variações bruscas de radiação solar e de temperatura. A resposta da potência fornecida pelo arranjo solar fotovoltaico para cada uma das técnicas é apresentada na Figura 3.6, em que as condições de simulação são encontradas na Tabela 3.1. Tabela 3.1 Especificações da simulação para análise comparativa das técnicas MPPT. Intervalo Radiação Temperatura A 8 W/m² 32 C B 1 W/m 2 32 C C 1 W/m 2 2 C D 1 W/m 2 32 C E 8 W/m² 32 C 5 48 C B D Potência (W) A VMPPT - P&O VMPPT - IC CMPPT - P&O CMPPT - IC E Tempo (s) Figura Comportamento da resposta da potência fornecida pelo arranjo solar fotovoltaico quando exposto a degraus de radiação solar e temperatura do painel. Na Figura 3.6 é possível verificar que todos os métodos de MPPT, em regime permanente, convergem ao mesmo valor de potência fornecida pelo arranjo de painéis solares fotovoltaicos. Já em regime transitório, as técnicas de rastreamento por corrente 18

30 Potência W Radiação (W/m²) Temperatura (ºC) levam mais tempo para se estabilizar (como já verificado) e com sobressinal mais acentuado. Vale observar que as variações de radiação solar e de temperatura foram muito bruscas, o que não ocorre, em geral, na natureza. Assim quando operando em sistemas reais, estes sobressinais gerados pelos algoritmos de MPPT provavelmente são menos relevantes. Com o intuito de simular condições reais de operação, foram realizadas simulações com curvas reais de radiação e temperatura. Por meio destas simulações, é possível comparar melhor as técnicas de MPPT. As curvas de radiação e temperatura estão apresentadas na Figura 3.7. As respostas de cada um dos sistemas estão apresentadas na Figura Tempo(h) Tempo(h) Figura Curva de radiação e temperatura registrada no dia 24/6/ CMPPT IC CMPPT P&O VMPPT IC VMPPT P&o Horas Figura Comportamento da resposta da potência fornecida pelo arranjo solar fotovoltaico quando expostos a curvas reais de radiação e temperatura para as técnicas de MPPT em estudo. 19

31 Nesta simulação, observa-se que a geração de potência pelos arranjos de painéis solares fotovoltaicos apresenta a mesma tendência para todos os métodos de MPPT em estudo. A energia gerada pelo arranjo solar rastreada por cada um dos métodos é apresentada na Tabela 3.2. Tabela 3.2 Energia gerada no arranjo solar fotovoltaico quando exposto a curvas reais de radiação e temperatura para as técnicas de MPPT em estudo. Método Energia gerada VMPPT P&O 1579,43 Wh VMPPT IC 1584,31 Wh CMPPT P&O 1566,56 Wh CMPPT IC 1566,54 Wh Com estes dados é possível visualizar uma pequena desvantagem aos métodos rastreados por corrente, porém esta diferença não atribui ganho significativo na escolha do método na qual se deseja rastrear o MPP. E ainda, o projeto do controlador de corrente pode ser aprimorado e produzir melhores resultados Conclusões Parciais A comparação entre os métodos mais populares de rastreamento de máxima potência é o objetivo fundamental deste trabalho. Neste capítulo foi realizada a investigação do comportamento, via simulação, destes métodos de MPPT. Entre os métodos em estudo, verifica-se que todos apresentam resultados de simulação satisfatórios. A quantidade de energia produzida apresenta pequena diferença, que pode estar relacionada ao projeto do controlador de tensão ou de corrente. Na próxima seção buscada a confirmação experimental dos resultados obtidos. 2

32 Capítulo 4 4. Resultados Experimentais Este capítulo apresenta resultados do conversor elevador de tensão utilizado para comparação experimental das técnicas de rastreamento de máxima potência aplicados a um arranjo solar fotovoltaico de 48 Wp Materiais e Métodos O conversor foi construído utilizando o interruptor mosfet IRF64 para comutação em 2 khz. No que se refere ao controle digital do conversor, foi utilizada a placa de desenvolvimento ADSP da Analog Divices. Os canais de conversão A/D amostram informações de tensão e de corrente de saída do arranjo, por intermédio de sensores de efeito Hall de tensão (LV 2-P) e de corrente (LA 55-P) e de uma placa de condicionamento analógico de sinais. Os algoritmos de MPPT geram sinais de referência de tensão ou de corrente para o controle do conversor estático, a partir de um sinal de Modulação por Largura de Pulso (MLP). O indutor projetado possui uma indutância de 1,1 mh, de acordo com a medição utilizando o equipamento BR282 LCR Meter da MCP Lab Eletronics. Para a comparação da eficiência das técnicas MPPT, foram utilizados resultados de simulação e experimentais. Nas simulações, foram usados registros de radiação solar e de temperatura do painel adquiridas em um coletor de dados ( datalogger ) modelo CR1 da Camnpbell Scientific, um termopar e um piranômetro modelo LP-2 da Hukseflux. Os dados experimentais do protótipo em bancada também foram monitorados com o mesmo coletor de dados, mas por intermédio de sensores de efeito de tensão (LV 2-P) e de corrente (LA 55-P). Para cada técnica de MPPT foram coletados dados por um período de dois dias, com taxa de amostragem de um minuto. A eficiência do conversor foi verificada por um wattímetro digital Yokogawa modelo WT-23, em que as medições foram feitas com os painéis a baixa radiação solar e a média de radiação solar. 21

33 Radiação w/m² Temperatura C Radiação w/m² Temperatura C 4.2. Eficiência do conversor Para uma situação de baixa radiação, foi medida uma potência de entrada do conversor de 72, W e uma potência na carga de 7,5 W. Desta maneira, a eficiência do conversor é de 97,92%. Para uma situação de radiação solar média, foi medida uma potência de entrada do conversor de 21,1 W e potência na carga de 193,1 W. A Com efeito, a eficiência do conversor é de 96,2%. Desta maneira, as perdas nos elementos passivos e nos interruptores não são elevados Comparação das técnicas MPPT CMPPT por Impedância Incremental No período de 26 a 27 de Junho 214, foram coletados os dados referentes ao controle pela corrente com o algoritmo CI. Nos gráficos da Figura 4.1 encontram-se as curvas de radiação solar e de temperatura em que os painéis solares fotovoltaicos estavam expostos. Radiação - Dia 26 de Junho de Horas (h) Radiação - Dia 27 de Junho de 214 Temperatura - Dia 26 de Junho de Horas (h) Temperatura - Dia 27 de Junho de Horas (h) Horas (h) Figura Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 26 e 27 de Junho de 214. Na Figura 4. 2 são mostradas as curvas de potência experimental e simulada, esta última com base nas condições climáticas mostradas na Figura 4.1. É possível constatar que existe uma diferença significativa entre os resultados simulados e 22

34 Potência W/m² Potência W/m² experimental quando a potência fica superior a 2 W. Testes posteriores levaram à correção deste fenômeno é são discutidos posteriormente IC por Corrente - Dia 26 de Junho de Simulação Experimental IC por Corrente - Dia 27 de Junho de Horas (h) Horas (h) Figura Curva de potência no período de 26 e 27 de junho de 214. Simulação Experimental Na Tabela 4.1, é realizada uma análise comparativa em termos de energia gerada experimentalmente e por simulação. Tabela 4. 1 Comparação da energia gerada pelo algoritmo CMPPT por Indutância Incremental. Data do Experimento Energia (Experimental) Energia (Simulação) Diferença Percentual 26/6/214 1,74 kwh 1,48 kwh 14,94 % 27/6/214 1,78 kwh 1,63 kwh 8,43 % VMPPT por Condutância Incremental Nos dias 28/6/214 e 4/1/214, foram coletados os dados referentes ao controle pela tensão com o algoritmo CI. No gráfico da Figura 4.3 encontram-se as curvas de radiação solar e de temperatura em que os painéis solares fotovoltaicos estavam expostos. Na Figura 4. 4 são mostradas as curvas de potência experimental e simulada, esta última com base nas condições climáticas mostradas na Figura Também observar-se o mesmo fenômeno observado para o controle de corrente IC, em que existe uma diferença significativa entre os resultados simulados e experimental quando a potência fica superior a 2 W. Nesta situação porém, a diferença é mais sutil, visto que tanto para o dia 29 de Junho quanto para o dia 4 de outubro a radiação solar, em média, inferior e mais variável do que na situação com controle de corrente. 23

35 Potência W Radiação w/m² Temperatura C Radiação w/m² Temperatura C Radiação - Dia 29 de Junho de Horas (h) Horas (h) Radiação Dia 4 de Outubro 214 Temperatura - Dia 4 de Outubro de Horas (h) Temperatura - Dia 29 de Junho de Horas (h) Figura Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 29 de Junho e 4 de Outubro de 214. IC por Tensão - Dia 4 de Outubro de Simulação Experimental Horas (h) Figura Curva de geração (experimental e simulação) dos painéis solares fotovoltaicos do dia 28 de junho de 214. Na Tabela 4.2, é realizada uma análise comparativa em termos de energia gerada experimentalmente e por simulação. Tabela Comparação da energia gerada pelo algoritmo VMPPT por Condutância Incremental. Data do Experimento Energia (Experimental) Energia (Simulação) Diferença Percentual 29/6/214 1,7 kwh 1,62 kwh 4,71 % 4/1/214 1,72 kwh 1,94 kwh 11,34 % 24

36 Radiação w/m² Temperatura C Radiação w/m² Temperatura C CMPPT por Perturba e Observa No período de 1 a 2 de Julho 214, foram coletados os dados referentes ao controle pela corrente com o algoritmo P&O. Nos gráficos da Figura 4.5 se pode observar as curvas de radiação solar e de temperatura em que os painéis solares fotovoltaicos estavam expostos. Radiação - Dia 1 de Junho de Horas (h) Radiação - Dia 2 de Junho de Horas (h) Temperatura - Dia 1 de Julho de Horas (h) Temperatura - Dia 2 de Julho de Horas (h) Figura Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 1 e 2 de Julho de 214 Na Figura 4.6 são mostradas as curvas de potência experimental e simulada, esta última com base nas condições climáticas mostradas na Figura 4.5. Também observarse o mesmo fenômeno ocorrido nos casos anteriores, em que existe uma diferença significativa entre os resultados simulados e experimental quando a potência fica superior a 2 W. Na Tabela 4.3, é realizada uma análise comparativa em termos de energia gerada experimentalmente e por simulação. 25

37 Potência W Potência W P&O por Corrente - Dia 1 de Julho de 214 Simulação Experimental Horas (h) P&O por Corrente - Dia 2 de Julho de 214 Simulação Experimental Horas (h) Figura Curva de geração (experimental e simulação) dos painéis solares fotovoltaicos do dia 1 e 2 de julho de 214. Tabela Comparação da energia gerada pelo algoritmo CMPPT por P&O. Dia do Experimento Energia Gerada Experimentalmente Energia Gerada Por Simulação Diferença Percentual 1/7/214 1,83 kwh 1,75 kwh 4,37 % 2/7/214 1,58 kwh 1,45 kwh 6,96 % VMPPT por Perturba e Observa Para finalizar o experimento, nos dias 3/7/214 e 5/7/214, foram coletados os dados referentes ao controle pela tensão com o algoritmo P&O. No gráfico da Figura 4. 7 encontram-se as curvas de radiação solar e de temperatura em que os painéis solares fotovoltaicos estavam expostos. Na Figura 4. 8 são mostradas as curvas de potência experimental e simulada, esta última com base nas condições climáticas mostradas na Figura Também observa-se o mesmo fenômeno ocorrido nos casos anteriores, em que existe uma diferença significativa entre os resultados simulados e experimental quando a potência fica superior a 2 W. Na Tabela 4.4, é realizada uma análise comparativa em termos de energia gerada experimentalmente e por simulação. 26

38 Potência W Potência W Radiação w/m² Temperatura C Radiação w/m² Temperatura C Radiação - Dia 3 de Junho de 214 Temperatura - Dia 3 de Julho de Horas (h) Horas (h) 8 Radiação - Dia 5 de Junho de Temperatura - Dia 5 de Julho de Horas (h) Horas (h) Figura Curva de Radiação Solar e Temperatura referente aos dias 3 e 5 de Julho de P&O por Tensão - Dia 3 de Julho de 214 Simulação Experimental Horas (h) P&O por Tensão - Dia 5 de Julho de 214 Simulação Experimental Horas (h) Figura Curva de geração (experimental e simulação) dos painéis solares fotovoltaicos do dia 3 e 5 de julho de 214. Tabela Resultados do experimento utilizando a metodologia de controle por tensão e rastreando o MPPT pelo algoritmo de P&O. Dia do Experimento Energia Gerada Experimentalmente Energia Gerada Por Simulação Diferença Percentual 3/7/214 1,34 kwh 1,23 kwh 8,2 % 5/7/214 1,81 kwh 1,7 kwh 6,8 % 27

39 Potência (W) 4.4. Estratégia para melhora dos algoritmos de MPPT Em praticamente todos os testes realizados e apresentados na secção anterior, observa-se que a partir de uma dada potência (aproximadamente 2 W) não se conseguia manter o sistema operando no MPP. Ao investigar o que estava ocorrendo, concluiu-se que o problema estava ligado aos algoritmos de MPPT e não a alguma característica construtiva do conversor ou dos painéis. Por de diversos testes, observou-se que ao se reduzir a velocidade de atualização dos algoritmos de MPPT, o conversor executava o rastreamento do MPP mais lentamente, porém alcançando maiores níveis de potência. Assim, os algoritmos passaram a atualizar a referência de tensão/corrente em 1 Hz. Anteriormente, essa atualização era realizada em 1 Hz. Com essa modificação obteve-se consideráveis ganhos de potência, contudo o algoritmo ficou lento e demorava até atingir o ótimo de potência. A solução encontrada foi aumentar o incremento de tensão/corrente. Essa modificação aumentou a velocidade do algoritmo sem apresentar perda de potência. A Figura 4. 9 apresenta o resultado de um dia de rastreamento do MPP utilizando o algoritmo P&O com as alterações descritas anteriormente. Observa-se que a potência fornecida pelo arranjo de painéis solares fotovoltaico atingiu até próximo aos 35 W e acompanha a curva de potência gerada por simulação simulação, não ocorrendo dessa maneira a saturação que ocorria nos testes anterior. A Figura 4. 1 apresenta a curva de radiação e temperatura referente ao dia em que este último teste foi realizado. P&O por Tensão - Dia 25 de Fevereiro de Simulação Experimental Horas (h) Figura 4. 9 Curva de geração com algoritmo melhorado 28

40 Radiação w/m² Temperatura C Radiação - Dia 25 de fevereiro de Horas (h) Temperatura - Dia 25 de fevereiro de Horas (h) Figura Curva de Radiação Solar e Temperatura referente ao dia 27 de Fevereiro Após este último teste observa-se o melhor funcionamento do algoritmo, porém quando o sistema está operando com potências mais elevadas (superior aos 3 W) o interruptor utilizado no conversor queima constantemente. O motivo pelo qual o interruptor do conversor queima constantemente ainda está sendo pesquisada Conclusões Parciais Neste capítulo, foram comparados os resultados de simulação e experimental dos métodos mais populares de rastreamento de máxima potência. Em uma breve apresentação do conversor utilizado, verificou-se que o mesmo apresenta uma boa eficiência compatível com a sua função no sistema, para rastrear e transferir a máxima potência da geração solar fotovoltaica para a carga. Na investigação experimental das técnicas de MPPT em estudo, todas apresentaram comportamentos semelhantes e cumpriram com a função de rastrear o ponto de máxima transferência de potência do sistema de geração fotovoltaico. No entanto, houve uma significativa diferença entre os resultados de simulação e experimentais. A diferença percentual entre a geração esperada pela simulação e a real foi o parâmetro de comparação entre as técnicas de MPPT. O resultado naturalmente esperado, seria a simulação sempre com geração superior ao sistema real (devido as simplificações do modelo para simulação), porém, todas as técnicas apresentaram o sistema real com geração superior ao resultado de simulação. Verificou-se ainda uma pequena vantagem a técnica de CMPPT por IC, que apresentou uma média no ganho de geração comparado a simulação superior as demais. Vale lembrar que o experimento de VMPPT por IC, foi o único que apresentou a geração experimental inferior à previsão da simulação. Isso se deu pelo fato da radiação 29

41 se manter baixa e com breves picos altos de radiação, que levou a simulação a apresentar geração superior ao limite especificado pelos painéis. No próximo capítulo, será apresentado toda síntese deste trabalho e possíveis investigações futuras sobre o tema. 3

42 Capitulo 5 5. Conclusões Durante todo este trabalho foram discutidas as principais técnicas de MPPT com intuito final de verificar se a escolha do uso entre uma ou outra técnica, traria na prática algum ganho significativo. Para alcançar tal resultado, este trabalho avaliou através de simulações e de montagem experimental, com o foco neste último, o rendimento das técnicas de P&O e Condutância (ou Indutância) Incremental utilizando como metodologia de controle a tensão ou a corrente terminal de um arranjo solar fotovoltaico. Os primeiros resultados obtidos foram alcançados através de simulações. Estas simulações indicaram uma ligeira vantagem de geração para ambas as técnicas de VMPPT como o método de Condutância Incremental com o maior índice de geração. Porém esta vantagem foi mínima, não apresentando ganhos significativos entre a escolha de qualquer uma das técnicas. Para averiguar se na prática existe alguma vantagem entre estas técnicas foi analisado o comportamento destas técnicas em sistemas de geração solar fotovoltaicos reais. Para a verificação eficiência das técnicas de MPPT em sistemas reais, foi montado todo um aparato experimental apresentado no capitulo 4, que conta com um conversor boost onde é processado os algoritmos de MPPT. Inicialmente verificou-se a eficiência do conversor que apresentou bons resultados e apto a ser aplicado na transferência de máxima potência entre a geração solar fotovoltaica e a carga. Partindo para avaliação experimental das técnicas de MPPT, os resultados mostraram que todas as técnicas desempenharam o papel de rastrear o MPP de maneira satisfatória. Porém não foi possível chegar a nenhuma conclusão que indique uma melhor técnica para ser utilizada em sistemas reais. 5.1 Trabalhos Futuros Para possíveis investigações futuras, estão a avaliação do problema da queima do interruptor do conversor e a utilização de conversores e técnicas de controles mais eficientes e a conexão do sistema a rede elétrica. 31

43 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] TEODORESCU, R., LISERRE, M., RODRÍGUEZ.; Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems; Wiley, 211. [2] Nota Técnica EPE, Análise da Inserção do Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira, 212. [3] JUNIOR, P. A. S.; Conversor CC-CC Boost Entrelaçado Aplicado no Processamento da Energia de Arranjo Solar Fotovoltaico, 211. [4] POMILIO, J. A.; Fontes Chaveadas. [5] MARTINS, G, M.; Desenvolvimento de Conversor Comutado em Baixa Frequência para Aplicação em Sistemas de Geração Distribuída Baseados em Células a Combustível, 26. [6] CASARO, M. M. e MARTINS, D. C.; Modelo de Arranjo Fotovoltaico Destinado à Analises em Eletrônica de Potência Via Simulação. 32

44 ANEXOS I. Programa principal do VMPPT por P&O II. Programa principal do VMPPT por Condutância Incremental III. Programa principal do IMPPT por P&O IV. Programa principal do IMPPT por Impedância Incremental 33