Provas de Dissertação do MIEEC – Julho de 2012
Conversor CC/CC para Aplicação em Instalação Fotovoltaica Carlos Silva1, Armando Araújo2, Nuno Costa3 Sumário — Este artigo apresenta a simulação e implementação de dois algoritmos MPPT4 associados a um Conversor CC/CC: Condutância Incremental e Perturbar e Observar. O conversor utilizado é um conversor Boost Interleaved de duas fases com interface direta a um barramento CC. Palavras-chave — Conversor CC/CC, algoritmos MPPT, Painel Solar
I. INTRODUÇÃO
A
da tecnologia solar remonta a 1767, inícios do século XVIII, com o cientista suíço Horace de Saussure a construir o primeiro coletor solar do mundo. Este, foi posteriormente usado por Sir John Herschel para cozinhar numa expedição à África do Sul [1]. Porém, o responsável pela primeira célula fotovoltaica foi um inventor Americano, Charles Fritts, que, usando a fotocondutividade do selénio, fabricou a primeira célula em 1883. Contudo foi Albert Einstein que, em 1905, explicou o fenómeno fotoelétrico de conversão de energia solar em energia elétrica, o que lhe valeu o prémio Nobel da Física em 1921. Com o decorrer do tempo várias empresas foram investindo nesta área até que, em 1954, os Laboratórios Bell conceberam o primeiro dispositivo prático de conversão [2]. UTILIZAÇÃO
II. ARQUITECTURA DO SISTEMA
A. Requisitos do Sistema Os requisitos iniciais do sistema, usados para efetuar as simulações, e posteriormente alterados na fase de implementação, de forma a irem de encontro aos meios disponíveis em laboratório, podem ser vistos na tabela 1.
TABELA 1 – REQUISITOS DO SISTEMA Potência por string5 Corrente máxima por string Rendimento (europeu) Gama de tensão de entrada Tensão na saída Ripple de corrente (bobinas) Ripple de tensão na saída Painel Solar Potência VOC ISC Vmpp Impp η
Simulação 3300 11 98 350-518 770 10 % Io 5 % Vo SHARPNU235 235 37 8.6 30 7,84 13,5
Laboratório 170 6 98 20-40 60 10 % Io 5 % Vo
W A % V V A V
BP 7170 170 44.2 5.2 35.8 4.8 14,3
W V A V A %
B. Arquitectura Funcional O sistema é constituído por 6 partes específicas, o painel solar/string, o conversor CC/CC, o circuito de aquisição de tensão e corrente, o circuito de drive de interruptores de potência, a plataforma de controlo e a carga eletrónica que simula o barramento CC. O painel/string solar foi modelizado por uma fonte de corrente, um díodo, uma resistência série e uma resistência paralelo [3]. O conversor CC/CC usado foi o interleaved boost de duas fases, uma vez que os requisitos em ondulação de corrente são bastante exigentes e, como tal, o uso desta topologia permite cumprir esta especificação [4]. O circuito de aquisição utiliza dois sensores de efeito de Hall: um sensor de tensão LV-25P e um sensor de corrente HY-15P. O circuito de drive utiliza optoacopladores de modo a isolar o sinal de potência do sinal de controlo. Os interruptores de potência, dadas a tensão em jogo e frequência de comutação, são IGBTs. A plataforma de controlo utilizada é um DSP, uma plataforma que possui 16 canais conversores AD de 12 bit , uma frequência de clock de 60MHz e 12 canais de PWM .
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ee07308@fe.up.pt Professor Auxiliar, DEEC/FEUP, asa@fe.up.pt 3 Engenheiro, EFACEC, nfcosta@efacec.com 4 Maximum Power Point Tracking 2
5 Termo usado no documento para fazer referência a um conjunto de painéis ligados em serie
Provas de Dissertação do MIEEC – Julho de 2012 III. SIMULAÇÃO DO SISTEMA A simulação do sistema foi efetuada usando dois programas de simulação: Matlab® Simulink e PSIM®. Esta abordagem foi usada graças ao módulo SimCoupler, presente nos dois programas, que permite a sua interacção. Decidiu-se usar esta estratégia uma vez que se sabia a priori que a implementação em laboratório usaria um DSP da Texas Instruments®. Esta é uma plataforma que suporta geração de código C a partir de Matlab®. Assim decidiu-se separar a parte de controlo da parte de potência desde o início. A metodologia de simulação usada usou vários sinais de teste para a radiação e temperatura. Inicialmente foram testados sinais de radiação e temperatura com amplitude constante de modo a verificar se o MPP6 foi alcançado. De seguida testou-se o sistema para sinais de radiação e temperatura em degrau [5] e em rampa. Com os sinais usados concluiu-se que tanto o algoritmo de Condutância Incremental como o de Perturbar e Observar foram implementados com sucesso. A nível de comportamento, o algoritmo de Condutância Incremental é bastante preciso permitindo uma eficiência média de 98%. Já o algoritmo de Perturbar e Observar mostrou uma eficiência de 95.5% ao mesmo tempo que apresenta um comportamento oscilatório. IV. IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA Com o intuito de testar a resposta do controlador foram inicialmente realizados testes para o algoritmo de Condutância Incremental com uma fonte de potência. Para tal utilizou-se uma carga comutada, de modo a ser possível alterar o regime de carga do sistema em degrau. Usaram-se dois reóstatos de 60 Ω em paralelo. A comutação do segundo reóstato passa o valor da carga para metade. A resposta observada do controlador permite concluir da sua boa dinâmica. De seguida efetuaram-se testes ao sistema com o algoritmo de Condutância Incremental usando não a fonte mas um Painel da BP solar® de 170 W. Os testes iniciais mostraram grandes oscilações na resposta do sistema, sendo que muitas vezes a mesma era instável. Concluiu-se que esse comportamento estava fortemente dependente de: i) Ruído associado ao sistema de aquisição; ii) Valor elevado da taxa de aquisição; iii) Elevada taxa de atuação da saída. Assim, as soluções procuradas para resolver estes problemas passaram por: i) Criar filtros digitais; ii) Alterar a amostragem para vinte amostras por segundo; iii)Alterar a taxa de atuação do duty-cycle para um segundo. Deste modo foi possível obter bons resultados com o sistema a efetuar um correto tracking da Potência máxima. Por fim implementou-se uma comunicação RS232, respetiva interface para PC e o Algoritmo Perturbar e Observar, figura 1.
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Maximum Power Point
Fig. 1.- Interface e Sistema Desenvolvido.
V. CONCLUSÃO A implementação do conversor CC/CC com algoritmo MPPT foi realizada com sucesso. Foi possível observar um correto tracking de potência, sendo atingida a potência máxima. Em relação aos algoritmos implementados pode-se concluir que o algoritmo Perturbar e Observar mostra um comportamento oscilante e com menor eficiência que o algoritmo de Condutância Incremental. No entanto, este último possui uma taxa de divergência mais elevada que o algoritmo Perturbar e Observar. REFERÊNCIAS [1] U. S. D. of Energy Article, “The History of Solar.” [Online]. Available: http://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/solar_timeline.pdf [2] “Evolution of Solar Cells,” 2010. [Online]. http://www.scienceprog.com/evolution-of-solar-cells/.
Available:
[3] M. Villalva and J. Gazoli, “Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays,” Power Electronics, IEEE, vol. 24, no. 5, pp. 1198-1208, 2009. [4] H. Calleja, F. Chan, I. Uribe, and C. E. México, “Reliability-Oriented Assessment of a DC / DC Converter for Photovoltaic Applications,” pp. 1522-1527, 2007. [5] C. W. Tan, T. C. Green, and C. A. Hernandez-Haramburo, “Analysis of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Algorithm for Photovoltaic Applications,” no. PECon 08, pp. 237-242, 2008.