Microinversor para painel fotovoltaico

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Microinversor para Painel Fotovoltaico Pedro Ricardo PeixotoTeixeira Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: Armando Luís Sousa Araújo 28 de Outubro de 2014 c Pedro Teixeira, 2014 ii Resumo O objectivo proposto nesta dissertação consiste na realização de um microinversor para ligar um painel fotovoltaico à rede elétrica. Será abordado o dimensionamento do microinversor e a validação do mesmo será feita recorrendo à simulação, proceder-se-á à escolha dos componentes a usar e posteriormente será abordada a implementação prática do microinversor. Esta dissertação está dividida em 7 capítulos.Inicialmente será realizada uma introdução ao tema a dissertar, seguida de um estudo sobre as tecnologias existentes para a realização de um microinversor. Posteriormente será apresentada a topologia do microinversor a implementar assim como o dimensionamento dos componentes a usar. As escolhas feitas iram ser validadas com recurso a simulações. Proceder-se-á ao desenvolvimento duma estrutura geral do microinversor a implementar onde será escolhido o que será realizado com recurso a eletrónica e o que será realizado com recurso a processamento digital. Escolhida a estrutura do microinversor, irá ser feita a analise da implementação física do mesmo. Para finalizar vai ser feita uma analise de todo o trabalho realizado o que vai permitir tirar algumas conclusões assim como serão propostos trabalhos futuros para complementar o trabalho realizado. iii iv Abstract The objective proposed in this dissertation consists on the development of a AC module to connect a photovoltaic panel to the power grid. The AC module will be be dimensioned and its validation will be done using simulation, will be made the choice of components for the implementation, and then the fisical implementation will be addressed. This dissertation is divided into seven chapters, an introduction is held to the dissertation topic, followed by a study of the existing tecnologies for achieving a AC module. After the topology of AC module as been made, it will be addressed the components to be used on the implementation. The choices made will be validated using simulations, and a general structure will be presented for the implementation of the AC module, in which will be chosen which parts are going to be done using electronic’s and what will be accomplished using digital processing. Chosen a AC module structure, the approach of the physical implementation of AC module component will be made. To complete an analysis of all the work done which will be made, allowing to withdraw some conclusions as well as propose some future to complement the work developed. v vi Agradecimentos Desejo agradecer ao meu orientador, o Professor Doutor Armando Sousa Araújo pela sua colaboração. Aos técnicos dos laboratorios da FEUP, Nuno Guerra e Pedro Alves pelo seu apoio ao longo desta dissertação. A minha Mãe, ao meu Pai e ao meu irmão pelos sacrificios feitos de forma a me proporcionarem uma formação academica superior. A todos os meus amigos, companheiros de estudo e de borga pois sem o seu apoio não seria possivel concluir esta etapa da minha vida. E um apreço ao BB. A todos um Muito obrigado, Pedro Ricardo Peixoto Teixeira vii xiv LISTA DE FIGURAS 4.11Potênciapainel.................................... 41 4.12 Tensão aos terminais do painel e tensão de referência. . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.13 Corrente na bobina do barramento DC........................ 42 4.14 Sinal da rede e resposta do PLL ........................... 43 4.15 Tensão na bobina do barramento DC ........................ 43 4.16 Corrente ingetada na rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.17 Harmônicos na zona das baixas frequências. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.1 Arquitetura da implementação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.2 ARDUINO UNO .................................. 49 5.3 Configuração interna do sensor de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.4 LV25P........................................ 50 5.5 LEM HY5P ..................................... 52 5.6 Circuito de condicionamento dos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.7 Comunicação SPI ................................. 54 5.8 Esquema da ligação do TL594 ........................... 54 5.9 Buffer ........................................ 55 5.10 Configuração interna do 6N136 .......................... 55 5.11Comparador .................................... 56 5.12 UCC37324 ..................................... 56 5.13 Configuração do IR2110 .............................. 57 6.1 PCB do condicionamento do sinal do ARDUINO e criação de PWM’s ...... 60 6.2 sinais de controlo do conversor Push-Pull ..................... 61 6.3 Sinal da rede e sinal de controlo da Ponte H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.4 PCB’s realizadas .................................. 62 6.5 Aplicação de observação em tempo real do microinversor . . . . . . . . . . . . 63 6.6 Sinal da rede lida com a aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.7 Tensão de referéncia gerada pelo algoritmo MPPT e tensão do painel . . . . . . 64 Lista de Tabelas 3.1 Características do painel fotovoltaico BP3230T . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2 Variáveis para o dimensionamento do transformador . . . . . . . . . . . . . . . 28 5.1 seleçãodecondensadores.............................. 48 5.2 Calibração dos sensores de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.3 Gama de valores dos sensores de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.4 Dimensionamento dos circuitos de condicionamento dos sensores . . . . . . . . 53 xv xvi LISTA DE TABELAS Lista de abreviaturas e simbolos Lista de abreviaturas A Amperes V Volts W Wats H Henrys F Faradays Hz Hertz I-V Curva de corrente-tensão do painel fotovoltaico P-V Curva de potência-tensão do painel fotovoltaico MPP Maximum power point MPPT Maximum power point tracking STC Standard text condictions AC Corrente alternada DC Corrente continua PV Painel fotovoltaico PWM Pulse-width modulation PI Porporcional Integrative PLL Phase locked loop FFT Fourier fast transform THD Taxa de distorção harmônica PU Sistema por unidade SPI Serial Peripheral Interface RMS root mean square xvii xviii LISTA DE TABELAS Lista de simbolos Ipv Corrente gerada pelo painel fotovoltaico Vpv Tensão aos terminais do painel fotovoltaico RsResistência em serie do modelo do painel fotovoltaico RPResistência em paralelo do modelo do painel fotovoltaico ISC Corrente de curto circuito KvCoeficiente de tensão no vazio G Radiação solar VMPP Tensão à potência máxima IMPP Corrente à potência máxima Voc Tensão de circuito aberto Vin Tensão de entrada Vout Tensão de saída δ, D Duty cycle T Período N2,NsNúmero de enrolamentos no secundário do transformador N1,NpNúmero de enrolamentos no primário do transformador ∂Derivada Kpv Fator de utilização do condensador û Ripple de tensão do transformador ωFrequência angular KwFator de enrolamento do transformador ηRendimento KpFator de utilização do primário em relação ao secundário jDensidade de corrente DpDiâmetro dos enrolamentos do primário do transformador DSDiâmetro dos enrolamentos do secundário do transformador ApSecção dos enrolamentos do primário do transformador AsSecção dos enrolamentos do secundário do transformador VLTensão na bobina VCTensão no condensador fpFrequência de corte fsFrequência de comutação Vpp Tensão de pico-a-pico Igrid Corrente injetada na rede Vgrid Tensão da rede δBVariação da densidade magnética do núcleo do transformador Capítulo 1 Introdução A energia utilizada pelo homem na Antiguidade e no início da Idade Média, era a energia resultante do trabalho humano, a energia obtida através da utilização de animais que auxiliavam os homens nos trabalhos agrícolas e transportes e a energia hidráulica utilizada na moagem de cereais. Na Idade Média desenvolveu-se a utilização da energia hidráulica através da utilização de água, que muitas vezes era retida em pequenas represas para posteriormente ser utilizada na movimentação de moinhos e serras para cortar madeira. Ocorre também neste período a invenção do moinho de vento como alternativa ao moinho movido pela energia resultante da deslocação de água. É no entanto no século XVIII e XIX, com a revolução industrial que ocorre na Europa, que a energia ganha uma importância fundamental na produção. Se até ao aparecimento dos teares a vapor, a produção era efetuada nas fábricas utilizando operários, forçados a trabalhar até 15 horas por dia, em troca de salários de subsistência, e mesmo as mulheres e crianças eram obrigadas a trabalhar para conseguirem o sustento das famílias, foi com a utilização das máquinas a vapor cada vez mais aperfeiçoadas que os empresários conseguiram aumentar os seus lucros e a energia ganhou maior importância no processo produtivo. Nos finais do século XIX desenvolveu-se o conhecimento sobre a eletricidade e a sua utilização na indústria e nos transportes foi ganhando cada vez maior relevância, provocando um aumento das fontes de produção de eletricidade. É já no século XX que se dá uma explosão na procura do carvão e do crude, matérias-primas utilizadas na produção de eletricidade. O aumento das necessidades e a maior importância da energia no processo produtivo assim como a sua utilização pelo homem na habitação e no transporte automóvel provocou o aumento do preço das matérias primas utilizadas na produção de energia, como o carvão e o crude. Apesar da descoberta da energia atómica e mais recentemente se ter intensificado a utilização do gás natural, o preço da energia continua elevado e a humanidade confronta-se com o aumento da poluição provocada pelo consumo de hidrocarbonetos com consequências graves no equilíbrio climático do planeta. 1 2Introdução È neste contexto que a comunidade internacional nas últimas décadas tem vindo a intensificar os esforços numa tentativa de tomarem medida não só para resolver o problema do elevado custo da energia provocado pelos aumentos sucessivos dos preços das matérias-primas mas também na procura de fontes de energia alternativas não poluentes. O Protocolo de Quioto é o resultado do reconhecimento da necessidade dos países reduzirem a emissão de gases causadores do efeito de estufa, é um compromisso importante assumido pelos países que assinaram este protocolo de que iriam tomar medidas para atingirem as metas acordadas no que se refere á diminuição das emissões de gases de estufa. [1] Atualmente existe uma crescente motivação para o desenvolvimento e utilização de energias renováveis. A capacidade de produção de energia elétrica em centrais hidroelétricas nas barragens está perto do esgotamento pelo que as fontes de produção de energias renováveis com maior capacidade de produção no futuro, considerando o conhecimento cientifico atual, são a energia eólica e a energia solar. A energia eólica e a energia solar apresentam vantagens e inconvenientes mas por serem energias renováveis e não poluentes têm de ser consideradas prioritárias. A energia eólica apresenta várias vantagens relativamente ás energias tradicionais. Sem pretender enumerar exaustivamente as vantagens da energia eólica, devo salientar como as vantagens mais relevantes desta fonte de energia o facto de ser uma energia inesgotável, uma energia cuja produção não emite gases poluentes nem gera resíduos e a sua produção pode ser feita junto dos locais de consumo, proporcionando rendimentos ás populações locais resultantes não só da produção dos equipamentos (torres e aerogeradores) mas também na construção e gestão dos próprios parques eólicos. A energia eólica apresenta a vantagem de poder ser produzida em todos os países, proporcionandolhes a redução da dependência energética face ao exterior. A grande desvantagem da energia eólica está relacionada com a intermitência provocada pala existência ou não de vento quando é necessária a eletricidade. Esta limitação poderá ser atenuada com a técnica de bombagem hidroelétrica. A energia solar fotovoltaica também apresenta vantagens relativamente ás fontes de energia tradicionais pois assim como a energia eólica também é uma energia inesgotável, limpa e amiga do ambiente, podendo ser produzida próximo dos locais de consumo. A principal desvantagem da energia solar fotovoltaica resulta dos custos de produção dos painéis solares serem elevados relativamente à capacidade de produção de energia dos mesmos. Devemos também salientar que a radiação solar não tem a mesma intensidade em locais diferentes do planeta o que inviabiliza economicamente a utilização de painéis nos locais com menos luz solar. Hoje há um consenso na sociedade que as fontes de energia mais aconselháveis no futuro próximo serão as fontes de energia renovável. Também é aceite que deverá ser feito um esforço na investigação e desenvolvimento das tecnologias utilizadas nestas fontes de energia para melhorar a sua eficiência e a redução dos custos de produção. Capítulo 2 Revisão Bibliográfica Neste capitulo será abordado o estado atual das tecnologias usadas no desenvolvimento de um microinversor assim como algumas considerações sobre o funcionamento dos paineis fotovoltaicos. Será abordado o principio de funcionamento de um painel fotovoltaico assim como a sua modelação matemática e os efeitos de variações climáticas no seu funcionamento. Este estudo irá permitir conhecer a fonte de energia do microinversor a projetar. Posteriormente foram estudadas as topologias mais comuns dos microinversores assim como as técnicas de controlo usadas para tirar partido da máxima potência disponível do painel. Este estudo irá permitir um dimensionamento e uma implementação do microinversor. 2.1 Princípio de funcionamento de um painel fotovoltaico Entre todos os recursos energéticos no mundo, a energia solar imergiu como o mais dinâmico [2]. Nesta secção iremos estudar o funcionamento deste tipo de geração de energia. Um painel fotovoltaico é constituído por um conjunto de células, cada célula é constituída por duas camadas de semicondutores, que, quando incididas com luz solar provoca uma movimentação dos seus eletrões, que por sua vez geram uma corrente contínua. Desta forma, um painel fotovoltaico funciona como uma fonte de corrente. A Figura 2.1 ilustra uma célula fotovoltaica. Figura 2.1: Modelo de uma célula de um painel fotovoltaico [3] 3 4Revisão Bibliográfica 2.2 Efeitos criados nas curvas características por fatores meteorológicos As características elétricas dos painéis fotovoltaicos estão diretamente relacionados com fatores climáticos, sendo os mais importantes a radiação solar e a temperatura a que se encontra o painel. Para um bom entendimento do funcionamento de um painel fotovoltaico é fundamental conhecer o efeito destes fatores climáticas nas curvas I-V e P-V, características do painel fotovoltaico. 2.2.1 Efeito provocado pela radiação solar A variação da radiação solar incidente num painel fotovoltaico provoca uma variação proporcional na corrente gerada. A tensão de circuito aberto apresenta pequenas variações com a variação da radiação. Também se pode verificar um aumento do ponto de potência máxima resultante do aumento da radiação. Um exemplo das curvas I-V e P-V para diferentes níveis de radiação pode ser analisada na figura 2.2. Figura 2.2: (a) Curva I-V e (b) curva P-I para diferentes níveis de radiação [4] 2.2.2 Efeito provocado pela temperatura Analisando o efeito da temperatura constata-se que a corrente gerada por um painel fotovoltaico apresenta pouca variação com a alteração da temperatura do painel. Porém a alteração da temperatura afeta a tensão de circuito aberto. Em consequência verificase um deslocamento para baixo do ponto de potência máxima e uma deslocação deste ponto para um valor de tensão diferente, consequência de um aumento da temperatura [5]. Um exemplo das 2.3 Modelos elétricos dos painéis fotovoltaicos 5 curvas características de I-V e P-V para diferentes níveis de temperatura pode ser analisada nas figura 2.3. Figura 2.3: a) Curva I-V e (b) curva P-I para diferentes níveis de temperatura [4] 2.3 Modelos elétricos dos painéis fotovoltaicos Para implementar qualquer modelo elétrico de um painel fotovoltaico é necessário estudar os fenómenos associados ao seu funcionamento. Para tal, é necessário efetuar a estimação das curvas não lineares de I-V e P-V tendo por base os dados fornecidos pelos construtores dos painéis. A validação do modelo é obtida a partir da comparação destas curvas com as curvas obtidas numa abordagem experimental com o painel em questão. Irão ser abordados os dois métodos normalmente usados para modelar um painel solar. 2.3.1 Modelo de um díodo Este modelo é considerado um modelo ideal de um painel fotovoltaico. O seu circuito equivalente consiste numa fonte de corrente IPV em paralelo com um único díodo em que a intensidade da fonte de corrente é proporcional à radiação recebida pelo painel. Este modelo oferece um bom compromisso entre simplicidade e precisão [6]. O circuito elétrico deste modelo pode ser visível na figura 2.4. 12 Revisão Bibliográfica Figura 2.10: Conversor buck Este tipo de conversor tem por base do seu funcionamento o armazenamento e descarga de energia na bobina L. Este comportamento é controlado através do duty cycle de um sinal PWM inserido no transístor T. Para analisar o funcionamento consideram-se dois estados: •1oEstado — Ocorre quando o interruptor está fechado, a corrente circula pela bobina e durante este período a bobina é magnetizada. •2oEstado — Ocorre quando o interruptor está aberto, o díodo encontra-se polarizado, logo conduz e a bobina é desmagnetizada. A fonte Vin e a bobina fornecem energia à carga fazendo com que a tensão na saída aumente. Através de uma análise do circuito conclui-se que a equação que o representa é a seguinte: Vinδ.T= (Vout −Vin)(1−δ).T(2.12) Logo conclui-se que o ganho do conversor é o seguinte: Vout Vin =1 1−δ(2.13) Visto que o duty cycle assume valores entre 0 e 1, conclui-se queVout >Vin, cumprindo assim o objetivo deste conversor apresentar na saída uma tensão superior à tensão de entrada. 2.4.3.2 Conversor não isolado Buck-Boost Este tipo de conversor tem como objetivo gerar à sua saída uma tenção DC superior ou inferior à sua tensão de entrada, conforme seja pretendido. Pode-se observar na figura 2.11 o esquema elétrico do conversor. 2.4 Conversores 13 Figura 2.11: Conversor Buck-Boost Este conversor é uma junção de um conversor Boost e de um conversor Buck, o seu funcionamento assenta no controlo da energia armazenada na bobina L. O seu controlo é feito atuando sobre o duty cycle do sinal PWM aplicado no transístor. O seu funcionamento pode ser dividido em dois estados •1oEstado — Ocorre quando o interruptor está fechado, a corrente circula pela bobina e durante este período a bobina é magnetizada. •2oEstado —Ocorre quando o interruptor esta aberto.Neste período o díodo encontra-se polarizado logo conduz e a bobina é desmagnetizada. Neste estado a bobina fornece energia à carga fazendo assim a desmagnetização da bobina. Através de uma análise do circuito conclui-se que a equação que o representa é a seguinte: Vinδ.T=−Vout(1−δ).T(2.14) Logo conclui-se que o ganho do conversor é o seguinte: Vout Vin =δ 1−δ(2.15) Visto que o duty cycle assume valores entre 0 e 1, conclui-se que este conversor apresenta à saída uma tensão superior ou inferior à tensão de entrada sendo que quando δ=0.5 à tensão de saída é igual à tensão de entrada. 2.4.3.3 Conversor Flyback Derivado de um conversor Buck-boost, o conversor flyback, consegue gerar à saída uma tensão superior ou inferior à tensão de entrada. O seu funcionamento baseia-se na quantidade de energia 14 Revisão Bibliográfica transferida entre a entrada e a saída deste conversor, o seu esquema elétrico pode ser observado na Figura 2.12 Figura 2.12: Conversor Flyback Analisando o esquema elétrico do conversor, verifica-se que o transformador é utilizado para efetuar a transferência de energia, e efetua o isolamento galvânico do circuito. O seu funcionamento assenta em dois estados: •1oEstado — Ocorre quando o interruptor está fechado. O transformador é magnetizado, como o díodo não se encontra polarizado, não conduz. Apenas o condensador fornece energia à carga. •2oEstado —Ocorre quando o interruptor está aberto. O díodo encontra-se polarizado logo conduz e o transformador é desmagnetizado. Neste estado o secundário do transformador fornece energia à carga e recarrega o condensador. Logo conclui-se que o ganho do conversor é o seguinte: Vout Vin =NS NP δ 1−δ(2.16) Verifica-se que quando NP=NS, a função de transferência é igual à de um conversor Buckboost. 2.4 Conversores 15 Neste tipo de conversores, o transístor está sujeito a altos picos de tensão quando deixa de estar em funcionamento. Deste modo é aconselhado o uso de um circuito snubber montado em paralelo com o transístor para o proteger. 2.4.3.4 Conversor Forward O conversor Forward deriva de um conversor DC/DC Buck não isolado. A sua tensão de saída tanto pode ser superior ou inferior à tensão de entrada dependendo da razão de transformação do transformador, N2 N1. O transformador também é responsável por fornecer isolamento galvânico ao circuito . O esquema elétrico está representado na Figura 2.13 Figura 2.13: Conversor Forward Analisando o circuito, obtemos dois estados possíveis, quando o transístor está fechado ou quando está aberto. Quando o transístor está ligado, há uma transferência direta de energia da entrada para a saída. Quando este é desligado, a energia armazenada na bobina L é descarregada através do díodo D2. O ganho desta topologia de conversor é representado pela seguinte expressão: Vout Vin =NS NP δ(2.17) Constata-se que quando NP=NSa função de transferência é igual à do conversor Buck 2.4.3.5 Conversor Push-Pull Do mesmo modo que o conversor Forward, o conversor Push–pull deriva de um conversor DC/DC Buck. O conversor Forward é constituído por dois conversores Forward que operam em 16 Revisão Bibliográfica oposição de fase. Assim, como o conversor Forward o conversor Push-pull tem a capacidade de originar à saída uma tensão superior ou inferior à tensão de entrada. O seu esquema elétrico é demonstrado na Figura 2.14 Figura 2.14: Conversor Push-Pull O funcionamento do conversor Push-Pull consiste na ligação dos transístores T1eT2alter- nadamente, fazendo com que a frequência de saída seja o dobro da frequência de comutação de cada transístor. Esta característica possibilita um menor ripple da tensão de saída do conversor. A função de transferência deste conversor é a seguinte: Vout Vin =2.NS NP δ0<δ<0.5 (2.18) Nesta topologia tem que se garantir que o duty cycle é inferior a 0.5 para evitar a condução em simultaneo dos transístores. O sinal aplicado a um transístor tem que estar desfasado 180odo sinal aplicado ao outro de modo a evitar curto-circuito. 2.4.3.6 Conversor de Meia-Ponte Este conversor deriva de um Buck, e permite obter à saída uma tensão superior ou inferior à tensão de entrada. O seu esquema elétrico pode ser demonstrado na Figura 2.15 2.4 Conversores 17 Figura 2.15: Conversor Meia-Ponte Tal como no conversor Push-pull tem que se garantir que os transístores são ligados alternadamente. Quando T1está ligado é aplicada ao primário do transformador uma tensão positiva e quando T2está ligado, a tensão aplicada ao primário do transformador é negativa. A ligação dos dois condensadores em série permite que a tensão no primário seja de Vd 2. O ganho pode ser representado por: Vout Vin =NS NP δ0<δ<0.5 (2.19) Conclui-se que o ganho deste conversor é metade do ganho do conversor Push-pull pois a tensão aplicada ao primário do transformador é metade de Vin. 2.4.3.7 Conversor de Ponte-Completa Este conversor tem um comportamento semelhante ao conversor de Meia Ponte. O seu esquema elétrico é apresentado na Figura 2.16 18 Revisão Bibliográfica Figura 2.16: Conversor Ponte-Completa No entanto este conversor apresenta o dobro do ganho do conversor de Meia Ponte. Esta topologia tem a vantagem de em cada transistor atravessar menos corrente, possibilitando o uso de transístores menos potentes, porém tem o inconveniente do uso de quatro transístores. O ganho do conversor é representado por: Vout Vin =2.NS NP δ0<δ<0.5 (2.20) 2.4.3.8 Mastervolt Soladin 120 inverter Esta é uma topologia “plug and play” [12]. A potência nominal de entrada deste inversor é de 90W a uma tensão de 20-40V, com a capacidade de funcionar sobre uma potência de pico de 120W. O esquema elétrico do circuito pode ser encontrado na Figura 3.1. É usada uma topologia de dois andares, em que a interface com a rede é do tipo current-source inverter. 2.4 Conversores 19 Figura 2.17: Conversor Mastervolt Soladin 120 inverter [13] 2.4.3.9 H5 inverter (SMA) É uma topologia de inversor patenteada pela SMA (Solar Technology AG), como o seu nome indica trata-se de uma ponte H modificada com um transístor extra no lado DC que efectua duas funções: previne a troca de energia reativa entre as bobinas e o painel durante o momento em que a tensão é nula, aumentando assim a eficiência do conversor e isola o painel da rede durante esse mesmo estado. O esquema elétrico deste inversor pode ser analisado na Figura 2.18 Figura 2.18: H5 inverter (SMA) 20 Revisão Bibliográfica Com este inversor é alcançada uma alta eficiência, cerca de 98%, devido a não haver troca de energia reativa entre as bobinas e o painel e devido à baixa frequência de comutação num braço da ponte. Tem a desvantagem de ser necessário um transístor extra. 2.4.3.10 Flyback-type inverter Nesta abordagem é usado um interruptor do lado do primário do transformador assim como dois do lado do secundário, para controlar o sentido da corrente e recriar um sinal injetável na rede. Este tipo de inversor é isolado, esse isolamento é obtido através de um transformador de alta frequência. Como se pode verificar na figura 2.19 Figura 2.19: Flyback-type inverter 2.4.3.11 Neutrol point clamped (NPC) halfbridge inverter. Este tipo de conversor permite alcançar a tensão nula através de “Clamping” da saída com o ponto médio do lado DC usando D+ ou D- dependendo do sentido da corrente. O esquema elétrico pode ser observado na figura 2.20 2.5 Controlo MPPT 21 Figura 2.20: Neutrol point clamped (NPC) halfbridge inverter É possível alcançar uma alta eficiência, até cerca de 98%, devido a não haver troca de energia reativa entre as bobinas e o painel. Os transístores S1 e S3 têm sinais de comando complementares assim como S2 e S4. Este tipo de abordagem multinível permite alcançar um sinal de saída com muita precisão devido aos vários níveis de tensão que este inversor alcança. Porém à medida que se aumenta o número de andares o controlo destes inversores torna-se complicado. Outra desvantagem é o custo inerente a um elevado número de andares. 2.5 Controlo MPPT Devido ao dispendioso investimento de uma instalação fotovoltaica e de forma a tornar vantajoso o investimento é necessário extrair a máxima potência possível gerada pelos painéis fotovoltaicos, para desta forma optimizar a eficiência de modo a reduzir os custos da energia gerada. Para garantir a maior eficiência é necessário garantir que o sistema opera o maior tempo possível sobre o ponto de potência máxima. Como já foi analisado este ponto é variável e está relacionado com as características do painel e das condições meteorológicas a que está sujeito. Para garantir o funcionamento do sistema neste estado de potência máxima, é necessário recorrer a algoritmos de controlo que procurem continuamente o ponto de potência máxima. Este capítulo apresenta as algumas técnicas de maximum power point tracking, (MPPT), utilizadas em sistemas fotovoltaicos. 28 O microinversor Tabela 3.2: Variáveis para o dimensionamento do transformador Vout 400V Vin 29.1V Pout 230W Vin,min 20V η75 % ∆B0.3 [16] Foi definida como frequência de comutação dos interruptores do conversor 50khz. Este valor foi adotado considerando que o facto de uma elevada frequência permitir reduzir o tamanho do transformador, e atendendo que frequências elevadas provocam maiores perdas por comutação dos interruptores, este valor de 50Khz foi considerado um bom compromisso entre tamanho e perdas. Devido ao material isolante que separa os enrolamentos e a geometria do núcleo nem todo o espaço disponível, Aw, pode ser preenchido por condutores logo é assumido um fator de enrolamento, Kw. Kw=0.4 (3.10) Seja KPo fator de utilização do primário em relação ao secundário; assumimos que ambos ocuparão o mesmo volume logo: Kp=0.5 (3.11) O valor assumido para a densidade de corrente máxima nos condutores dos primários e dos secundários foi atribuído considerando que se o seu valor fosse elevado os condutores iriam aquecer danificando o transformador. Em contrapartida um valor demasiado baixo iria fazer aumentar a secção dos condutores, aumentando assim o volume do transformador. O valor assumido e considerado aceitável foi de: j=450A/cm2(3.12) É necessário saber o duty cycle máximo que o conversor terá. Devido à topologia escolhida Push-pull do andar DC, o duty cycle está limitado a um máximo de 50 % para não originar curtoscircuitos entre os terminais do painel, logo: Dmax =0.5 (3.13) 3.2 Transformador 29 De modo a validar a escolha de um núcleo é necessário encontrar o produto das áreas que é fornecido pelos fabricantes de ferrites. No nosso caso a ferrite que posteriormente será utilizada tem que ter um AeAwsuperior ao calculado: AeAw=1.5.Pout.103 Kw.Kp.j.∆B.η=0.4155cm4(3.14) De seguida dimensionou-se os fios dos enrolamentos do transformador e fez-se o cálculo do número de espiras dos primários e do secundário. O calculo é realizado recorrendo à equação: 3.15. Np=Vin,min 2.Ae.∆B.f=8.032 (3.15) Ns=14.Np=42 (3.16) O calculo do diâmetro dos fios condutores dos primários e do secundário é feito considerando a densidade de corrente máxima de modo a não haver aquecimento dos condutores e a sua possível danificação. O calculo é realizado recorrendo à equação 3.17 para os enrolamentos primários e à equação 3.18 para o enrolamento do secundário do transformador. Dp=2sI j.π=1.49mm (3.17) Ds=2sI j.π=0.39mm (3.18) Após a obtenção do diâmetro foi calculada a secção de cada condutor visto que é este o parâmetro pelos quais são comercializados os fios condutores. O calculo foi realizado recorrendo à equação 3.19 : Ap=π.(Dp 2)2=1.76mm2(3.19) As=π.(Ds 2)2=0.13mm2(3.20) 30 O microinversor 3.3 Bobina O dimensionamento da bobina do barramento DC foi efetuado considerando o riple da ondulação de corrente máxima aceitável no barramento DC. A ondulação tem que ser baixa para que a corrente injetada na rede seja de qualidade. Em regime permanente a tensão na bobina é dada pela equação: VL=L.∂iL(t)) ∂t(3.21) De forma a auxiliar a compreensão do comportamento da bobina podemos analisar a figura 3.2 Figura 3.2: Bobina Nesta topologia de conversor existem dois estados: •1oEstado — Quando um dos interruptores está ligado a tensão na bobina é igual a Voi −Vo. •2oEstado —Quando nenhum interruptor está ligado a tensão na bobina é igual a −Vo. Analisando o estado em que um interruptor está ligado temos a equação que representa a variação de corrente na bobina: ∂IL(t) ∂t=∂VL.L ∂t=Voi −Vo L(3.22) Quando os interruptores estão ambos desligados a equação que representa a corrente na bobina é a seguinte: ∂IL(t) ∂t=∂VL(L) ∂t=−V0 L(3.23) A equação que representa a amplitude do ripple de corrente ∆Iestá representada na equação 3.24. ∆I=Voi −Vo 2.L.D.Ts(3.24) 3.4 Filtro de Saída 31 O conversor pode apresentar um duty cycle de 100 %, sendo que cada interruptor poderá estar ligado 50 % do período. Sendo a frequência de comutação 50Khz, após o transformador, aos terminais da bobina a frequência é duas vezes superior à frequência de comutação, sendo assim de 100khz. Logo tem-se: D=1 (3.25) Ts=1 100k(3.26) Foi assumido que a bobina vai permitir uma variação de corrente máxima de 15 %. Para o calculo do valor nominal do ripple foi considerada a corrente de curto circuito esperada após o transformador como demonstra a equação 3.27. ∆I=0,15.7,9 14 =0.0846A.(3.27) Após a obtenção do ripple procedeu-se ao calculo da bobina a usar, utilizando a equação 3.28. L=Voi −Vo 2.∆I.D.Ts=4.9mH (3.28) 3.4 Filtro de Saída Para um bom dimensionamento do filtro de saída tem que se ter em consideração o ruído provocado pelos interruptores do conversor DC/DC. Para eliminar o ruído introduzido por estes, a frequência de corte do filtro, fo, deve ficar pelo menos uma década abaixo da frequência de comutação,fs, sendo que a frequência de comutação apesar de ser de 50Khz no secundário do transformador é vista como se fosse 100Khz devido a topologia do andar DC/DC. A equação 3.29 representa a frequência de corte mínima que o filtro deve ter para uma eficiente eliminação do ruído. fo≤fs 10 (3.29) Sabendo que a frequência de corte do filtro é dada pela equação 3.30. fo=1 2.π.√L.C.(3.30) 32 O microinversor Selecionou-se um condensador de 0.67µF. Através da expressão 3.30, substituindo fopelo seu valor minimo aceitável e isolando o valor de L obtêm-se a expressão 3.31. L=102 C.(2.π.fs)2(3.31) Foi calculado que o valor da bobina a usar é de 0.37mH 3.5 Algoritmo MPPT 33 3.5 Algoritmo MPPT Para se conseguir extrair a máxima potência disponível do painel fotovoltaico é necessário recorrer a um algoritmo de MPPT como foi analisado previamente. Foi escolhido o algoritmo Perturbar e Observar, P&O, visto apresentar bons resultados e ser fácil de implementar o que faz com que não seja necessário muita capacidade de processamento.[17] O seu funcionamento assenta em impor uma perturbação à tensão a que se encontra o painel. Se a potência fornecida pelo painel aumentar com a perturbação, esta perturbação aproxima o funcionamento do painel do MPP. Caso se note uma diminuição da potência disponível é necessário realizar a perturbação no sentido oposto. O algoritmo usado está representado na figura 3.3. Figura 3.3: Algoritmo perturbação e observação 3.6 Malha de controlo Para finalizar o dimensionamento do microinversor, projetou-se a malha de controlo encarregue de controlar o transito de energia entre o painel e a rede. No projeto podemos considerar duas malhas de controlo distintas, uma para o conversor DC/DC e outra para o DC/AC. A figura 3.4 demonstra o controlo projetado. Cada uma das malhas de controlo irá ser analisada em pormenor de seguida. 34 O microinversor Figura 3.4: Diagrama do controlo 3.6.1 Malha de controlo do conversor DC/DC A malha de controlo proposta vai conter dois PI’s em cascata. No Loop exterior, (primeiro PI) vai conter o valor de tensão de referência calculado pelo algoritmo MPPT P&O(Perturb and Observe), que vai ser subtraído à tensão fornecida do painel fotovoltaico. Esse valor é o nosso sinal de entrada no PI. Este Loop externo está encarregue de controlar a tensão do painel fotovoltaico. Com o Loop interno teremos a saída do primeiro PI que vai ser multiplicada por um sinal representativo do valor absoluto do sinal de rede, forçando assim a que o sinal de referência do PI que controla a corrente seja uma onda sinusoidal retificada. A este valor irá ser subtraída a corrente que percorre a bobina do barramento DC, obtendo-se assim o valor de entrada do segundo PI. A malha de controlo é fechada através de um gerador de PWM’s que irá criar dois sinais de controlo com uma frequência de 50Khz e desfasados 180opara os interruptores do andar DC/DC. 3.6.2 Malha de controlo do conversor DC/AC A malha de controlo do conversor DC/AC tem como sinal de entrada o sinal da rede. A fase da rede é analisada continuamente recorrendo a um PLL (phase locked loop). À saída do conversor DC/DC temos um sinal igual ao sinal da rede mas retificado. OPLL está encarregue de detetar os pontos em que a tensão da rede é nula e dar ordem a um gerador de PWM para controlar a ponte H para que na componente positiva da rede a corrente siga com a forma que se encontra na bobina do barramento DC e na componente negativa esta corrente seja invertida. Capítulo 4 Simulação do micronversor A validação do conversor dimensionado foi realizada recorrendo ao software matlab ePsim, utilizando uma ferramenta disponibilizada por ambos de co-simulação, foi usado como a base a simulação que se encontra em : [18] , e posteriormente alterada para implementar todo o trabalho desenvolvido. Neste capitulo irão ser apresentados os circuitos simulados assim como os seus resultados. 4.1 O painel O primeiro passo foi projetar o painel solar a usar na simulação, para tal recorreu-se ao software PSIM que contem um modelo físico de um painel solar. O modelo é configurável de modo a que este se comporte de maneira semelhante ao painel escolhido. Utilizando os dados fornecidos pela Datasheet do fornecedor, configurou-se o modelo como demonstra a figura 4.1 O passo seguinte foi verificar a validade do modelo projetado para verificar se o comportamento do mesmo se assemelha à realidade. Realizou-se a montagem que pode ser observada na figura 4.2 A corrente fornecida pelo painel está relacionada com a tensão aos seus terminais. Assim sendo foi posto um gerador de onda triangular aos seus terminais para analisar o comportamento do painel. Os parâmetros do gerador são: •1— tensão de pico-a-pico, VPP =50V •2— período de 100s A definição destes parâmetros permite que possamos considerar os eixos xx como sendo a tensão aos terminais o que permite uma análise comparativa com os gráficos fornecidos pela Datasheet do painel. O bloco de Param swaap permite variar no mesmo intervalo temporal uma das variáveis. Foi feita a variação da radiação solar no painel e analisado o comportamento do mesmo. 35 36 Simulação do micronversor Figura 4.1: Configuração do modelo do painel Figura 4.2: Circuito para validar o modelo do painel solar Podemos ver na imagem 4.3 a resposta do modelo projetado. Comparando com a figura 4.4 que foi retirada da Datasheet do fabricante conclui-se que para as diversas variações de radiação o comportamento do modelo aproxima-se bastante dos dados da Datasheet. 4.1 O painel 37 Figura 4.3: Resposta do modelo em PSIM para vários niveis de radiação Figura 4.4: Resposta do painel fotovoltaico para vários niveis de radiação De seguida foi realizada a mesma simulação mas para diferentes valores de temperatura. Os resultados da simulação encontram-se na figura 4.5. Comparando com os dados fornecidos pelo fabricante, que se encontram na figura 4.6, concluise que a resposta do modelo implementado para diferentes valores de temperatura são idênticos. 44 Simulação do micronversor Figura 4.16: Corrente ingetada na rede É notório a diminuição de ruído na corrente em comparação com a corrente da bobina do barramento DC, logo, pode-se concluir que o filtro de ligação à rede foi bem dimensionado. De modo a validar a qualidade da corrente é feita uma análise no domínio das frequências, para tal foi realizado a FFT (Fourier Fast Transform). O resultado da transformada na zona de baixas frequências pode ser observado na figura 4.17. Figura 4.17: Harmônicos na zona das baixas frequências. A qualidade da corrente injetada na rede é medida através do seu THD Total Harmonic Distortion. Segundo a norma IEE519 a THD tem que ser menor que 5% [19]. Através da analise da FFT calculou-se a THD segundo a equação 4.2 THD =p((h2)2+(h3)2...(hn)2) h1.100% (4.2) 4.3 Resusltados da simulação 45 O valor calculado foi de 4.2% cumprindo a norma IEE519, garantindo assim que o microinversor está bem dimensionado e é capaz de injetar eficientemente a corrente produzida pelo painel fotovoltaico na rede. 46 Simulação do micronversor Capítulo 5 Projeto da implementação Neste capitulo serão abordados os componentes necessários para a implementação física do microinversor. Será justificada a escolha dos componentes assim como as montagens necessárias para o seu funcionamento. O primeiro passo foi definir uma estrutura funcional do microinversor. A figura 5.1 representa a arquitetura adotada para a montagem do inversor. Figura 5.1: Arquitetura da implementação Nas secções seguintes serão abordados todos os elementos necessários para a implementação. 5.1 Diodo de proteção do painel A escolha do diodo de proteção recaiu sobre o modelo DSEP30-12CR. A única variável limitativa da escolha do diodo é a corrente maxima que este tem que suportar, sendo essa corrente a corrente de curto circuito que é de 8.4A. O diodo escolhido está apto para a sua funcionalidade visto que suporta 30A. 47 48 Projeto da implementação 5.2 Condensador DC De acordo com o dimensionamento previamente efetuado o condensador tem que ser pelo menos de 5.1mF. O condensador a selecionar tem que suportar a tensão máxima produzida pelo painel que é de 36.7V. Dada a limitação de escolha no mercado de condensadores com o valor pretendido, foi decidido usar três condensadores em série para para atingir o valor necessário. Os condensadores escolhidos encontram-se na tabela 5.1. Tabela 5.1: seleção de condensadores Condensador quantidade valor 158KXM050M 2 1.5mF 228CKH050M 1 2.2mF Os três condensadores escolhidos suportam uma tensão de 50V e têm uma capacidade total de 5.2mF cumprindo assim os requisitos pretendidos. 5.3 Interruptores do conversor push-pull e da Ponte H Dada a topologia do conversor push-pull os interruptores escolhidos têm que ser capazes de suportar o dobro da tensão fornecida pelo painel. A escolha recaiu nos Mosfets IPA50R140CP da INFINION sendo que estes suportam tensões até 550V e uma corrente constante de 23A. Os mosfet’s foram dimensionados por excesso para garantir a robustez geral do microinversor. Os interruptores da Ponte H têm que suportar os picos de tensão da rede. Foram escolhidos os mesmos mosfet’s pois também cumprem os requisitos . 5.4 Transformador O dimensionamento do transformador já foi realizado no capitulo 4, apenas falta escolher a ferrite ideal para a sua construção. A variável a ter em consideração na escolha da ferrite é AeAw e o seu valor tem que ser superior a 0.4155cm4como consta no dimensionamento realizado no terceiro capitulo. A ferrite selecionada é a E32,N87 do fabricante EPCOS e o valor de AeAwfoi calculado como sendo 1.22cm4. 5.5 Diodos da Ponte rectificadora Os díodos estão sujeitos ao produto da tensão fornecida pelo painel pela razão de transformação do transformador. O que no pior caso é de 514V. Também tém que suportar uma corrente igual à corrente da bobina do barramento DC, que é cerca de 0.85A. 5.6 Bobina barramento DC 49 Os díodos escolhidos suportam 1000V e uma corrente de 3A, sendo capazes de aguentar os requisitos do microinversor. Os diodos escolhidos foram os 1n5406. 5.6 Bobina barramento DC Segundo o dimensionamento feito para um ripple de corrente de 15% a bobine a usar é de 4.9mH, o que não é um valor standard. Decidiu-se usar uma bobina de 4.7mH o que vai originar um aumento do ripple de corrente para 15.5%. Considerou-se esse valor aceitável. A bobina escolhida foi a 1130-472K-RC do fabricante BOURNS JW MILLER. 5.7 Filtro LC Para a realização do filtro de ligação a rede os componentes escolhidos foram o condensador R.46MKP X2 de 0.69ηFe a bobina foi a MCSD75-390KU de 0.39mH. 5.8 Processamento Para implementar o controlo como demonstrado na figura 5.1 teve-se que escolher um microcontrolador. O microcontrolador será responsável pela análise dos sinais de Ipv,Vpv, e Ildc, pela realização do controlo MPPT, do controlo da corrente na bobina do barramento DC e irá originar os sinais de comando para os interruptores do andar DC do microinversor. Foi escolhido o Arduino Uno sendo este um microcontrolador que contem um Atmega328, o que é suficiente para o processamento necessário. OArduino Uno contem todos os componentes necessários para controlar o atmega328, fazendo com que seja relativamente fácil a sua programação e configuração. Pode ser observado o Arduino Uno na figura 5.2. Figura 5.2: ARDUINO UNO [20] 50 Projeto da implementação 5.9 Aquisição de sinais de potência A estrutura de controlo necessita de um constante medição de valores de tensão e corrente. Os valores que têm que ser constantemente analisados são: a corrente gerada pelo painel Ipv, a tensão a que se encontra o painel Vpv e a corrente na bobina do barramento DC,ILdc. Para aquisição destes valores foram utilizados sensores de corrente e de tensão da LEM. A escolha dos sensores da LEM foi feita devido: á fiabilidade das suas medições, ao facto do sinal de saída ter um comportamento linear em relação ao sinal de entrada e por os sensores LEM conferirem isolamento entre a parte de potência do microinversor e a parte de processamento de sinal e de controlo. O isolamento é uma questão essencial para o robustez e segurança do microinversor. O funcionamento dos sensores consiste em criar uma tensão à saída proporcional à corrente de entrada. No subcapítulo que se segue serão abordados os dois sensores usados. 5.9.1 Sensor de tensão O sensor de tensão usado para analisar a tensão da rede e a tensão do painel é o LV25P, o circuito implementado assim como a sua estrutura interna está representado na figura 5.3. O sensor pode ser observado na figura 5.4 Figura 5.3: Configuração interna do sensor de tensão [21] Figura 5.4: LV25P [21] Como referido previamente a leitura realizada pelo sensor é feita em corrente, é necessário dimensionar a resistência R1. Este dimensionamento é feito considerando que para a tensão máxima a ler, a corrente que atravessa o sensor tem de ser 10mA. 5.9 Aquisição de sinais de potência 51 A equação 5.1 representa o dimensionamento. R1=VI,max 10m(5.1) À saída do sensor é obtida uma corrente igual a um fator de conversão de 2500:1000 da corrente de entrada. É dimensionada uma resistência Rmde modo a obter-se a tensão desejada, Vout. O valor de RMé calculado segundo a equação 5.2. RM=Vout 10m.2,5(5.2) Foram usados dois sensores de tensão LV25P. Os valores das resistências dimensionadas assim como os valores máximos e mínimos de tensões à saída dos mesmos estão representados na tabela 5.2. Tabela 5.2: Calibração dos sensores de tensão Leitura R1 RM Vout,min Vout,max Vrede 33kΩ120Ω-3V 3V Vpv 2.9kΩ120Ω0V 3V 5.9.2 Sensor de corrente Os sensores de corrente têm o mesmo principio de funcionamento que os sensores de tensão, no entanto, os sensores de corrente não requerem o dimensionamento de resistências para a medição visto que o sinal de entrada já se encontra sobre forma de corrente. Para a medição de Ipv foi usado o sensor LEM HY15P e na medição de Ildc foi usado o sensor LEM HY5P. Estes sensores diferem na medida em que o primeiro apresenta uma gama de tensões na saída entre ±4Vpara correntes de entrada de ±15Aenquanto que o segundo sensor apresenta a mesma gama de tensões na saída mas para uma variação de corrente de entrada de ±5A. O sensor de corrente pode ser observado na figura 5.5 52 Projeto da implementação Figura 5.5: LEM HY5P [21] Os valores das medições de corrente irão ter a gama de valores demonstrada na tabela 5.3 Tabela 5.3: Gama de valores dos sensores de corrente Leitura Vout,min Vout,max Ipv 0V 2.24V ILdc 0V 0.48V 5.10 Condicionamento Sensores Após a aquisição dos sinais de tensão e de corrente necessários para a malha de controlo foi necessário adaptá-los a uma gama de valores aceites pelo Arduíno, visto que o ADC(Analog Digital Converter), do ARDUINO UNO está limitado a tensões de entrada entre 0V e 5V. Para o condicionamento recorreu-se ao circuito exemplificado na figura 5.6. Figura 5.6: Circuito de condicionamento dos sensores O primeiro AMP OP é responsável por introduzir uma tensão de Ofset. Esta tensão é necessária pois os sinais de saída de alguns dos sensores contêm tensões negativas que não são aceites pelo ARDUINO UNO. A tensão de Ofset está relacionada com o valor de R1 e R2, como demonstra a equação 5.3 Vout =−R2 R1.15V(5.3) 5.11 Condicionamento sinais do Arduino 53 O segundo AMP OP esta encarregue de subtrair o sinal vindo do sensor do sinal de Offset e também introduz o ganho necessário para garantir que a gama de valores que vai chegar ao ARDUINO UNO se encontra entre 0 e 5V. A equação deste andar de condicionamento pode ser observada na equação 5.4 Vout =R4 R3.(Vlem −Vo f set)(5.4) Os valores das resistências usadas nesta montagem para cada um dos sensores assim como a gama de valores previstos no ADC do ARDUINO UNO podem ser observados na tabela 5.4 Tabela 5.4: Dimensionamento dos circuitos de condicionamento dos sensores Leitura R1 R2 R3 R4 VADC,min VADC,max Vrede 8,2kΩ2,2kΩ10kΩ6,7K 0,68V 4.7V Vpv 8,2KΩ1,2kΩ10kΩ6,7K 1,4V 3.4V Ipv 8,2KΩ220Ω33kΩ33k 0,4 2,6 ILdc 22kΩ1,2KΩ33kΩ100k 2,4 3,9 OAMP OP selecionado para a realização do condicionamento foi o TL0821IP. 5.11 Condicionamento sinais do Arduino O conversor DC/DC do microinversor é controlado através de duas PWM’s com o mesmo duty cycle aplicadas nos interruptores, estando estas desfasadas 180o. Foi definido que a frequência destas PWM’s será de 50Khz. O ARDUINO UNO apesar de ter saídas sobre a forma de PWM’s apresenta limitações quanto à definição de frequência destas. Optou-se por usar a Serial peripheral Interface (SPI) do microcontrolador para enviar o sinal de controlo e posteriormente criar as PWM’s necessárias. O integrado escolhido foi o MCP4921, visto este estar concebido para a ligação direta com a SPI do Atmega328 que integra o ARDDUINO UNO como demonstrado na figura 5.7. O circuito contem um condensador de 0.1ηpara filtrar o ruído de altas frequências, de modo manter o sinal de controlo o mais limpo possível. A montagem realizada pode ser observada na figura 5.7. 60 Implementação e resultados •3— Análise condicionamento de sinais de potência •4— Análise e condicionamento da rede •5— Condicionamento do sinal do ARDUINO e criação de PWM’s Esta abordagem modular permite também uma substituição do equipamento em caso de avaria. Na figura 6.1 pode ser observado o trabalho final da PCB no5. Figura 6.1: PCB do condicionamento do sinal do ARDUINO e criação de PWM’s 6.2 Resultados da implementação Serão apresentados de seguida os resultados obtidos da implementação. Na figura 6.2 estão representados os sinais de controlo dos mosfet’s da conversor Push-Pull. Foi imposto no ARDUINO UNO um duty cycle de cerca de 25 %. Este sinal foi transmitido por SPI como uma tensão DC de referência. Foram geradas as PWM’s de controlo. O sinal apresentado na figura 6.2 é medido após os fotoacopladores. 6.2 Resultados da implementação 61 Figura 6.2: sinais de controlo do conversor Push-Pull A deteção do zero da rede para controlar a Ponte H foi realizada com recurso a um comparador. Na figura 6.3 pode ser analisado o sinal da rede juntamente com o sinal gerado pelo comparador. Este sinal seria usado para controlar a injeção de corrente na rede. Figura 6.3: Sinal da rede e sinal de controlo da Ponte H 62 Implementação e resultados A figura 6.4 é uma foto das PCB’s realizadas. Figura 6.4: PCB’s realizadas 6.3 Aplicação de observação em tempo real do microinversor Para se conseguir analisar em tempo real a resposta do painel solar e de todo o sistema de conversão de energia foi desenvolvido uma aplicação que permite a analise de todos os sinais que atravessam o microinversor. Esta aplicação foi pensada para auxiliar o calibramento da malha de controlo, porém, a aplicação também possibilita criar um registo histórico da potência produzida, da tensão aos terminais do painel, da corrente injetada na rede, e de todas as variáveis que se possam considerar relevantes. Considerou-se ser uma mais valia a utilização desta aplicação visto que, com base nos dados recolhidos pode-se diagnosticar possíveis problemas do sistema com mais facilidade, o que permite otimizar o funcionamento do microinversor. Foi usado o freeware Parallax Data Acquisition tool para fazer a transferência de dados do ARDUINO UNO para o EXCEL. Na imagem 6.5 pode ser observado o aspecto geral da aplicação 6.3 Aplicação de observação em tempo real do microinversor 63 Figura 6.5: Aplicação de observação em tempo real do microinversor A aplicação servirá nesta fase para demonstrar o correto funcionamento dos sensores de corrente e tensão utilizados assim como toda a eletrónica de condicionamento e interligação com o ARDUINO UNO. Também servirá para ilustrar o funcionamento do algoritmo MPPT. Ligando a PCB da análise da rede e inserindo o respectivo sinal medido no ARDUINO UNO, constata-se que a aplicação está a ler o sinal da rede como pode ser observado na figura 6.6. Figura 6.6: Sinal da rede lida com a aplicação A aplicação serviu para validar o algoritmo MPPT implementado. Visto que não foi possível concluir o projeto, o algoritmo MPPT foi validado pondo uma tensão variável no sensor de tensão do painel e observando o algoritmo a gerar uma referência que segue a tensão. Esta analise pode ser observada na figura 6.7. 64 Implementação e resultados Figura 6.7: Tensão de referéncia gerada pelo algoritmo MPPT e tensão do painel Capítulo 7 Conclusões e Trabalho Futuro Neste capitulo serão abordadas as conclusões que foram sendo alcançadas ao longo desta dissertação e serão sugeridas algumas propostas para trabalhos futuros que se consideram importantes para complementar o trabalho realizado. 7.1 Conclusões A dissertação realizada teve como objetivos o dimensionamento, simulação e construção dum microinversor para ligar um painel fotovoltaico a rede elétrica. A elaboração da dissertação foi acompanhada de pesquisa de publicações sobre os conhecimentos científicos relacionados com os temas abordados, o que me proporcionou um aprofundamento de conhecimentos no que toca a conversores, o seu controlo, e as tecnologias envolvidas em sistemas de energia renováveis. Foram também desenvolvidas competências na área de elaboração de PCB’s e programação de microcontroladores. Relativamento ao microinversor, foi realizado com sucesso o seu dimensionamento assim como o projeto da implementação pratica, para validar o dimensionamento a simulação permitiu analisar que foi injetada na rede corrente com uma baixa THD. Deparou-se com algumas dificuldades inerentes a implementação pratica, como o desenvolvimento das PCB’s visto ser algo nunca antes abordado no percurso acadêmico assim como tempos de espera quer do fabrico das PCB’s, quer na aquisição dos componentes necessários. Conclui-se que o desenvolvimento deste projeto foi enriquecedor academicamente no que toca a eletrônica de potencia e das tecnologias envolvidas em energias renováveis. 7.2 Trabalho Futuro Como trabalho futuro sugere-se que a partir do trabalho desenvolvido de simulação e implementação se termine a construção do microinversor de modo a validar completamente o trabalho 65 66 Conclusões e Trabalho Futuro desenvolvido. Para alem da implementação é sugerido a realização de alguns melhoramentos como proposto de seguida. •1— Efetuar um estudo das perdas ao longo do inversor para deste modo calcular a sua eficiência. •2— Realizar um estudo de mercado para escolher os componentes mais baratos do mercado, sem comprometer a eficiência para reduzir ao máximo o custo da implementação. •3— Realizar um estudo mais aprofundado de modo a diminuir o tamanho do condensador DC usado, visto ser o componente que irá influenciar o tempo de vida útil do microinversor. •4— Implementação de um circuito PLL para melhorar o sincronismo com a rede. •5— Implementar um mecanismo de Island Operation para desligar o microinversor da rede em caso de anomalia quer no inversor quer na rede de modo a manter a integridade do sistema. Referências [1] Sean Walker, Keith W Hipel, e Takehiro Inohara. Strategic analysis of the kyoto protocol. Em Systems, Man and Cybernetics, 2007. ISIC. 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