CONVERSORES ELETRÔNICOS DE POTÊNCIA PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE BAIXA TENSÃO CONECTADOS À REDE Prof. Dr. Ernesto Ruppert Filho DSCE Departamento de Sistemas e Controle de Energia/FEEC/UNICAMP ruppert@fee.unicamp.br iinovafv - 2012
Diversos países e a comunidade europeia produziram normas para geração distribuída.em 2003 o IEEE (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos dos EUA) editou uma norma a respeito denominada IEEE Std 1547 cujo título é IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems. Em 2005 o IEEE publicou a norma denominada IEEE Std 1547.1 cujo título é IEEE Standard Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems. Em 2007 publicou a norma denominada IEEE Std 1547.3 cujo título é IEEE Guide for Monitoring, Information Exchange, and Control of Distributed Resources Interconnected with Electrical Power Systems e, posteriormente, em 2008 foi publicado um volume de esclarecimentos sobre a norma 1547 em geral denominada IEEE Std 1547.2 denominada Application Guide for IEEE Std 1547, IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems. Essa norma, com 207 páginas, trata de maneira mais técnica de todos os assuntos mencionados na norma de 2003. Um painel fotovoltaico, ou um arranjo de painéis fotovoltaicos ligados em série e em paralelo, que será chamado de agora em diante de arranjo fotovoltaico ou módulo solar ou módulo fotovoltaico, produz, entre seus dois terminais, tensão contínua e constante se as condições de intensidade e incidência do sol forem mantidas constantes. Como essas condições variam a todo momento a tensão terminal do painel é contínua porém não constante. Cabe a um conversor eletrônico de potência, costumeiramente chamado de inversor, converter a tensão contínua não constante fornecida pelo arranjo fotovoltaico em tensão alternada constante (figura 1).
A forma de onda dessa tensão, idealmente, teria de ser senoidal para evitar problemas de conexão com o sistema de energia elétrica que, no ponto de conexão, deve apresentar tensão alternada senoidal. Para que haja uma ligação sincronizada, as tensões alternadas do arranjo fotovoltaico e do sistema elétrico devem ter o mesmo valor eficaz, a mesma frequência e a mesma fase. Na maioria das vezes, utiliza-se também um estágio elevador de tensão que é um conversor eletrônico de potência que, costumeiramente, é chamado de conversor CC-CC. Após o conversor CC-CC vem outro conversor, este sim chamado inversor, que transforma a tensão contínua do arranjo fotovoltaico em tensão alternada como mostrado na figura 2.
Figura 1 Esquema de um arranjo fotovoltaico conectado à rede elétrica através de um conversor eletrônico de potência CC-CA (inversor) Necessita de tensão elevada na entrada (180 a 500V) exigindo muitos paineis ligados em série (para produzir a tensão) e em paralelo (para produzir a potência necessária)
Figura 2 Esquema de um arranjo fotovoltaico conectado à rede elétrica através de um conversor eletrônico de potência CC-CC juntamente com um CC - CA (inversor)
Observa-se a presença de um capacitor entre o conversor CC CC e o conversor CC CA. A esse capacitor de acoplamento entre os conversores dá-se o nome de elo de corrente contínua ou link DC (em inglês). Ele também existe no esquema da figura 1 porém naquele desenho ele não foi mostrado. A sua função é a de ser um armazenador de energia e de filtrar a tensão contínua de entrada do inversor. O capacitor do elo de corrente contínua é um capacitor eletrolítico que, além de caro, dura muito menos do que o restante do conversor eletrônico de potência. Permitem desacoplar os paineis da rede elétrica e permitem que a tensão de entrada se torne independente da tensão da rede elétrica.
Figura 3 Inversor monofásico tipo onda quadrada
Figura 4 Inversor monofásico tipo onda quase senoidal
Figura 6 Padrão PWM triangular monofásico de pulsos
Figura 5 Inversor trifásico
Figura 7 Padrão PWM triangular trifásico de pulsos
A interface de eletrônica de potência da conexão entre o arranjo fotovoltaico e a rede elétrica executa duas tarefas importantes: 1) amplificar e inverter (tornar alternada) a tensão contínua gerada pelo arranjo fotovoltaico, 2) controlar o módulo fotovoltaico de modo a rastrear o ponto de máxima potência (MPP maximum power point ) de modo a maximizar a cada instante a energia capturada do sol. O ponto de MPP é rastreado pelo dispositivo denominado MPPT maximum power point tracking. As células fotovoltaicas (componentes eletrônicos fotovoltaicos) apresentam uma relação complexa entre a irradiação solar, a temperatura e a resistência elétrica total que produzem uma curva não linear entre a corrente e a tensão na célula. Consequentemente o painel fotovoltaico, que é constituído de muitas células, também apresenta uma curva não linear para cada valor de irradiação solar (W/m2) a 25 (figuras 8 e 9).
Figura 8 - Curva característica I x V de um painel fotovoltaico,
Figura 9 - Curva característica I x V de um painel fotovoltaico KC130TM para diferentes condições de radiação
O ponto de máxima potência (MPP) foi mostrado na figura 8. É nele que se deseja operar a cada instante e portanto é objetivo do método de determinação do MPP (procura do MPP) determinar a corrente elétrica de operação do painel de modo a obter a máxima potência possível. Ambas as tarefas devem ser realizadas com a máxima eficiência possível ao longo de todo o funcionamento durante manhã/tarde/noite e de inverno a verão. A corrente elétrica injetada na rede elétrica não deve ter mais do que cerca de 5% de fator de distorsão harmônica e cada harmônica de 3a. ordem em diante deve ter limites de distorção especificados por norma ( em geral as distorsões da 3ª. harmônica até a 9ª. harmônica não devem ser maiores do que 4%, as de 11ª. até a 15ª. não devem ser maiores do que 2% e assim sucessivamente (IEEE 1547). Os conversores, para funcionarem conectados à rede elétrica, devem incluir também um dispositivo destinado a detectar operação ilhada do sistema fotovoltaico (o sistema de energia elétrica é desligado localmente onde está o painel fotovoltaico). Detectada a operação ilhada o inversor deve ser imediatamente desligado da rede elétrica garantindo a segurança do pessoal que trabalha ao longo da rede elétrica. Recentemente tivemos uma tese de doutorado e uma dissertação de mestrado defendidas na FEEC, sob minha orientação. Na tese de doutorado foi construído um conversor trifásico de dois estágios em tensões 127/220V com potência de cerca de 10 kw (figura 10) que foi testado em um arranjo fotovoltaico de 7,5 kw disponível no Laboratório de Hidrogênio do Instituto de Física da UNICAMP. Na tese de mestrado foi desenvolvida uma configuração de conversor eletrônico de potência que possibilitou a redução da capacitância do elo de corrente contínua (figura 11).
Trabalhos desenvolvidos na UNICAMP Inversor de 10 kw - Conexão à rede de 220 V Trifásico (2010) 5 Figura 10 Conversor eletrônico trifásico de potência de 10 kw 127/220V- construído e testado no LEPO Laboratório de Eletrônica de Potência da UNICAMP
Figura 11 Conversor eletrônico de potência monofásico de 200W construído e testado no LEPO Laboratório de Eletrônica de Potência da UNICAMP
Nessas pesquisas foram estudados diversos assuntos que fazem parte dos sistemas de geração distribuídos fotovoltaicos: requisitos para a conexão com a rede elétrica, modelagem e controle de conversores eletrônicos, modelagem e simulação de painéis solares, regulação da tensão fotovoltaica, sistemas de controle de correntes, controle de tensão, sincronismo com a rede elétrica e o rastreamento do ponto de máxima potência dos painéis solares, diversas topologias de conversores eletrônicos de potência monofásicos, conversor interleaved com diminuição da capacitância eletrolítica do elo de corrente contínua.
Algumas topologias para o conversor CC-CC são apresentadas aqui (ver dissertação de mestrado de Jonas Rafael Gazoli FEEC/UNICAMP). Na dissertação todas as configurações estão devidamente referenciadas. Figura 12 Conversor flyback de estágio único e transformador com tape central
Figura 13 - Conversor flyback de estágio único com transformador com tape central e conversor buck-boost Figura 14 - Conversor flyback modificado com dois transistores combinado com conversor buck-boost
Figura 15 Conversor buck-boost com regeneração de energia elétrica armazenada na indutância de dispersão do transformador Figura 16 Conversor flyback seguido por estágios retificador e inversor
Figura 17 - Conversor flyback seguido de elo CC e inversor PWM de alta frequência Figura 18 Conversor CC-CC série ressonante com inversor PWM de alta frequência
Figura 19 Conversor Soladin 120 comercializado pela empresa Mastervolt Figura 20 - Conversor full-bridge seguido de retificador e inversor em alta frequência
Figura 22 - Conversor CC-CC boost interleaved com 4 células Figura 21 - Inversor de três estágios: push-pull em corrente elétrica, conversor boost e inversor operando na frequência da rede elétrica
Figura 23 - Topologia estudada em simulação e montagem experimental no trabalho de dissertação conversor CC-CC boost interleaved e conversor CC-CA full bridge.
Figura 24 Esquema de conversor sem transformação de isolação
O conversor CC-CC boost interleaved permite a eliminação dos capacitores eletrolíticos em paralelo com o arranjo fotovoltaico devido ao fato da corrente elétrica de entrada apresentar pequena variação em torno de um valor médio. Como exige um grande número de chaves seu rendimento fica menor do que as outras topologias. O transformador opera em alta frequência de acordo com a lei de controle necessária para que a corrente elétrica no indutor de saída seja senoidal e em fase com a tensão da rede elétrica. O indutância do filtro de saída alisa a corrente elétrica eliminando a ondulação do chaveamento e o filtro RC série diminui a interferência eletromagnética emitida. Pelo conjunto estudado neste trabalho de mestrado pode-se verificar a quantidade de possibilidades de conversores eletrônicos de potência para uso em arranjos fotovoltaicos. Além desses existem outros tipos de conversores como os de comutação ZVS e os multiníveis que aqui não serão comentados. Finalizando deve-se ter em mente que todo e qualquer conversor eletrônico de potência para uso em geração fotovoltaica deve atender as seguintes condições:
Os conversores para sistemas conectados à rede elétrica podem ou não possuir um tranformador de isolação, como foi mostrado anteriormente. A presença do transformador torna o sistema mais seguro porque permite a isolação completa entre o lado de corrente contínua e o lado de corrente alternada, impedindo a circulação de correntes de fuga e facilitando o aterramento dos paineis fotovoltaicos, principalmente nos sistemas trifásicos com neutro aterrado. No caso do transformador estar do lado CC usa-se um transformador de alta frequência e no caso do transformador estar do lado CA um transformador na frequência da rede elétrica. No caso dos conversores de um único estágio o transformador poderá estar na saída e será de baixa frequência.
Potências de saída: A potência contínua é a potência que o inversor pode fornecedor continuamente sem problemas de aquecimento excessivo. A potência máxima limitada por um dado intervalo de tempo é a potência máxima que o inversor poderá fornecer durante um intervalo tempo fixado que, em geral é de 10 ou 20 minutos. A potência de surto é uma potência capaz de fazer partir motores elétricos compatíveis com o painel. Tensões de entrada e saída: A tensão contínua de entrada do conversor eletrônico de potência deve estar de acordo com o arranjo fotovoltaico que comumente utilizam 12, 24 ou 48VCC. Tensões contínuas maiores (24, 48V) implicam em correntes elétricas mais baixas tornando os condutores mais finos, mais baratos e mais facilmente instaláveis. A saída em tensão alternada do conversor eletrônico de potência deve uma das tensões de baixa tensão do sistema de energia elétrica. No Brasil, em geral essa tensão é de 127 ou 220VCA em 60Hertz. Qualidade de Energia Condições já mencionadas anteriormente. Rendimento ou eficiência deve ser em torno de 95 a 98 % ou mais nos conversores atuais. Proteções Internas: devem ser providas proteções contra surtos de tensão causados por situações transitórias como descargas elétricas, partidas de motores e condições de sobrecarga. Consumo sem carga: O consumo típico deve estar entre 15 e 50 Watts, conforme seja a potência nominal do inversor. Desligamento automático: Os inversores devem possuir um sensor que detecta a ausência de carga e desligue sua saída quando não há consumo de energia, voltando a religar novamente ao identificar algum consumo energia.
Considerações O rendimento dos conversores eletrônicos de potência tem aumentando bastante chegando a 98%, conforme dados obtidos em catálogos de fabricantes. Há ainda que se estudar melhor os métodos de procura do ponto de máxima potência, principalmente no caso de sombreamento de parte do arranjo fotovoltaico quando aparecem diversos máximos locais. Alguns conversores industriais apresentam soluções particulares para esse problema. O principal desafio dos conversores eletrônicos de potência aplicados aos módulos fotovoltáicos está no aumento da vida útil. Ela é menor do que a vida útil dos módulos. Desse modo os conversores devem ser reparados ou trocados durante a vida útil dos módulos uma ou mais vezes.
Agradeço pela atenção de todos
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Detecção passiva de ilhamento TENSÃO (RMS) FREQUÊNCIA 34
Detecção ativa de ilhamento + AFD ACTIVE FREQUENCY DRIFT (INJEÇÃO INTENCIONAL DE DESVIO DE FREQUÊNCIA) 35
Trabalhos desenvolvidos na UNICAMP Inversor de 10 kw - Conexão à rede de 220 V Trifásico (2010) 36
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Microinversor - Conexão à rede de 220 V - Monofásico (2011) 40