Desenvolvimento de conversores de potência com interface de painéis fotovoltaicos para smart homes

Paulo Frederico Costeira de Passos Desenvolvimento de Conversores de Potência com Interface de Painéis Fotovoltaicos para Smart Homes Dissertação submetida na Universidade do Minho para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrónica e de Computadores Trabalho realizado sob orientação do Doutor Vítor Duarte Fernandes Monteiro Dezembro de 2019 DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Atribuição CC BY https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Em primeiro lugar desejo agradecer ao meu orientador Doutor Vítor Duarte Fernandes Monteiro. Realço a amizade desenvolvida durante todo o período em que os nossos caminhos profissionais se cruzaram, onde com recurso a palavras providenciou constantemente uma enorme motivação e vontade de alcançar objetivos cada vez mais ambiciosos, com o objetivo de atingir a excelência. Desejo agradecer ao Doutorando Tiago Sousa e ao Engenheiro José Cunha pelo apoio, disponibilidade e carinho demonstrados durante todo o desenvolvimento desta dissertação, por todas as conversas pessoais e profissionais, das quais resultaram uma grande transmissão de conhecimentos. Agradeço ainda o todo o gosto transmitido pela área da eletrónica de potência. Desejo agradecer a todos os elementos do GEPE por todo o apoio e prontidão apresentados especialmente ao Doutorando Luís Barros e Doutor Delfim Pedrosa por todos os momentos de apoio, brincadeira e transmissão de conhecimentos proporcionados bem como desejo agradecer ainda aos meus colegas, que como eu, realizaram a dissertação de mestrado no laboratório do GEPE: João Machado, André Lemos, Sérgio Coelho e Diogo Vaz e em especial ao meu parceiro de trabalho Bruno Nova por todos os momentos de partilha de conhecimentos, apoio e ainda pelo excelente ambiente de trabalho que proporcionaram. Agradeço também à família que construí no decorrer da minha vida, por todas as palavras de apoio e motivação que me transmitiram durante todo este processo, que me deram força para nunca desistir. Desejo um obrigado à minha companheira de armas por toda a paciência disponibilizada bem como por todo o carinho e amor transmitidos nos momentos mais difíceis deste processo. Agradeço à minha família, por todo o esforço realizado para que fosse possível chegar a este ponto. Por todas as palavras de apoio, motivação e companheirismo transmitido. Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto de IC&DT “newERA4GRIDs – New Generation of Unified Power Conditioner with Advanced Control, Integrating Electric Mobility, Renewables, and Active Filtering Capabilities for the Power Grid Improvement”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI‑EEE/30283/2017. Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto de IC&DT “DAIPESEV – Development of Advanced Integrated Power Electronic Systems for Electric Vehicles”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI EEE/30382/2017. DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho v A microgeração e a utilização de veículos elétricos estão cada vez mais presentes no quotidiano e representam dois importantes fatores no caminho do desenvolvimento das smart grids e smart homes , que visam a gestão dos dispositivos eletrónicos ligados à rede elétrica ou à habitação. Assim sendo, a necessidade do desenvolvimento de novas tecnologias, assim como a otimização de topologias já existentes, no sentido de melhorar o carregamento de baterias dos veículos elétricos, a produção de energia a partir de fontes de energia renováveis e o melhoramento da qualidade da energia elétrica, é cada vez mais relevante. No âmbito desta dissertação pretende-se desenvolver um equipamento que surge como uma solução para a realização da interface entre veículos elétricos, painéis fotovoltaicos e a rede elétrica, além de compensar, dinamicamente, problemas de qualidade da energia elétrica. A solução tradicional utiliza dois conversores de potência para realizar a interface entre o veículo elétrico e a rede elétrica e mais dois conversores de potência para a interface da fonte de energia renovável e a rede elétrica). Esta topologia apresenta uma desvantagem no carregamento direto das baterias do veículo elétrico a partir da fonte de energia renovável, pois requer o uso de quatro conversores de potência e a rede elétrica como intermediários. Para colmatar esta desvantagem, a configuração adotada utiliza apenas um conversor CA-CC e um barramento CC comum aos dois conversores CCCC que interligará os três conversores. Assim, obtêm-se as vantagens de utilizar apenas um conversor para realizar a interface do carregador do veículo elétrico e a fonte de energia renovável com a rede, a possibilidade de realizar o carregamento das baterias diretamente dos painéis fotovoltaicos, sem usar a rede como intermediário, e ainda a contribuição para a melhoria dos problemas de qualidade de energia. Nesta dissertação, foi desenvolvido um conversor CA-CC (em colaboração com outra dissertação), o mais reduzido possível (usando SiC - Silicon Carbide, como semicondutores controlados), variando assim as suas caraterísticas de forma a se obter a redução de tamanho e a realizar a interface com os outros dois conversores de potência (CC-CC). Após um estudo cuidado do estado da arte, foi desenvolvido um modelo computacional em PSIM e foi desenvolvido um protótipo laboratorial (conversor CA-CC e CC-CC), onde o conversor CC-CC realiza a interface com a fonte de energia renovável (com algoritmo de controlo de maximum power point tracker (MPPT)). Com recurso ao sistema desenvolvido foram obtidos resultados experimentais que comprovam a solução adotada. Palavras-Chave: Módulos Fotovoltaicos, Veículos Elétricos, Qualidade da Energia Elétrica, Smart Home , Smart Grid , Eletrónica de Potência, SiC – Silicon Carbide. Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho vi Microgeneration and the use of electric vehicles are increasingly present in our daily lives and they represent two major factors in the development of smart grids and smart homes, which aim to manage electronic devices connected to the power grid or to the house. Therefore, the need to develop new technologies as well as improving the existing ones in order to improve battery charging of electric vehicles, the production of energy from renewable power sources and the improvement of energy quality is increasingly relevant. This dissertation intends to develop an equipment that emerges as a solution for the interface between electric vehicles, photovoltaic panels and the power grid as it also dynamically compensates for problems of power quality. The traditional solution uses two power converters to interface between the electric vehicle and the power grid (one ac/dc converter and another dc/dc converter) and two more power converters for the renewable power source (one ac/dc converter and another dc/dc converter). This traditional topology has a disadvantage in the direct charging of the electric vehicle batteries from the renewable energy source as it requires the use of four power converters and the power grid as intermediates. To overcome this drawback, the adopted configuration uses only one ac/dc converter and one common dc link to interface the two dc/dc converters with the ac/dc converter. This gives the advantages of using only one converter to interface the electric vehicle charger and the renewable power source with the power grid. It also allows the ability to charge the batteries directly from the photovoltaic panels without using the power grid as an intermediary further contributing to improve issues related to the quality of power. Through this dissertation, when combined with another dissertation, an AC/DC converter, compacted as much as possible will be developed, thus varying its characteristics in order to obtain the size reduction. This will interface with the other two power converters (dc/dc). Posteriorly and individually, a dc/dc converter will be developed that will interface with the renewable power source, where a maximum power point tracker (MPPT) control algorithm is applied in order to extract as much power as possible from the photovoltaic panel. Keywords: Photovoltaic Modules, Electric Vehicles, Power Quality, Smart Home, Smart Grid, Power Electronics, SiC – Silicon Carbide. Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho vii ÍNDICE Agradecimentos ............................................................................................................................................................ iii Resumo ......................................................................................................................................................................... v Abstract ........................................................................................................................................................................ vi Lista de Figuras .............................................................................................................................................................. x Lista de Tabelas ........................................................................................................................................................... xv Acrónimos e Siglas ....................................................................................................................................................... xvi Nomenclatura ............................................................................................................................................................ xviii Capítulo 1 Introdução ....................................................................................................................................... 1 Energia Solar Fotovoltaica no Mundo ............................................................................................................ 1 Energia Solar Fotovoltaica em Portugal ......................................................................................................... 3 Smart Grid e Microgeração ........................................................................................................................... 4 Enquadramento e Motivações ....................................................................................................................... 5 Objetivos da Dissertação ............................................................................................................................... 6 Organização da Dissertação .......................................................................................................................... 7 Capítulo 2 Tecnologias de Sistemas Solares Fotovoltaicos ................................................................................. 9 Energia Solar Fotovoltaica ............................................................................................................................. 9 Tipos de Células Fotovoltaicas .................................................................................................................... 10 2.2.1 Baseado em Materiais Sólidos Cristalizados ................................................................................... 10 2.2.2 Baseado em Materiais Amorfos e Finos .......................................................................................... 11 2.2.3 Comparação das Várias Células Fotovoltaicas ................................................................................ 13 Modelo Elétrico de uma Célula Fotovoltaica................................................................................................. 14 Modelo Solar Fotovoltaico ........................................................................................................................... 16 Sistemas Solares Fotovoltaicos: Tecnologias Emergentes ............................................................................ 18 Conclusão .................................................................................................................................................. 19 Capítulo 3 Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos ............................................................ 20 Introdução .................................................................................................................................................. 20 Conversores CC-CC não Isolados ................................................................................................................ 20 3.2.1 Conversor Boost ( Step-Up ) ............................................................................................................. 21 3.2.2 Conversor Buck-Boost ( half-bridge ) ................................................................................................. 23 Conversores CA-CC (PFC) ........................................................................................................................... 24 3.3.1 Conversor CA-CC Half-Bridge ......................................................................................................... 25 3.3.2 Conversor CA-CC full-bridge ........................................................................................................... 26 3.3.3 Conversores Multinível ................................................................................................................... 27 3.3.4 Conversor Interleaved .................................................................................................................... 32 Maximum Power Point Tracker ................................................................................................................... 33 3.4.1 Tensão Constante .......................................................................................................................... 34 3.4.2 Corrente Constante ........................................................................................................................ 34 3.4.3 Perturbação & Observação (P&O) ................................................................................................... 35 3.4.4 Condutância Incremental ............................................................................................................... 36 Índice Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho viii Técnicas de Controlo de Corrente para Conversores de Potência ................................................................. 38 3.5.1 Controlo de Corrente por Histerese ................................................................................................ 38 3.5.2 Controlo de Corrente por Periodic Sampling ................................................................................... 39 3.5.3 Controlo Proporcional-Integral Estacionário ..................................................................................... 40 3.5.4 Controlo Preditivo .......................................................................................................................... 40 Técnicas de Modulação para Conversores VSI ............................................................................................. 42 3.6.1 SPWM Bipolar ................................................................................................................................ 42 3.6.2 SPWM Unipolar.............................................................................................................................. 43 3.6.3 SPWM para Conversores Multinível ................................................................................................ 44 Conclusão .................................................................................................................................................. 45 Capítulo 4 Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes ................... 47 Introdução .................................................................................................................................................. 47 Topologia Proposta e Princípio de Funcionamento ....................................................................................... 47 Resultados de Simulação do Conversor CA-CC ............................................................................................ 49 4.3.1 Sincronização com a Rede Elétrica ................................................................................................. 50 4.3.2 Regulação do Barramento CC ........................................................................................................ 51 4.3.3 Resultados do Controlo de Corrente ............................................................................................... 53 4.3.4 Compensação do Dead-Time ......................................................................................................... 53 4.3.5 Funcionamento em Modo Interleaved ............................................................................................. 55 Resultados de Simulação do Conversor CC-CC ............................................................................................ 56 4.4.1 Módulo Solar ................................................................................................................................. 56 4.4.2 Resultados de Simulação do Conversor CC-CC do tipo Boost .......................................................... 58 4.4.3 Validação do Algoritmo de MPPT .................................................................................................... 61 Modos de Operação ................................................................................................................................... 63 4.5.1 Grid-to-Vehicle ................................................................................................................................ 64 4.5.2 Vehicle-to-Grid ................................................................................................................................ 66 4.5.3 Renewable-to-Grid .......................................................................................................................... 67 4.5.4 Renewable-to-Vehicle ...................................................................................................................... 68 4.5.5 Renewable-to-Grid e Vehicle-to-Grid ................................................................................................. 70 Conclusão .................................................................................................................................................. 71 Capítulo 5 Desenvolvimento do Equipamento para Smart Homes .................................................................... 73 Introdução .................................................................................................................................................. 73 Hardware de Potência ................................................................................................................................ 73 Sistema de Controlo Desenvolvido .............................................................................................................. 78 5.3.1 PCB de Drivers .............................................................................................................................. 78 5.3.2 Digital Signal Processor (DSP) ........................................................................................................ 81 5.3.3 Sensores de Tensão....................................................................................................................... 84 5.3.4 Sensores de Corrente .................................................................................................................... 85 5.3.5 PCB de Condicionamento de Sinal, Comando e Proteção ............................................................... 86 Integração do Hardware Desenvolvido ......................................................................................................... 91 Conclusão .................................................................................................................................................. 93 Capítulo 6 Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido................................................................ 94 Introdução .................................................................................................................................................. 94 Resultados do Conversor CA-CC Interleaved ................................................................................................ 94 6.2.1 Controlo de Corrente Preditivo ....................................................................................................... 96 6.2.2 Sincronização com a Rede Elétrica ................................................................................................. 98 6.2.3 Conversor a Operar como Inversor Ligado à Rede Elétrica .............................................................. 99 6.2.4 Regulação do Barramento CC ...................................................................................................... 100 Resultados do Conversor CC-CC boost ...................................................................................................... 101 Resultados do Sistema Integrado .............................................................................................................. 102 6.4.1 Grid-to-Vehicle .............................................................................................................................. 103 Índice Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho ix 6.4.2 Vehicle-to-Grid .............................................................................................................................. 105 6.4.3 Renewable-to-Grid ........................................................................................................................ 107 6.4.4 Renewable-to-Vehicle .................................................................................................................... 110 6.4.5 Renewable-to-Grid e Vehicle-to-Grid ............................................................................................... 112 Conclusão ................................................................................................................................................ 114 Capítulo 7 Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro................................................................................. 116 Conclusão ................................................................................................................................................ 116 Sugestões de Trabalho Futuro .................................................................................................................. 120 Lista de Referências .................................................................................................................................................. 121 Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho xvi Acrónimo / Sigla Significado ADC Analog-to-Digital Converter CA Corrente Alternada CC Corrente Contínua CCI Capacitor Clamped Inverter CHB Cascaded H Bridge CSI Current Source Inverter DAC Digital-to-Analog Converter DCI Diode Clamped Inverter DSP Digital Signal Processor EMI Electromagnetic Interference FBD Fryze–Buchholz–Depenbrock G2V Grid-to-Vehicle Ge Condutância IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor LTP Lower trip point MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MPP Maximum Power Point MPPT Maximum Power Point Tracker PCB Printed Circuit Board PFC Power Factor Correction PLL Phase Locked Loop PV Painéis Fotovoltaicos QEE Qualidade de Energia Elétrica R2G Renewable-to-Grid R2V Renewable-to-Vehicle RES Renewable Energy Source Acronimos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho xvii SG Smart Grid SH Smart Home SiC Silicon Carbide SMD Surface Mount Device SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation UTP Upper trip point V2G Vehicle-to-Grid Vcc Tensão no Barramento CC VE Veículo Elétrico VSI Voltage Source Inverter Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho xviii Isc Corrente de Curto-Circuito A iref Corrente de referência A Ibat Corrente de saída das baterias A Iinv Corrente de saída do conversor CA-CC A Ipv Corrente de saída dos módulos fotovoltaicos A Impp Corrente no ponto de potência máxima A f Frequência da tensão da rede elétrica Hz fs Frequência de amostragem Hz fc Frequência de comutação Hz Pbat Potência de saída das baterias W Ppv Potência de saída dos módulos fotovoltaicos W Rg Resistência de gate Ω Rge Resistência gate-emissor Ω Vtri Tensão da onda triangular portadora V Voc Tensão de Circuito Aberto V Vref Tensão de referência V Vbat Tensão de saída das baterias V Vinv Tensão de saída do conversor CA-CC V Vpv Tensão de saída dos módulos fotovoltaicos V Vmpp Tensão no ponto de potência máxima V Irms Valor eficaz da corrente V Vrms Valor eficaz da tensão V Δ I Variação da corrente A Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 1 Energia Solar Fotovoltaica no Mundo O contínuo crescimento da população mundial leva, inevitavelmente, a um rápido crescimento da demanda energética por parte da população. Devido à excessiva poluição e escassez dos combustíveis fósseis é imperativo integrar fontes de energia renováveis de forma a dar resposta a esta necessidade e de caminhar em prol de um desenvolvimento sustentável [1]. O ano de 2018 tornou-se um marco relativamente ao tema da energia solar fotovoltaica. Foi neste ano que se quebrou a barreira de uma produção a nível mundial de mais de 500 GW. Contudo, neste ano também se registou a primeira queda no crescimento desta tecnologia. Todavia, foram adicionados à produção mundial mais 102,4 GW provenientes da geração de energia através desta fonte de energia renovável à produção já existente. Este valor representa 4% a mais do que a capacidade de 98,5 GW instalada em 2017. Figura 1.1. Potências produzidas por fonte de energia. Apesar de apresentar uma curva com pouco declive relativo ao seu crescimento anual, a energia solar foi a fonte de energia que mais aumentou a sua capacidade de produção face a todas as outras tecnologias de produção de energia elétrica. Tal como em 2017, esta tecnologia superou, em termos Capítulo 1 – Introdução Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 2 de instalações adicionadas por ano, a capacidade combinada instalada dos combustíveis fosseis e nuclear embora tenha sido por uma pequena percentagem (<1%). Apesar do seu rápido crescimento, a produção de energia a partir desta tecnologia ainda carece de grandes investimentos e desenvolvimento de forma a aproximar-se do seu verdadeiro potencial, pois analisando a produção total de energia no planeta em 2018, a energia solar representa apenas 2% dessa produção. Figura 1.2. Produção mundial de potência proveniente de fontes renováveis. O mercado mundial da energia solar fotovoltaica é dominado pela China, que possui um total de 176,1 GW instalados no seu território. Apesar de enorme diferença face à China, os Estados Unidos da América é segundo maior produtor, contando com instalações que perfazem uma capacidade total de 62,2 GW. Imediatamente depois aparece o Japão com uma capacidade total instalada de 56 GW [2]. Devido às metas estabelecidas pela União Europeia para 2020, a Europa está também a aumentar exponencialmente a capidade de produção de energia elétrica através desta tecnologia. Em 2018 a sua capacidade de produção aumentou em 11,3 GW, o que representa um aumento de 21% face aos 9.3 GW instalados anteriormente em 2017. É também esperado um aumento de 80% para 2019, que representa um acréscimo de capacidade em 20,4 GW e também um crescimento de mais 18%, equivalente a 24,1 GW, para 2020 [3]. A Tabela 1.1 ilustra os países que mais capacidade instalaram em 2018 bem como os países com a maior capacidade instalada. Capítulo 1 – Introdução Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 3 Tabela 1.1. Países com a maior capacidade instalada e capacidade total instalada em 2018. Capacidade anual instalada Capacidade total 1 China 45,0 GW 1 China 176,1 GW 2 India 10,8 GW 2 USA 62,2 GW 3 USA 10,6 GW 3 Japão 56,0 GW 4 Japão 6,5 GW 4 Alemanha 45.4 GW 5 Austrália 3,8 GW 5 India 32,9 GW 6 Alemanha 3,0 GW 6 Itália 20,1 GW 7 México 2,7 GW 7 Reino Unido 13,0 GW 8 Coreia do Sul 2,0 GW 8 Austrália 11,3 GW 9 Turquia 1,6 GW 9 França 9,0 GW 10 Holanda 1,3 GW 10 Coreia do Sul 7,9 GW Energia Solar Fotovoltaica em Portugal Atualmente em Portugal, tal como ilustra a Figura 1.3 ainda se verifica uma grande dependência energética das fontes de energia não renováveis [4]. Figura 1.3. Produção por fontes de energia em Portugal Contudo, 52,2% da produção de energia elétrica teve origem em fontes de energia renováveis. Verificase que que a geração de energia hídrica e eólica são as que possuem um maior contributo, com 23,7% e 22%, respetivamente, seguidas da geração recorrendo à biomassa e solar, com 5% e 1,5%, respetivamente. Constata-se ainda que a energia solar fotovoltaica está continuamente a aumentar o número de instalações pelo território nacional e consequentemente a sua capacidade total [5]. Este constante aumento, deve-se ao facto de Portugal ter efetuado uma aprofundada revisão às suas políticas energéticas em 2008. Aliado a esta revisão estão as ótimas condições climatéricas e Capítulo 1 – Introdução Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 4 geográficas [4]. Como se verifica na Figura 1.4, Portugal apresenta uma ótima média anual da radiação incidente na superfície. Este último factor torna a exploração da energia solar fotovoltaica bastante viável. Figura 1.4. Incidência de radiação solar em Portugal [6] fonte: https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/portugal. Smart Grid e Microgeração Atualmente, a rede elétrica engloba todas as centrais de geração de energia, bem como todas as linhas de transmissão e distribuição, responsáveis por entregar a energia ao consumidor final. Com os avanços tecnológicos, é cada vez maior a necessidade de aumentar a eficiência das trocas de energia da rede elétrica, postos de geração de energia locais e o consumidor final. Recorrendo a aparelhos de medição inteligentes e tecnologias de comunicação, é possível detetar e reagir rapidamente a alterações nos padrões de consumo energético, aumentando assim a eficiência do fluxo de energia, diminuição dos os custos de operação enquanto se mantém um sistema altamente fiável. Dado que a smart grid permite um fluxo de energia bidirecional, esta permite monitorizar e controlar todos os elementos lá conectados. Possibilita também a integração de fontes de energia localizadas, tanto renováveis como derivadas de combustíveis fósseis. Adicionalmente, possibilita ao consumidor a gestão do seu próprio consumo e produção, caso possuam painéis fotovoltaicos ou outra fonte de energia [7]. Capítulo 1 – Introdução Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 5 A constante evolução destas tecnologias resulta num novo paradigma, denominado por smart homes (SH), que é representado pela forma de como a energia elétrica é distribuída e consumida, a comunicação entre todos os equipamentos conectados à SH, bem como a troca de dados entre o fornecedor e consumidor, de forma a oferecer ao utilizador uma maior eficiência na deteção e resolução de problemas nos equipamentos instalados. A SH visa a integração de aparelhos inteligentes conectados pela mesma rede wireless , nomeadamente aparelhos de medição e atuação. Aliado às SG, cria-se a possibilidade de oferecer ao consumidor um controlo total sobre a gestão da energia na sua habitação, bem como o controlo do funcionamento dos dispositivos inteligentes [8]. Como consequência do rápido aumento no número de instalações solares fotovoltaicas e outras fontes de energia renováveis, é promovido o autoconsumo, devido ao facto de a fonte de energia estar localizada próxima do local de consumo. Deixa de ser tão viável um sistema baseado na injeção de toda a energia produzida na rede elétrica e incentiva-se o autoconsumo, onde a energia excedente também pode ser injetada na rede [9]. Enquadramento e Motivações O setor da produção de energia a partir de fontes de energia renováveis está numa escala de crescimento notória, sendo que, cada vez mais, a humanidade recebe energia proveniente destas fontes. A combinação da necessidade que os países em desenvolvimento têm em obter energia elétrica e a competitividade entre os grandes fabricantes de sistemas de produção de energia a partir de fonte renováveis que procuram dar resposta a esta demanda, propulsionaram o crescimento destas tecnologias [10]. Constata-se que cada vez mais a microgeração e a utilização de veículos elétricos estão presentes no nosso quotidiano, pois são dois fatores essenciais ao desenvolvimento das SH e SG que visam a gestão de todos os dispositivos eletrónicos ligados à rede elétrica ou à habitação. Esta produção doméstica de energia é um excelente método para a redução da pegada humana e para o início do desuso da energia proveniente dos combusteis fósseis, que provocam sérios danos ao planeta, devido à quantidade de gases libertados, nomeadamente óxido de nitrogênio, dióxido de enxofre, metais pesados e dióxido de carbono. Apesar disto, estes aumentos significativos de cargas ligadas à rede começam a trazer problemas de qualidade de energia elétrica (QEE) à rede elétrica. Surgem então novas soluções bem como a otimização de soluções já existentes de forma a ser possível eliminar estes problemas e manter a rede elétrica com a melhor QEE possível. Capítulo 1 – Introdução Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 6 Assim sendo, no âmbito desta dissertação foi desenvolvido um equipamento que engloba três conversores de potência que interagem entre si, possibilitando a interface entre a rede elétrica, os painéis fotovoltaicos (PV) e as baterias dos veículos elétricos (VE), permitindo então operar em quatro diferentes modos: (a) operação rede elétrica para veículo elétrico, onde as baterias são carregadas a partir da rede elétrica; (b) operação veículo elétrico para rede elétrica, onde parte da energia armazenada nas baterias do veículo elétrico é devolvida à rede elétrica; (c) operação fonte renovável para a rede elétrica, onde a energia produzida é entregue à rede elétrica quando o veículo elétrico não está a carregar as suas baterias; (d) operação fonte renovável para o veículo elétrico, onde a energia produzida é utilizada para carregar as baterias do veículo elétrico. Apesar destes modos de operação poderem operar em modo individual, estes podem ser reorganizados para modos de operação combinados [11]. Nos dias de hoje, existe claramente um consumo e dependência excessiva sobre os combustíveis fósseis. Surgem assim novas oportunidades de desenvolvimento de soluções que começam a reduzir esta dependência. Assim, começa a existir um aumento no número de veículos elétricos bem como de sistemas capazes de gerar energia suficiente para auxiliar o fornecimento de energia elétrica nas habitações e indústrias. Além disso, o número de cargas não lineares ligadas à rede também aumenta, contribuindo para acentuar problemas de QEE na rede. Neste sentido, surge assim uma proposta para solucionar estes problemas. Nesta dissertação, são apresentados os detalhes de desenvolvimento de um equipamento capaz de gerir a energia numa habitação. Objetivos da Dissertação O objetivo principal deste projeto consiste no desenvolvimento de um sistema para SH que realize a interface entre a rede elétrica, os painéis fotovoltaicos e as baterias de um veículo elétrico. Desenvolvese então um conversor CA-CC bidirecional monofásico, um conversor CC-CC unidirecional para interface com os painéis fotovoltaicos e um conversor CC-CC bidirecional para interface com os veículos elétricos. Este projeto é desenvolvido em duas dissertações. Nesta dissertação é focado o desenvolvimento do conversor CA-CC e o desenvolvimento do conversor CC-CC unidirecional para interface com os painéis fotovoltaicos. Assim, os objetivos desta dissertação serão: ▪ Estudo do estado da arte sobre conversores, tecnologias de painéis solares fotovoltaicos, algoritmos de MPPT e técnicas de controlo utilizadas em inversores e conversores CC-CC boost; Capítulo 1 – Introdução Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 7 ▪ Estudo com recurso a simulações computacionais utilizando a ferramenta PowerSIM de topologias e técnicas de controlo aplicáveis ao equipamento a desenvolver; ▪ Desenvolvimento dos conversores de eletrónica de potência bem como os seus sistemas de controlo; Realização de ensaios individuais dos conversores de potência e, posteriormente, integração dos mesmos de forma a verificar e validar o desempenho do sistema totalmente integrado. Organização da Dissertação Este documento está dividido em sete capítulos, ao longo dos quais está descrito todas as etapas do desenvolvimento desta dissertação. Apresenta-se neste subcapítulo uma descrição pormenorizada dos assuntos abordados em cada um dos capítulos englobados neste documento. No Capítulo 1 é exposto o problema da forma como a energia é produzida no nosso quotidiano. Apresenta-se como solução a produção de energia solar fotovoltaica bem como a integração da mesma em SH e SG . São apresentados dados estatísticos relativos ao desenvolvimento desta fonte de energia renovável, ao longo do tempo, no mundo bem como em Portugal. É exposto novo paradigma das SH, sendo descrito as possíveis vantagens que esta nova forma de geração e consumo de energia oferece ao consumidor final. O capítulo é encerrado com a descrição das motivações e objetivos do sistema. No Capítulo 2 é realizada uma introdução à energia solar fotovoltaica onde são descritos com mais detalhe os elementos chave para o seu funcionamento. Nestes elementos, estão incluídos a célula fotovoltaica, as tecnologias englobadas na mesma e os fatores externos que afetam o correto funcionamento da mesma, e por fim é feito um levantamento do estado da arte sobre a tecnologia já existe no mercado. O capítulo encerra-se com o modelo elétrico de uma célula solar fotovoltaica. No Capítulo 3 é levantado o estado da arte de topologias de conversores de eletrónica de potência suscetíveis a serem aplicados no sistema a desenvolver. São também tratados diversos algoritmos de controlo, a serem aplicados nos diferentes constituintes do hardware a projetar. Os mais relevantes são os algoritmos de controlo de corrente para serem aplicados no conversor CA-CC, algoritmos de MPPT para aplicação no conversor CC-CC de forma a extrair a máxima potência dos painéis solares fotovoltaicos, bem como algoritmos para realizar a sincronização do sistema com a rede elétrica. No Capítulo 4 são explicados os possíveis modos de operação bem como o princípio de funcionamento do sistema. Através dos resultados das simulações computacionais valida-se o funcionamento do protótipo, isto é, a validação da topologia proposta e dos algoritmos de controlo aplicados. Capítulo 2 – Tecnologias de Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 14 Modelo Elétrico de uma Célula Fotovoltaica De forma a ser possível obter uma ótima projeção e funcionamento dos painéis solares fotovoltaicos é necessário prever o comportamento destes sistemas quando sujeitos a variações das condições ambientais. Este facto torna-se cada vez mais relevante devido à natureza não linear das tecnologias emergentes, nomeadamente o material semicondutor, bem como do estado das variações climáticas na atualidade. O modelo elétrico base de uma célula solar, como se verifica na Figura 2.1, recorre a uma fonte de corrente e um díodo semicondutor [18] [19]. Figura 2.1. Modelo elétrico de uma célula fotovoltaica. Não sendo possível desprezar as resistências parasitas, redesenha-se o modelo elétrico da célula, ilustrado na Figura 2.2, de forma a incluir uma resistência em série, Rs, bem como uma resistência em paralelo, Rsh. Estas duas resistências, dependendo do seu valor, influenciam diretamente a potência máxima passível de ser extraída das células fotovoltaica. Quanto maior for a resistência Rs, menor será a corrente que por ela flui e, consequentemente, menor será a potência de saída. Quanto mais baixa for a resistência Rsh, mais corrente fluirá por ela o que também levará a uma perda de potência na saída. A resistência Rs é, normalmente, influenciada pela própria resistência dos materiais, contactos metálicos e ainda pelas ligações elétricas. A resistência Rsh é afetada pela junções p-n não ideais e pelas impurezas englobadas nas junções. Idealmente ter-se-ia um valor de zero ohms na resistência Rs e um valor de resistência infinito na resistência Rsh, possibilitando assim a extração da potencia máxima da célula fotovoltaica [20]. IPV RS RSH ID Figura 2.2. Modelo elétrico de uma célula fotovoltaica considerando as resistências parasitas. Tendo em conta que Rsh toma valores relativamente elevados, o que resulta num baixo impacto na corrente de saída da célula, é removida do circuito equivalente, como ilustra a Figura 2.3, de forma a facilitar os cálculos. IPV ID Capítulo 2 – Tecnologias de Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 15 IPV ID RS Figura 2.3. Modelo elétrico de uma célula fotovoltaica desprezando Rsh. No modelo apresentado na Figura 2.2, a fonte de corrente Ipv representa a corrente gerada pela célula solar fotovoltaica quando a radiação solar incide na mesma. Recorrendo às leis de Kirchhoff , tensão nas malhas e lei das correntes nos nós é possível obter as equações (2.2) e (2.3) 𝑉𝑂𝑈𝑇 =𝑉𝐷−𝑉𝑅𝑆 (2.2) 𝐼𝑂𝑈𝑇 =𝐼𝑝𝑣 −𝐼𝐷−𝐼𝑆𝐻 (2.3) Com base na primeira lei de Kirchhoff , sabe-se que a corrente de saída da célula solar fotovoltaica é obtida através da diferença da corrente 𝐼𝑝𝑣 com a corrente inversa de saturação do díodo 𝐼𝐷. Analisase então a equação da corrente do díodo, que resulta na equação (2.4): 𝐼𝐷=𝐼0.(𝑒 𝑉𝐷 𝜂𝑉𝑇𝐻 −1) (2.4) A corrente máxima de saturação do díodo para um valor definido de temperatura representa-se por 𝐼0, 𝜂 representa o fator de idealidade do díodo e 𝑉𝑇𝐻 define a tensão térmica. O valor de 𝑉𝑇𝐻 é calculado através da equação (2.5). 𝑉𝑇𝐻 =𝐾𝑏𝑇 𝑞 (2.5) A constante de Boltzmann é representada por 𝐾𝑏 e toma o valor de 1,38 x 10−23 𝐽/𝐾. A temperatura, em Kelvin, de funcionamento da célula solar fotovoltaica é dada por T . A carga de um eletrão, que tem o valor de 1,6 x 10−19 𝐶, é dada por 𝑞. Através da seguinte equação (2.6), obtém-se a corrente na resistência RSH. 𝐼𝑆𝐻 =𝑉𝐷 𝑅𝑆𝐻 =𝑉𝑂𝑈𝑇 +𝑉𝑅𝑆 𝑅𝑆𝐻 (2.6) Substituindo na equação inicial de 𝐼𝑂𝑈𝑇 as parcelas equivalentes previamente deduzidas, chega-se à equação característica da corrente de saída da célula solar fotovoltaica, representada pela equação (2.7): 𝐼𝑂𝑈𝑇 =𝐼𝑃𝑉 −𝐼0(𝑒𝑉𝐷 𝜂𝑉𝑇𝐻 −1)−𝑉𝑂𝑈𝑇 +𝑉𝑅𝑆 𝑅𝑆𝐻 (2.7) Capítulo 2 – Tecnologias de Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 16 Considerando apenas os valores mais elevados para RSH, como já referido, a última parcela da equação apresentará sempre um valor bastante reduzido (próximo de zero), desta forma pode ser desprezada dos cálculos relativo à corrente de saída da célula solar fotovoltaica [20] [21]. Modelo Solar Fotovoltaico Como referido anteriormente, a performance das instalações solares fotovoltaicas está diretamente relacionada com a temperatura ambiente, a incidência da radiação solar e a própria configuração da instalação. Em momentos de sombra parcial, as características dos painéis solares tornam-se mais complexas de analisar e compensar devido à oscilação repentina das mesmas. Para além destes factos, a configuração da instalação solar fotovoltaica, isto é, a quantidade de painéis solares conectados em serie e em paralelo, afetam significativamente a máxima potência disponível aquando expostos a sombra parcialmente.[22]. Torna-se assim essencial compreender e analisar os parâmetros dos módulos solares que mais variações sofrem quando influenciados pela oscilação destes fatores externos. Ponto de Potência Máxima O ponto de potência máximo, conhecido por Maximum Power Point (MPP) , é a zona ótima de operação, isto é, é o ponto da curva característica Corrente-Tensão do módulo solar, representado na Figura 2.4 por Pmax , onde o produto destas duas variáveis é mais elevado. Figura 2.4. Curva I-V característica. Tensão Nominal A tensão nominal, também referida como Máximum Power Point Voltage (VPP ), é o valor de tensão que o módulo solar fornece quando o mesmo atinge o valor de MPP . Tal valor está ilustrado na curva característica, na Figura 2.4 I V Mpp Isc Voc (Ipp, Vpp) Capítulo 2 – Tecnologias de Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 17 Corrente Nominal A corrente nominal, também referida como Maximum Power Point Current (IMPP ), é o valor de corrente que o módulo solar fornece quando o mesmo atinge o valor de MPP. Tensão de Circuito Aberto A tensão de circuito aberto, conhecida por Open-Circuit Voltage (VOC), é a tensão que atravessa o módulo solar quando os terminais do mesmo são deixados em aberto, isto é, no momento em que conecta aos terminais do módulo uma resistência com um valor infinito, a corrente que o atravessa é nula. Corrente de Curto Circuito A corrente de curto circuito, conhecida por Short-Circuit Current (ISC), representa o valor máximo de corrente produzida pelo módulo solar quando os terminais do mesmo estão curto-circuitados, ou seja, quando a tensão que o atravessa é nula. Usualmente, na modulação dos módulos solares é considerada a ISC como a corrente nominal do mesmo [23]. Posto isto, parte-se para a análise da influência dos fatores externos nos módulos solares. Temperatura As oscilações da temperatura estão conectadas ao fator de idealidade dos módulos solares, isto é, o fator de idealidade varia linearmente com a temperatura. O parâmetro afetado pelas oscilações da temperatura a que as células fotovoltaicas operam é o VOC. Assim, quando a temperatura nas células aumenta, o VOC diminui. Esta diminuição provoca consequentemente uma queda na potência máxima passível de ser extraída do módulo fotovoltaico. Em [24], observa-se a curva característica I-V traçada para as temperaturas entre -10º C e 70º C, bem como se observa o efeito que tais temperaturas de operação provocam na potência produzida. É possível verificar que a tensão de circuito aberto tem uma queda mais elevada quanto mais elevada a temperatura e que a corrente de curto-circuito não apresenta variações significativas. Radiação Solar Como referido previamente, denota-se que grande parte da radiação emitida pelo Sol, não é passível de ser absorvida pelos módulos fotovoltaicos. Este facto, acarreta a desvantagem de não só, não aproveitar toda a gama da radiação, bem como, provocar o aquecimento do módulo fotovoltaico o que consequentemente reduz a eficiência do mesmo. Em [24] observa-se ainda o efeito da variação da Capítulo 2 – Tecnologias de Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 18 radiação solar na curva I-V bem como a diminuição da potencia máxima disponibilizada pelo módulo à medida que a radiação diminui. Conclui-se que a radiação solar incidente e os módulos fotovoltaicos estão diretamente relacionados, pois quando menor a radiação solar menor será a corrente gerada pelo módulo e, consequentemente, menor a potência disponibilizada [23] [24]. Efeito Sombra O efeito sombra ocorre quando um painel solar fotovoltaico recebe níveis diferentes de radiação solar nos seus módulos, isto é, as células fotovoltaicas de um módulo estão a receber níveis de radiação diferentes. Este efeito pode ser provocado por uma vasta variedade de possíveis obstáculos, nomeadamente nuvens, árvores, construções e até sujidade nas próprias células. Acontece que nestas condições de operação, as células fotovoltaicas que estão a receber um baixo, ou até nulo, nível de radiação e limitam a corrente que é produzida pelos mesmo, resultado assim numa produção de diferentes valores de corrente nos módulos fotovoltaicos. Recorre-se assim a díodos para realizar o bypass ao módulo fotovoltaico sob o efeito de sombra de forma a reduzir o impacto do mesmo no painel fotovoltaico [25]. Quando ocorre a incidência de sombra num modulo solar, a zona reversa de operação da célula fotovoltaica tem que ser levada em conta [26] [27]. Em [26], realizam-se ensaios onde se analisa o impacto que um módulo fotovoltaico sob efeito sombra tem no painel de módulos fotovoltaicos. São considerados díodos conectados em paralelo com os módulos fotovoltaicos, bem como se apresenta a comparação das a potências geradas por um painel que possui díodos conectados em paralelo com um painel que não possui díodos conectados. Sistemas Solares Fotovoltaicos: Tecnologias Emergentes As células solares fotovoltaicas fabricadas a partir de Perovskita são consideradas o caminho para a próxima geração das células fotovoltaicas. Têm chamado a atenção da comunidade científica pois evoluíram rapidamente apresentando agora valores bastante satisfatórios em termos de eficiência, para além de ser possível fabricar estas células recorrendo a técnicas de impressão. São maioritariamente fabricadas em substratos de vidro ou politereftalato de etileno com um elétrodo de óxido de índio-estanho. O papel é um substrato leve, flexível, abundante, de baixo custo e reciclável. É produzido recorrendo a materiais celulosos, como é o caso das plantas, o que significa que também pode ser queimado e destruído. O baixo custo de produção, flexibilidade e disponibilidade levaram a um rápido crescimento de tecnologias baseadas em papel, bem como, à investigação de transístores orgânicos e outras aplicações [28]. Em [29] é ilustrada a rápida evolução das células de perovskita, Capítulo 2 – Tecnologias de Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 19 em termos de eficiência ao longo do tempo, comparativamente às tecnologias mais recorrentes do mercado. Verifica-se que num curto espaço de tempo, relativamente ao tempo associado à evolução de cada tecnologia, as células de perovskita evoluíram rápido o suficiente para competir com as células fotovoltaica já assentes no mercado. Apesar de ainda não serem utilizadas em aplicações domésticas e industriais, já apresentam características promissoras que aliadas ao baixo custo de produção, devido à possibilidade de serem impressas, leva a um forte investimento no desenvolvimento das mesmas de forma a dar resposta à demanda da redução do preço dos módulos solares fotovoltaicos [29]. Conclusão Neste capítulo é realizado o estudo sobre o funcionamento das células fotovoltaicas, com foco na compreensão do comportamento destas sob a influência de fatores externos. Para este efeito analisase o modelo elétrico da célula fotovoltaica, bem como o impacto da variação dos elementos parasitas nestas. Dada a diversidade de tecnologias empregues no mercado dos módulos fotovoltaicos, surge a necessidade de analisar as tecnologias mais comummente empregues, de forma a entender as diferenças de desempenho bem como o rácio entre o seu custo e desempenho. Posto isto, analisa-se os parâmetros característicos dos módulos solares fotovoltaicos. Esta análise torna-se essencial no âmbito da projeção de sistemas com vários módulos integrados. Tendo em conta a sensibilidade dos módulos fotovoltaicos a variações de fatores externos, tal como a incidência da radiação solar e a temperatura ambiente, é analisado o impacto que estes têm na sua operação. Realiza-se ainda uma revisão sobre o impacto do efeito sombra na operação dos módulos bem como uma possível solução para este efeito. Como conclusão, apresenta-se uma nova tecnologia em ascensão na comunidade científica, devido aos seus resultados promissores comparativamente às tecnologias já existentes. Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 20 Introdução Neste capítulo é realizado o levantamento do estado da arte das topologias, algoritmos MPPT, técnicas de controlo de corrente para conversores de potência, técnicas de modulação para conversores VSI, bem como, teorias de potência a serem empregues no sistema. Esta análise das topologias permite dimensionar um sistema o mais compacto e eficiente possível, relativamente ao fluxo de energia entre os módulos solares fotovoltaicos, baterias e a rede elétrica. Considerando o objetivo de desenvolver um sistema o mais compacto possível, os conversores CC-CC isolados não se apresentam como uma solução viável. Estes conversores recorrem a transformadores para garantirem isolamento galvânico e passagens de níveis de tensão mais elevados, comparativamente aos conversores não isolados que ficam limitados pelos elementos passivos do circuito, o que consequentemente acarreta uma redução drástica à densidade de potência do sistema. O estudo dos algoritmos de MPPT torna-se essencial de modo a ser possível extrair a máxima potência dos modelos fotovoltaicos. Posteriormente, analisam-se as diferentes técnicas de controlo de corrente e técnicas de modulação Pulse Width Modulation (PWM) de forma a obter um correto funcionamento por parte do inversor. Conversores CC-CC não Isolados Os conversores CC-CC são utilizados para se conseguir variar o valor da tensão contínua de um nível para outro nível, superior ou inferior, sendo assim possível ajustar o valor da tensão para o valor que uma carga necessita de receber. Este tipo de conversor é vastamente utilizado em aplicações onde o nível de tensão de saída não é muito superior ou inferior ao nível de tensão de entrada. Revelam-se vantajosos para integrarem aplicações de energias renováveis, pois dimensionando um barramento CC para tensões próximas das tensões nominais dos sistemas de energias renováveis, permitem um aumento da densidade de potência bem como uma redução de custos de implementação, pois estes não recorrem a um transformador. Denomina-se por conversor CC-CC buck quando o conversor converte o valor de entrada de tensão para um valor mais baixo de tensão. O conversor CC-CC boost Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 21 é o responsável por alterar o nível da tensão de entrada para um nível de tensão mais elevado. E o conversor CC-CC buck-boost que permite baixar ou subir a tensão dependendo da posição em que é aplicada a fonte de alimentação [30]. 3.2.1 Conversor Boost ( Step-Up ) É um conversor comummente utilizado em sistemas de travagem regenerativa, fontes de alimentação comutadas, bem como em aplicações mais simples devido à sua simplicidade de implementação [31]. Como ilustrado na Figura 3.1, o conversor boost é constituído por um díodo D , um semicondutor de potência S , um condensador C e uma bobina L . O condensador C é utilizado de forma a reduzir o valor de ripple da tensão presente no andar de entrada. Devido ao facto de possuir apenas um semicondutor, este só consegue operar em dois distintos modos. Quando o semicondutor está fechado e em condução, a bobina é energizada pois recebe energia da fonte de alimentação. Quando o semicondutor está aberto, o díodo conduz e a saída recebe energia da bobina elevando a tensão na carga [31]. Figura 3.1. Esquema elétrico do conversor CC-CC boost Na Figura 3.2 apresenta-se o circuito equivalente aquando o semicondutor S está fechado e em condução. Neste instante o díodo encontra-se inversamente polarizado, o que provoca um isolamento entre o andar de entrada e saída. Como referido, a bobina fica energizada através da fonte de alimentação, que se encontra em série com a bobina. Figura 3.2. Esquema elétrico do conversor CC-CC boost com o semicondutor fechado. PV L C S CC D C CC D S VL PV iL iD Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 22 A Figura 3.3 ilustra o circuito equivalente quando o semicondutor S está em aberto, ou seja, sem conduzir. Este estado força a condução pelo díodo, sendo a carga presente no andar saída alimentada pela energia proveniente da bobina. Figura 3.3. Esquema elétrico do conversor CC-CC com o semicondutor aberto. A variável CC representa a tensão de saída Vout, VL a tensão na bobina, iL a corrente na bobina, iD a corrente no díodo e PV a tensão de entrada Vin. Para esta dissertação apenas é considerado o funcionamento do conversor em modo de condução de contínua. O modo de condução contínua verifica-se quando a corrente que circula na bobina é contínua, isto é, nunca atinge o valor de zero, 𝑖𝐿>0. A Figura 3.4 ilustra as formas de onda da tensão e corrente presentes bobina quando o conversor está a operar em modo de contínuo [32] [33]. Figura 3.4. Tensão e corrente na bobina do conversor CC-CC em modo boost . Considerando a Figura 3.4 e as variáveis anteriormente descritas, considera-se a equação (3.1). 𝑉𝑖𝑛𝑇𝑂𝑁 +(𝑉𝑖𝑛 −𝑉𝑜𝑢𝑡)𝑇𝑂𝐹𝐹 =0 (3.1) Reorganizando a equação (3.1) e dividindo os fatores da equação pelo período de comutação, chegase à equação (3.2). 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛 =𝑇𝑠 𝑇𝑂𝐹𝐹 =1 1−𝐷 (3.2) VL C CC D PV S iL iD 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 0.0022 0.00225 0.0023 0.00235 0.0024 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vbobina Ibobina TON TOFF TS vin Vin-Vout Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 23 D é a variável que representa o duty-cycle . Desprezando as perdas do circuito, tem-se uma potência de entrada igual à potência de saída. O mesmo pode ser representado pela equação (3.3): 𝑃𝐼𝑁 =𝑃𝑂𝑈𝑇 (3.3) A equação (3.3) pode ser também representada pela equação (3.4) 𝑉𝑖𝑛𝐼𝑖𝑛 =𝑉𝑜𝑢𝑡𝐼𝑜𝑢𝑡 (3.4) Tendo em conta a equação (3.2) e (3.4) deduz-se a equação (3.5): 𝐼𝑜𝑢𝑡 𝐼𝑖𝑛 =(1−𝐷) (3.5) Apresentam-se assim as equações utilizadas para o dimensionamento do conversor CC-CC boost empregue nesta dissertação [34]. 3.2.2 Conversor Buck-Boost ( half-bridge ) O conversor CC-CC Buck-Boost (half-bridge) é amplamente utilizado em diversas aplicações devido ao facto de poder operar tanto em modo step-up como em modo step-down. Analisando a Figura 3.5 conclui-se que é possível operar em modo step-down caso a fonte de alimentação esteja conectada ao barramento de tensão Vdc1 e a carga conectada ao barramento de tensão Vdc2. Verifica-se também que é possível operar em modo step-up caso a fonte de alimentação esteja conectada ao barramento de tensão Vdc2 e a carga conectada ao barramento de tensão Vdc1. Figura 3.5. Esquema do conversor CC-CC half-bridge. De forma a operar em modo buck recorre-se ao semicondutor S1 e ao díodo em antiparalelo do semicondutor S2. Em contrapartida, para operar em modo boost recorre-se ao semicondutor S2 e ao díodo em antiparalelo do semicondutor S1. No modo de operação buck o semicondutor S2 está sempre no estado off e enquanto que o semicondutor S1 está no estado off a tensão presente nos seus terminais equivale a +vcc1 e quando este está no estado on a tensão presente nos seus terminais é zero. No modo de operação boost o semicondutor S1 está sempre no estado off e enquanto que o semicondutor S2 está no estado off a tensão presente nos seus terminais equivale a +vcc1 e quando este está no estado on a tensão presente nos seus terminais é zero. Na Tabela 3.1 analisa-se as L Vcc 2 S2 S1 Vcc 1 a b c Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 30 e elevada eficiência. Contudo não apresenta uma perda equilibrada nos semicondutores, o que leva a aquecimentos desiguais nos mesmos e consequentemente a conduções desequilibradas. Figura 3.9. Esquema elétrico do conversor CA-CC NPC de 5 níveis. Uniformizando, esta topologia para m níveis requere m-1 condensadores com ponto médio entre eles no seu barramento CC bem como 2*(m-1) semicondutores de potência. Porém com o aumento dos níveis de tensão, a qualidade da onda de saída será maior mas requere mais díodos de clamping, o que eleva a complexidade e custo da topologia [42] A Figura 3.9 representa o esquema elétrico desta topologia que é capaz de gerar 5 níveis na sua saída. Tabela 3.5. Modos de Operação do Conversor CA-CC NPC de 5 níveis. Estados de Comutação Tensão de Saída S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 Vinv 1 1 1 1 0 0 0 0 +Vcc/2 0 1 1 1 1 0 0 0 +Vcc/4 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 -Vcc/4 0 0 0 0 1 1 1 1 -Vcc/2 Dependendo da combinação dos estados de comutação dos semicondutores, este inversor é capaz de gerar cinco diferentes níveis de tensão da sua saída, a Tabela 3.5 representa as diferentes combinações das comutações, bem como a tensão produzida à saída do conversor. Vcc/4 Vcc/4 Vcc/4 Vcc/4 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 CA Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 31 Depende dos estados em operação o conversor NPC pode apresentar à saída dos seus terminais, uma tensão equivalente a +Vcc/2, +Vcc/4, 0, -Vcc/4 e -Vcc/2. Flying Capacitor Esta topologia assemelha-se bastante com a topologia multinível NPC , mas ao invés de recorrer a díodos de clamping , recorre-se a condensadores de forma a possibilitar o mesmo efeito de bloqueio que o conversor anteriormente descrito. Figura 3.10. Esquema elétrico do conversor CA-CC flying-capacitor de 5 níveis. A Figura 3.10 ilustra a configuração desta topologia multinível. O inversor flying-capacitor é capaz de gerar cinco níveis de tensão na sua saída. A tensão dos condensadores do barramento CC varia de um condensador para o próximo condensador, isto é, a tensão é diferente nos diferentes barramentos presentes na topologia. Para m níveis, são requerido 2*(m-1) semicondutores de potência, bem como (m-1) condensadores para o barramento CC e ainda ((m-1)*(m-2))/2 condensadores auxiliares para o efeito de bloqueio [43]. A maior vantagem desta topologia assenta no baixo rating de tensão e corrente a que os semicondutores de potência são submetidos, isto é, o valor de tensão e corrente que está aplicado em cada semicondutor, o que resulta num menor esforço em operação por parte dos semicondutores Vdc/2 Vdc/4 Vdc/4 Vdc/2 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 C4 C4 C4 C4 C3 C3 C3 C2 C2 C1 CA Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 32 de potência. A Tabela 3.6 representa as combinações necessárias de forma a se obter os previstos cinco níveis. Tabela 3.6. Modos de operação do conversor CA-CC flying-capacitor de 5 níveis. Estados de Comutação Tensão de Saída S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 Vinv 1 1 1 1 0 0 0 0 +Vcc/2 1 1 1 0 1 0 0 0 +Vcc/4 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 -Vcc/4 0 0 0 0 1 1 1 1 -Vcc/2 3.3.4 Conversor Interleaved A topologia interleaved assenta recorrentemente num sistema que inclui uma ponte retificadora a díodos e vários braços CC-CC intercalados, tal como o nome da topologia indica. Esta configuração acarreta ainda mais perdas devido à operação da ponte retificadora a díodos. É requerido ainda n+4 díodos e n semicondutores, onde n representa o número de braços intercalados. Contudo, uma configuração interleaved pode também consistir no paralelismo de dois conversores, isto é, conectar dois conversores CA-CC full-bridge em paralelo de forma a combinar as operações dos mesmos e sintetizar uma onda de saída final que é a resultante da soma das ondas de saída sintetizadas individualmente por cada um destes inversores. A topologia recorre então a oito semicondutores distribuídos pelas duas pontes inversoras. Recorrendo a uma modulação de sinais PWM com um desfasamento dos pulsos de 180º entre as duas pontes inversoras, é possível diminuir o valor da corrente presente em cada um dos conversores. Permite ainda cancelar o ripple da onda de saída final bem como diminuir a distorção harmónica da corrente [44] [45]. A Figura 3.11 ilustra o esquema elétrico desta topologia. Figura 3.11. Esquema elétrico do conversor CA-CC interleaved. S1 S2 S4 S3 S5 S6 S8 S7 Vcc L1 L2 L3 L4 CA Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 33 Dependendo do modo de operação aplicado, este conversor é capaz de gerar três diferentes níveis de tensão. Pela Tabela 3.7. Modos de operação do conversor CA-CC interleaved . Ângulo de disparo Estados de Comutação Tensão de Saída 0 ≤ α ≤180 S1 S2 S3 S4 Vinv 1 0 0 1 +Vcc 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 -Vcc 180 ≤ α ≤360 S5 S6 S7 S8 Vinv 1 0 0 1 +Vcc 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 -Vcc Em contrapartida, esta topologia apresenta como maior inconveniente a utilização um maior número de bobinas para realizar o acoplamento à rede elétrica, apesar de estas apresentarem um menor volume devido ao facto de estarem repartidas pelos dois conversores. Constata-se ainda que o funcionamento dos conversores em modo Interleaved cria problemas de partilha de corrente tendo em conta o valor de indutância presente no andar da entrada bem como problemas de correntes circulantes no barramento CC que deriva das diferenças dos elementos passivos e diferentes dutycycles [46]. Maximum Power Point Tracker A potência extraível de um painel fotovoltaico é, maioritariamente, ditada pela eficiência do algoritmo MPPT e pelas próprias características nominais do módulo instalado. O objetivo é sempre obter a maior potência possível durante todo o tempo em que este está em operação. Surge assim a necessidade de se utilizar um Maximum Power Point Tracker (MPPT), que estará sempre definido para trabalhar no ponto ótimo, acompanhando assim as variações climáticas e obstruções aos módulos fotovoltaicos. Devido ao grande impacto que a radiação solar e a temperatura têm na produção de energia a partir de um módulo fotovoltaico, estes devem ser sempre tidos em consideração no desenvolvimento do algoritmo de deteção da potência máxima. Assim, é então possível continuar a detetar o ponto de máxima potência durante as variações da radiação solar e da temperatura. Com o Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 34 contínuo investimento na tecnologia solar fotovoltaica, surgem cada vez mais algoritmos de MPPT que vêm tentar tornar a extração de potência deste módulo cada vez mais eficientes. Destas técnicas destacam-se as mais básicas (mas não necessariamente as menos eficientes), como o método de tensão constante e corrente constante, bem como algoritmos mais elaborados como as técnicas de Hill Climbing onde se incluem os algoritmo de perturbação e observação bem como o de condutância incremental [47]. 3.4.1 Tensão Constante O método tensão constante, também conhecido na literatura como método de tensão de circuito aberto, é um dos algoritmos de mais fácil implementação e baseia-se na relação quase linear entre o ponto de potência máxima (MPP) e a tensão de circuito aberto (VOC). Esta relação é transcrita pela equação (3.6). 𝑉𝑀𝑃𝑃 =𝑘1.𝑉𝑂𝐶 (3.6) A variável k1 representa a constante de proporcionalidade e por norma está compreendida entre os 0.71 e 0.8. Devido ao facto de ser recorrentemente utilizado k com valor de 0.76, é comum referir-se a este algoritmo como o algoritmo 76%. O ponto de operação dos módulos solares é mantido perto do ponto de máxima potência (MPP) através da regulação da tensão dos módulos que é então comparada com um valor de tensão fixo (VREF). Este valor de VREF é definido pelo próprio valor de tensão de circuito aberto característico do módulo solar ou até com um diferente valor previamente calculado que assenta melhor com o sistema a implementar. Este método considera que a incidência solar individual de cada módulo bem como as variações da temperatura são desprezáveis e que o valor de referência da tensão é uma aproximação adequada ao do verdadeiro MPP. Este algoritmo não requer a leitura de valores em tempo real. Denota-se ainda que este algoritmo é mais eficaz em condições de baixa incidência solar [48]. 3.4.2 Corrente Constante Idêntico ao método previamente descrito, o método de corrente constante ou mais comummente revisto na literatura por método de corrente de curto-circuito, baseia-se na relação quase linear entre a corrente de curto-circuito (ISC) e o MPP. A equação (3.7) traduz tal relação. A medição da corrente de curto-circuito enquanto o sistema fotovoltaico opera é problemático. 𝐼𝑀𝑃𝑃 =𝑘2.𝐼𝑆𝐶 (3.7) Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 35 O coeficiente de proporcionalidade é representado por k2 e é por norma determinado de acordo com as próprias características dos módulos solares, variando usualmente entre 0.78 e 0.92. O processo de curto-circuitar o sistema fotovoltaico é problemático, pois não só resulta numa perda de potência momentânea como é necessário um semicondutor de potência adicional para executar a operação e realizar a medição de ISC.. Adicionalmente, o ponto real de MPP nunca é atingido pois a relação quase linear em que o algoritmo se baseia é uma aproximação e o coeficiente de proporcionalidade k2 varia quando sob o efeito de sombra [49]. 3.4.3 Perturbação & Observação (P&O) O algoritmo Perturb and Observe é o método mais utilizado na obtenção do MPP num sistema solar fotovoltaico, este facto deve-se à fácil implementação do mesmo. Baseia-se na perturbação da variável de referência da tensão dos módulos solares e na comparação das potências disponíveis antes e depois da perturbação. A tensão e a corrente que atravessam o conjunto de painéis fotovoltaicos são inicialmente medidas e os seus valores guardados, de forma a ter sempre em conta a potência disponível. Verifica-se então se foi registada alguma alteração aos valores inicialmente medidos e procede-se à definição da orientação da próxima perturbação. A Tabela 3.8 ilustra a orientação da perturbação consoante a potência de saída disponibilizada. Tabela 3.8. Relação da variável de perturbação com a potência disponível. Perturbação Potência Disponível Orientação da Perturbação Positiva Aumentou Positiva Positiva Diminuiu Negativa Negativa Aumentou Negativa Negativa Diminuiu Positiva O processo é repetido periodicamente até se alcançar o ponto de potência máxima. As oscilações do sistema podem ser minimizadas reduzindo o tempo da perturbação, mas quanto mais reduzido for o tempo da perturbação, mais lento será a obtenção do ponto máximo de potência, apresentando assim uma desvantagem, representada pelo tempo necessário para alcançar o ponto de potência máxima A fluxograma apresentado na Figura 3.12 explica o funcionamento do algoritmo P&O [49] [50]. Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 36 Figura 3.12. Fluxograma do algoritmo MPPT de P&O 3.4.4 Condutância Incremental Este algoritmo baseia-se no facto de que o declive da curva potência vs tensão, dP/dV, do módulo do PV é zero no ponto de potência máxima, positivo à esquerda e negativo à direita. Surge assim a sequência de equações (3.8): 𝑑𝑃 𝑑𝑉=0,𝑛𝑜 𝑀𝑃𝑃 𝑑𝑃 𝑑𝑉>0,à 𝑒𝑠𝑞𝑢𝑒𝑟𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑀𝑃𝑃 𝑑𝑃 𝑑𝑉<0,à 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑖𝑡𝑎 𝑑𝑜 𝑀𝑃𝑃 (3.8) Sabendo que a condutância instantânea é dada por I/V e que a condutância incremental é dada por ∆I/∆V chega-se à equação : 𝑑𝑃 𝑑𝑉=𝑑(𝐼𝑉) 𝑑𝑉 =𝐼+𝑉𝑑𝐼 𝑑𝑉 ≅𝐼+ 𝑉∆𝐼 ∆𝑉 (3.9) Assim, a sequência de equações (3.8) podem ser reescritas como: ∆𝐼 ∆𝑉=−𝐼 𝑉,𝑛𝑜 𝑀𝑃𝑃 (3.10) Início Vpv(k) Ipv(k) Ppv(t)=Vpv(k)*Ipv(k) Ppv(k)-Ppv(k-1)>0 Vpv(k)-Vpv(k-1)>0Vpv(k)-Vpv(k-1)>0 Incremento do DC Decremento do DC Decremento do DC Incremento do DC Vpv(k-1)=Vpv(k) Ipv(k-1)=Ipv(k) Ppv(k-1)=Ppv(k) SimNãoSim Sim Não Não Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 37 ∆𝐼 ∆𝑉>−𝐼 𝑉,à 𝑒𝑠𝑞𝑢𝑒𝑟𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑀𝑃𝑃 ∆𝐼 ∆𝑉<−𝐼 𝑉,à 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑖𝑡𝑎 𝑑𝑜 𝑀𝑃𝑃 O MPP pode então ser calculado comparando a condutância instantânea com a condutância incremental, como é ilustrado no fluxograma da Figura 3.13. DC representa a tensão de referência a que os módulos fotovoltaicos são forçados a operar. No MPP, o valor de DC é equivalente ao valor de VMPP. Aquando a obtenção do MPP, a operação dos módulos fotovoltaicos é mantida nesse ponto até que seja detetada uma alteração em ∆I. Para a obtenção do novo ponto de MPP a variável DC é incrementada/decrementada até o mesmo ser obtido. Figura 3.13. Fluxograma do algoritmo MPPT de condutância incremental. Tal como o algoritmo anterior, a rapidez para atingir o ponto de potência máxima dependerá do tamanho do aumento da tensão de referência [49][50] Início ΔV=0 ΔI=0ΔI/ΔV=-I/V Decremento do DC Decremento do DC Incremento do DC Vpv(k-1)=Vpv(k) Ipv(k-1)=Ipv(k) Sim Não Sim Sim Não Não Vpv(k) Ipv(k) ΔV=Vpv(k)-Vpv(k-1) ΔI=Ipv(k)-Ipv(k-1) Incremento do DC ΔI/ΔV>-I/V ΔI>0 Sim SimNão Não Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 38 Técnicas de Controlo de Corrente para Conversores de Potência De forma a sintetizar a corrente desejada, os conversores CC-CA do tipo VSI requerem a utilização de uma técnica de controlo de corrente, torna-se assim possível produzir a tensão necessário para se obter a corrente pretendida. O objetivo destas técnicas de controlo de corrente é manter a corrente presente no andar de saída destes conversores o mais aproximada possível da corrente de referência previamente calculada. Dentro destas técnicas destacam-se o controlo de corrente por margem de histerese, por periodic sampling , por controlo proporcional-integral estacionário como ainda o controlo de corrente preditivo. 3.5.1 Controlo de Corrente por Histerese A técnica de controlo por comparador com histerese é uma técnica não linear de fácil implementação, pois funciona com uma margem de histerese, que é a capacidade de um sistema converter as suas propriedades na ausência do estímulo que a gerou. Baseia-se na comparação da corrente presente à saída do inversor com a corrente de referência, com uma margem de histerese no resultado da comparação [51]. S1 S2 iref iinv Figura 3.14. Esquema do controlo por comparador com histerese. Esta técnica de controlo de corrente apresenta como vantagem a rápida resposta a bruscas variações do sinal de referência bem como a sua estabilidade, devido ao facto de ser constantemente comparado com a referência e consequentemente acompanhar a mesma. Figura 3.15. Corrente sintetizada à saída do inversor com controlo por comparador com histerese onde foram consideradas diferentes margens de histerese. -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Corrente (A) Tempo (s) irede iref Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 39 Verifica-se que a corrente de saída do inversor acompanha a sua referência com uma ripple máximo representado pelo dobro do limite da margem de histerese definida. Contudo. como não existe controlo sobre a frequência de comutação, apesar de ser possível limitar a frequência máxima com um circuito auxiliar, surgem harmónicos de diferentes frequências [32] [52]. 3.5.2 Controlo de Corrente por Periodic Sampling Esta técnica de controlo é também não linear e de fácil implementação. Tal como a técnica analisada anteriormente, baseia-se na comparação entre a corrente na saída do conversor e a corrente de referência, desta vez sem a margem de histerese, mas definindo a frequência máxima de comutação a aplicar nos semicondutores. A comparação é realiza com frequência fixa, onde a frequência de amostragem é definida para o dobro da frequência de comutação. Esta técnica de controlo de corrente é suscetível de ser aplicada recorrendo a um flip-flop D à saída do comparador. Tal como ilustra a Figura 3.16 é aplicada a saída do comparador à entrada do flip-flop D, bem como uma onda quadrada na entrada de clock com a finalidade de definir a frequência de amostragem [53]. Q Q SET CLR D iref iinv S1 S2 Clock Figura 3.16. Esquema do controlo por periodc sampling Contudo, apresenta certas limitações como o facto de a frequência de comutação ser flexível, mas estar limitada pelo facto de não ultrapassar metade da frequência de amostragem da corrente de saída [32] [52]. (a) (b) Figura 3.17. (a) Forma de onda sintetizada para uma frequência de amostragem de 10 kHz; (b) Forma de onda sintetizada para uma frequência de amostragem de 100 kHz. Na Figura 3.17 (a) e (b) analisa-se o resultado da aplicação desta técnica recorrendo a frequências de amostragem diferentes, de forma a realçar o impacto que esta tem na eficácia deste controlo. É -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Corrente (A) Tempo (s) irede iref -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Corrente (A) Tempo (s) irede iref Capítulo 3 – Eletrónica de Potência para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 46 também dos módulos fotovoltaicos. De forma a controlar corretamente os conversores, abordam-se as técnicas de controlo de corrente e a sua respetiva performance, como se analisam também os diversos algoritmos de MPPT a aplicar. Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 47 Introdução As simulações computacionais são um elemento chave para o desenvolvimento de sistemas de eletrónica de potência. Através dos modelos de simulação é possível validar o correto funcionamento do sistema a implementar, bem como compreender os parâmetros que podem e devem ser ajustados de forma a se atingir a melhor otimização do mesmo que consequentemente leva a uma redução de custos de implementação, o correto dimensionamento dos componentes que por si leva a um comportamento previsível do sistema aquando a sua implementação. Recorrendo então à ferramenta de simulação PowerSIM v9.1 implementam-se os conversores empregues nesta dissertação, bem como os seus respetivos algoritmos de controlo de forma a validar as topologias propostas, controlos de corrente e tensão empregues bem como o algoritmo de MPPT utilizado. Assim, neste capítulo é apresentada uma breve descrição da topologia mais recorrentemente aplicada em sistemas híbridos, isto é, onde fontes de energia renováveis e veículos elétricos estão presentes num só sistema. Posto isto, apresenta-se o princípio de funcionamento do sistema adotado, bem como as simulações realizadas que validam o seu correto funcionamento. Topologia Proposta e Princípio de Funcionamento A topologia tradicionalmente empregue recorre a dois sistemas isolados um do outro, onde cada sistema consiste num conversor CA-CC conectado a um conversor CC-CC, de modo a realizar a interface dos módulos fotovoltaicos com a rede elétrica, bem como de um veículo elétrico com a rede elétrica. Esta configuração apresenta a desvantagem de não permitir a transferência de energia dos módulos fotovoltaicos diretamente para o veículo elétrico, isto é, não permite o carregamento direto das baterias. Para tal é sempre necessário o uso da rede elétrica como intermediário para realizar tal operação. No entanto é um sistema adequado caso o utilizador queira apenas aplicar na sua habitação um conjunto de painéis solares ou um sistema de armazenamento Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 48 Apresenta-se então a topologia adotada, onde ao invés de existirem dois sistemas independentes para realizar a interface entre os módulos solares, o carro elétrico e a rede elétrica, recorre-se a uma configuração unificada onde está presente um conversor CA-CC em modo interleaved , um conversor CC-CC tipo boost e ainda um conversor CC-CC do tipo buck-boost . A Figura 4.1 as duas topologias mencionadas neste capítulo. CA/CC CC/CC CC/CC CA CA/CC CA/CC CC/CC CC/CC CA (a) (b) Figura 4.1. Interface dos módulos solares e veículo elétrico com a rede elétrica: (a) topologia clássica (b) topologia adotada Sabendo que os dois conversores CC-CC responsáveis pela interface com os módulos fotovoltaicos e veículo elétrico estão englobados no mesmo sistema e partilham o mesmo barramento CC, torna-se possível o carregamento direto das baterias do veículo elétrico a partir da energia produzida pelos módulos fotovoltaicos, isto é, sem recorrer à rede elétrica como intermediário. Assim, para além dos modos de operação por parte da topologia tradicional, que assentam nos modos G2V ( Grid-to-Vehicle ) e R2G ( Renewable-to-Grid ) , consta-te que os modos de operação R2V ( Renewableto-Vehicle) e V2G ( Vehicle-to-Grid ) , se tornam possíveis [11]. Tais modos são apresentados na Figura 4.2. Figura 4.2. Modos de operação da topologia proposta. Como descrito em [11], esta topologia apresenta vantagens no âmbito da eficiência e custos de implementação, quando comparada com a topologia classicamente empregue, onde se atinge até cerca de mais 8,8% em termos de eficiência e um custo total menor em cerca de 33,5%. Apresentase assim na Figura 4.3 o modelo de simulação da topologia proposta. CA/ CC CC/ CC CC/ CC R2G G2V V2G R2V Barramento CC CA Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 49 Figura 4.3. Modelo de simulação da topologia proposta. Ao longo do capítulo analisa-se individualmente o conversor CA-CC em modo Interleaved bem como o conversor CC-CC do tipo boost de forma a validar o seu funcionamento e o seu respetivo algoritmo de controlo, são também apresentados os respetivos cálculos do dimensionamento dos componentes para cada conversor. Relativamente à simulação do conversor CC-CC tipo buck-boost , a mesma é analisada na dissertação intitulada por “Desenvolvimento de Conversores de Potência com Interface de Veículo Elétrico para Smart Homes”. Por último e em conjunto com a dissertação mencionada, apresenta-se a simulação da topologia proposta como também os seus resultados para os modos de operação supracitados. Resultados de Simulação do Conversor CA-CC Nesta secção apresenta-se o dimensionamento e os resultados obtidos relativamente ao conversor CACC. É abordado o método de sincronização com a rede elétrica adotado para esta dissertação bem como os resultados que validam tal sincronização. Posto isto é apresentada a técnica empregue para realizar a regulação do barramento CC, onde é empregue um controlador proporcional-integral para tal efeito. É então apresentada a técnica de controlo de corrente empregue ao conversor CA-CC, denominada por técnica de controlo de corrente preditivo. Aborda-se ainda o efeito do dead-time na forma de onda da corrente sintetizada pelo conversor, como também a técnica adequada para realizar a compensação do mesmo. Por fim é apresentado o dimensionamento e funcionamento do conversor CA-CC em modo interleaved. Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 50 4.3.1 Sincronização com a Rede Elétrica A necessidade de aplicar a uma técnica de sincronismo com a rede elétrica, revista na literatura com Phase Locked Loop (PLL), surge com o facto de que um sistema de eletrónica de potência que tencione injetar energia na rede elétrica o faça em sincronismo com a mesma. O princípio de funcionamento da PLL assenta na sua habilidade de gerar uma onda sinusoidal onde a sua fase acompanha de forma coerente a componente fundamental do sinal, seja este distorcido ou não, presente à entrada do sistema [64]. A PLL adotada para esta dissertação foi desenvolvida pelos autores Karimi-Ghartemani e Iravani no ano de 2001 e assenta em duas distintas etapas. Pela análise da Figura 4.4 é possível verificar que a etapa denomina por Deteção de fase, é responsável pelo cálculo da fase enquanto que a etapa VoltageControlled Oscillator (VCO) trata o cálculo da amplitude. Constata-se que este método integra um controlador PI, onde os ganhos do mesmo podem ser ajustados de forma a manipular a estabilidade da PLL bem como a velocidade em que se obtém o sincronismo. Figura 4.4. Diagrama de Blocos da PLL. Através da Figura 4.5, obtida em ambiente de simulação e onde estão presentes como entrada a tensão da rede elétrica e como saída o sinal gerado pela PLL, verifica-se que o sincronismo, em termos de fase, é praticamente obtido ao fim de um ciclo da rede elétrica. Relativamente à amplitude, denotase que o processo não é rápido como o sincronismo da fase, mas ao fim de cerca de quatro ciclos da rede elétrica este já se encontra bastante do próximo do seu valor real [65]. Figura 4.5. Tensão da rede elétrica e sinal à saída da PLL. -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Tensão (V) Tempo (s) Vpll Vs Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 51 De forma a comprovar que a PLL é capaz de gerar um sinal que realmente acompanhe o sinal de entrada, independentemente da distorção ou desfasamento de mesmo, simula-se novamente mas desta vez o sinal de entrada apresenta um desfasamento de 120º, observa-se tal resultado na Figura 4.6 [65]. Verica-se que a PLL foi capaz de gerar um sinal de saída com as mesmas propriedades do sinal presentes na sua entrada. Figura 4.6. Tensão da rede elétrica e sinal à saída da PLL com Tensão da Rede Desfasada 120º. 4.3.2 Regulação do Barramento CC A correta regulação do barramento CC torna-se obrigatória para um correto funcionamento do conversor CA-CC em modo inversor bem como em modo retificador, isto é, para injetar ou absorver energia da rede elétrica. Assim, para o inversor sintetizar corretamente a forma de onda da corrente desejada, o valor da tensão de barramento CC (Vcc) deve apresentar um valor superior ao valor máximo da tensão da rede elétrica (isto é, superior a 325 V), sendo que neste caso se definiu o valor de Vcc igual a 400 V. Caso este facto não se valide (isto é, superior a 325 V), o inversor não é capaz de gerar a tensão necessária de forma a sintetizar a corrente desejada. Devido às transferências de energia entre a rede elétrica e os condensadores do barramento CC, a tensão do barramento apresenta um ripple de duas vezes a frequência fundamental da rede elétrica, apresentando um valor de 100 Hz. De forma a desenvolver o algoritmo de controlo é aplicada uma média deslizante ao valor da tensão do barramento CC. É então realizada a diferença entre a tensão de referência pré-definida (VCC_REF) para se obter o erro (Verro) entre as mesmas. Este valor é posteriormente aplicado a um controlador PI onde estão presentes as variáveis de ganho proporcional e integral, que possuem influência direta na corrente necessária para o carregamento do barramento CC, tal como demonstra a equação (4.1). 𝑃𝐶𝐶 =𝑘𝑝(𝑉𝐶𝐶_𝑅𝐸𝐹 −𝑉𝐶𝐶)+𝑘𝑖∫(𝑉𝐶𝐶_𝑅𝐸𝐹 −𝑉𝐶𝐶) (4.1) Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 52 Deste resulta a potência (PCC) necessária para executar a regulação do barramento CC. Esta variável PCC entra posteriormente para o cálculo de uma corrente de referência (iref) de forma a gerar a corrente necessária para controlar o barramento C. Tal controlo está ilustrado no diagrama da Figura 4.7. Figura 4.7. Controlador PI para controlo da tensão do barramento CC. Posto isto, o conversor CA-CC a operar em modo retificador e tirando partido dos díodos em antiparalelo com os semicondutores, começa por carregar os condensadores que compõem o barramento CC recorrendo à rede elétrica. É usual recorrer a uma resistência de pré-carga (470 Ω) em série entre a rede e o conversor CA-CC, de modo a limitar o pico de corrente inicial. Após atingido um valor relativamente próximo ao valor de pico da rede elétrica, a resistência é curto-circuitada, isto é, realiza-se o bypass à resistência de pré-carga permitindo que o barramento CC fique carregado com o mesmo valor que o pico da rede elétrica. Após este procedimento, a operação dos semicondutores de potência é ativa de forma a possibilitar a elevação do valor de tensão do barramento CC, bem como o controlo PI anteriormente descrito, inicializa a sua operação de modo a regular a potência necessária a enviar ao barramento para que este atinja o nível de tensão pretendido e se mantenha estável nesse mesmo valor. Na Figura 4.8 observa-se o decorrer processo descrito, incluindo a pré-carga e o momento em que é realizado o bypass a resistência. Observa-se assim a tensão no barramento e a corrente do lado da rede elétrica. Figura 4.8. Carregamento do barramento CC. VCC_REF VCC ki kpPCC -22 -17 -12 -7 -2 3 8 13 18 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 1 2 3 4 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vcc Irede Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 53 4.3.3 Resultados do Controlo de Corrente Após a análise dos diversos tipos de controlo propostos em 3.5, adotou-se o método de controlo de corrente preditivo aplicado à modulação SPWM Bipolar. Dá-se maior relevância aos algoritmos que recorrem à comutação com frequência fixa, onde se incluem o controlo PI e o controlo preditivo, devido à superioridade de desempenho destes quando comparado com as técnicas por Periodic Sampling e por comparador de histerese. O facto de estes controlos permitirem operar com uma frequência fixa, simplifica o cálculo do valor das bobinas de acoplamento à rede elétrica bem como, com a correta seleção a frequência de comutação, permite diminuir o volume total das bobinas a utilizar. Pela simulação das técnicas de controlo realçadas, verifica-se que o controlo preditivo apresenta resultados mais satisfatórios relativamente ao controlo PI. O controlo preditivo torna-se também mais vantajoso relativamente ao controlo PI, devido ao facto de não possuir ganhos nem o ajuste dos mesmos. Posto isto, a Figura 4.9 apresenta uma onda sinusoidal correspondente a uma corrente de referência bem como a onda sintetizada pelo conversor CA-CC recorrente ao controlo da corrente através do controlo preditivo. É possível analisar que onda sintetizada segue a referência definida de forma eficaz. Figura 4.9. Corrente de referência e corrente sintetizada recorrendo ao controlo preditivo. 4.3.4 Compensação do Dead-Time O Dead-Time é considerado como o tempo morto existente entre os sinais de comutação de um braço de um conversor. Recorre-se a esta técnica de forma a evitar que os semicondutores conduzam ambos no mesmo instante e provoquem a destruição dos mesmo, pois tal feito provoca um curto-circuito no barramento CC. Este tempo morto, apesar de garantir uma operação segura, afeta o desempenho do conversor. Este espaço de tempo em que ambos os semicondutores não conduzem, provoca uma perda de controlo, devido à tensão permanecer no mesmo estado durante mais tempo, originando assim uma distorção na forma de onda da tensão de saída do conversor que não é desejável. Esta distorção leva consequentemente a uma redução da amplitude da corrente sintetizada [66]. -30 -20 -10 0 10 20 30 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Corrente (A) Tempo (s) Irede Iref Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 54 Para compensar este efeito, calculam-se as médias dos desvios de tensão tanto no semiciclo positivo como no semiciclo negativo, de forma a adicionar à variável de referência da técnica de modulação, o valor do desvio da tensão. Através da equação (4.2), é possível calcular o valor destes desvios. ∆𝑉=𝑀 𝑇𝑑 𝑇𝑉𝑑𝑐 (4.2) Nesta equação, M representa o número de comutações por ciclo, que toma o valor de dois devidos há existência de duas comutações por ciclo na modulação SPWM Unipolar. A variável td corresponde ao tempo de dead-time , T corresponde ao período da comutação total dos semicondutores e ΔV o valor do desvio. De forma a compensar corretamente o dead-time é essencial analisar constantemente o valor da corrente, pois é necessário somar ou subtrair o valor de ΔV à tensão de referência. Caso a corrente seja positiva, adiciona-se ΔV. Caso contrário subtrai-se ΔV. Com objetivo de demonstrar o efeito do dead-time , sintetiza-se em ambiente de simulação uma corrente produzida pelo inversor bem como o seu sinal de referência, gerado a partir da técnica de controlo de corrente adotada. Nesta, Figura 4.10 observa-se o efeito referido nas passagens por zero, provocando uma distorção na onda e uma perda de amplitude. Na Figura 4.11 analisa-se a mesma corrente sintetizada, mas desta vez com a compensação do deadtime. É possível observar que a onda já acompanha coerentemente a corrente de referência [66] [67]. Figura 4.10. Efeito do dead-time numa corrente sintetizada. Figura 4.11. Compensação do efeito do dead-time na corrente sintetizada. -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Corrente (A) Tempo (s) -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Corrente (A) Tempo (s) Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 55 4.3.5 Funcionamento em Modo Interleaved Como anteriormente analisado em 3.3.4, este conversor integra dois conversores CA-CC full-bridge conectados em paralelo. Cada um destes é responsável por sintetizar uma corrente consoante a referência aplicada a si, onde por fim unem as suas operações de forma produzirem a corrente de saída final a injetar na rede elétrica. Começa-se por realizar o dimensionamento das bobinas de acoplamento à rede elétrica. Para tal é necessário ter em conta certas variáveis, tal como a tensão presente no barramento CC (Vcc), a frequência do sinal sintetizado (fs) bem como o ripple de corrente máximo passível de ser admitido (Δi). Recorre-se então à equação (4.3) 𝐿𝑓=𝑉𝐶𝐶 4 ∆𝑖𝑓 𝑓𝑠 (4.3) Define-se então uma frequência de comutação de 100 kHz com uma modulação SPWM Unipolar, que resulta numa frequência resultante, fs, de 200 kHz. Dado um barramento CC de 400V e um ripple máximo admitido de 0,5 A, calcula-se através da equação (4.4) o valor de indutância da bobina. 𝐿𝑓=400 𝑉 4 .0,5 𝐴 .200 𝑘𝐻𝑧=1 𝑚𝐻 (4.4) Este valor obtido na equação (4.4) é o valor empregue no modelo de simulação. De modo a controlar corretamente o barramento CC, isto é, manter a sua estabilidade, as bobinas de acoplamento à rede elétrica foram divididas por dois. Emprega-se então uma bobina na linha da fase e do neutro com o valor de 500 µH cada. Este processo é realizado para os dois conversores, resultando então num total de quatro bobinas com um menor volume. Relativamente à modulação utilizada, adota-se a modulação SPWM Unipolar para o controlo dos dois conversores. De forma a cumprir o intuito do modo Interleaved as ondas portadoras aplicadas na modulação para o segundo conversor CA-CC full-bridge são desfasadas 180º do primeiro. Figura 4.12. Corrente em cada conversor CA-CC full-bridge . -30 -20 -10 0 10 20 30 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Corrente (A) Tempo (s) Ibobina1 Ibobina2 Irede Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 62 dos módulos fotovoltaicos. Dado que os maiores fatores de influência na potência passível de ser produzida são radiação proveniente do Sol e a temperatura de operação das próprias células, simulase uma variação da radiação incidente. Em termos de temperatura não é realizada a variação da mesma, dado que já é considerado que os módulos fotovoltaicos estão a operar no pior cenário, isto é, as células fotovoltaicas a operar com uma temperatura de 75º C. A Figura 4.21 ilustra a simulação realizada. Figura 4.21. Ambiente de simulação do algoritmo de MPPT Perturbação & Observação . O valor da radiação incidente é inicializado a 1000 W/m2 e onde é aplicada uma sequência de variação de 1000-850-850-1000-950-1000 W/m2 ao longo de um período de 1 segundo. Pela Figura 4.22 é possível analisar que a os módulos fotovoltaicos acompanham a potência máxima teórica em cada instante. A variável Ppv representa a potência produzida pelos módulos fotovoltaicos e a variável Pteórica é referente à potência máxima teórica passível de ser produzida pelos módulos. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Potêcnia (W) Tempo (s) Ppv Pteórica Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 63 Figura 4.22. Potência disponibilizada pelos módulos fotovoltaicos comparado com a potência máxima teórica. Para efeitos de validação, refez-se a simulação de modo a comprovar que o MPPT opera como esperado para temperaturas de operação inferiores a 75º, ilustrado na Figura 4.23. Define-se então o valor da temperatura para 25º C e mantem-se a variação da radiação incidente. Neste valor de temperatura o valor da potência fornecida altera-se. Através do simulador é possível observar o resultado desta alteração, ilustrado na Figura 4.15. Figura 4.23. Potência disponibilizada pelos módulos fotovoltaicos comparado com a potência máxima teórica. Verifica-se que em ambos os casos o algoritmo de MPPT desempenha a sua função como esperado, pois a potência produzida toma os valores da potência máxima teórica. Valida-se assim o correto funcionamento do algoritmo implementado. Modos de Operação Como supracitado em 4.2, a topologia contempla quatro distintos modos de operação. Para além de conseguir operar isoladamente em cada modo, é também possível reorganizar os modos de operação de forma a obter combinações de modos de operação. A operação do sistema define-se de acordo com o modo de operação do veículo elétrico, isto é, se está a operar em modo G2V ou V2G bem como da energia proveniente dos módulos fotovoltaicos, podendo estar a operar em modo R2G ou R2V. Desta forma, é necessário aplicar uma teoria de potência com o intuito de calcular as correntes de referência para a operação do sistema de acordo com os diferentes modos. Define-se então, através da equação (4.9), a potência da rede elétrica (PREDE). 𝑃𝑅𝐸𝐷𝐸 =𝑃𝐶𝐶 +𝑃𝑃𝑉 +𝑃𝐸𝑉 (4.9) Nesta equação, PPV representa a potência disponibilizada pelos módulos fotovoltaicas, PEV representa a potência proveniente das baterias do veiculo elétrico, positiva durante o modo G2V e negativa no modo V2G e onde PCC representa a potencia necessária para regular o barramento CC através de um controlador PI (tal como descrito em 4.3.2). 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Potência (W) Tempo (s) Ppv Pteórica Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 64 Pela equação (4.10) determina-se o valor eficaz da corrente da rede elétrica. 𝐼𝑅𝐸𝐷𝐸 =𝑃𝐶𝐶 +𝑉𝑃𝑉𝐼𝑃𝑉 +𝑉𝐸𝑉𝐼𝐸𝑉 𝑉𝑅𝐸𝐷𝐸 (4.10) Onde VPV e IPV se referem à tensão e corrente provenientes dos módulos fotovoltaicos e VEV e IEV são relativos à tensão e corrente provenientes do veículo elétrico. Tendo em conta que um dos objetivos é que o sistema opere com corrente sinusoidal, recorre-se a uma teoria de potência para esse efeito. Tal como em [11], recorre-se a uma teoria de potência baseada na teoria Fryze-Buchholz-Depenbrock (FBD), onde um conversor é encarado como uma condutância [70]. Do ponto de vista da rede elétrica, o sistema pode operar como uma carga linear, consumindo corrente sinusoidal ou como uma fonte de corrente, injetando corrente sinusoidal na rede elétrica em oposição de fase com a tensão da mesma. Assim, o valor eficaz da corrente do lado da rede elétrica é definido pela equação (4.11). 𝐼𝑅𝐸𝐷𝐸 =𝐺𝐺𝑉𝑅𝐸𝐷𝐸 (4.11) E onde o valor instantâneo da mesma se define pela equação (4.12), onde ig e vg representa respetivamente o valor instantâneo da corrente e tensão do lado da rede elétrica. 𝑖𝑟𝑒𝑑𝑒 =𝐺𝐺𝑣𝑟𝑒𝑑𝑒 (4.12) Resolvendo a equação (4.11) em ordem à condutância e aplicando o resultado à equação (4.12), define-se a equação (4.13) para o cálculo da corrente instantânea da rede elétrica. 𝑖𝑟𝑒𝑑𝑒 =𝐼𝑅𝐸𝐷𝐸 𝑉𝑅𝐸𝐷𝐸 𝑣𝑟𝑒𝑑𝑒 (4.13) De forma a obter a equação final que define o valor instantâneo da corrente da rede elétrica, aplicam-se os termos da equação (4.10) à equação (4.13) resultando na equação (4.14) [11] [71]. 4.5.1 Grid-to-Vehicle Neste modo de operação, as baterias do veículo elétrico absorvem energia diretamente da rede elétrica de forma a efetuar o carregamento das mesmas, isto é, não recorre à energia proveniente dos módulos fotovoltaicos. Neste teste considera-se que a bateria se encontra completamente descarregada e que os módulos fotovoltaicos não fornecem qualquer potência. 𝑖𝑟𝑒𝑑𝑒 =𝑃𝐶𝐶 +𝑉𝑃𝑉𝐼𝑃𝑉 +𝑉𝐸𝑉𝐼𝐸𝑉 𝑉𝑅𝐸𝐷𝐸2𝑣𝑟𝑒𝑑𝑒 (4.14) Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 65 A Figura 4.24 apresenta as formas de onda da tensão e corrente do lado da rede elétrica. É possível analisar que o conversor CC-CC bidirecional é apenas ativado no instante 0,4 s. Verifica-se assim que a corrente fornecida por parte da rede elétrica desde o instante 0 s ao instante 0,55 s é a corrente que o barramento CC necessita para carregar até aos 400 V e se manter estável nesse valor. Após o instante 0,55 s e até ao instante 1,05 s se realiza a operação do conversor CC-CC bidirecional. Vericase então pelo valor da corrente do lado da rede elétrica que a mesma fornece sensivelmente os 10 A requeridos para realizar o carregamento das baterias como ainda contínua a fornecer a corrente necessária para manter o barramento CC carregado. Figura 4.24. Corrente fornecida por parte da rede elétrica e corrente absorvida pelas baterias (0,55 s-1,05 s) para efetuar o carregamento aquando iniciam o carregamento. Pela Figura 4.25 observa-se que o conversor CC-CC bidirecional absorve uma corrente de sensivelmente 10 A de forma constante, de modo a efetuar o carregamento da mesma. É ainda possível analisar o valor de tensão da mesma, que estando as baterias descarregadas apresenta um valor de 240 V no instante 0,55 s e que após a carga realizada apresenta uma tensão de 290 V no instante 1,05. Após realizada a carga das baterias, a operação do conversor CC-CC bidirecional é terminada. Verica-se ainda o carregamento do barramento CC bem como que o mesmo se mantém estável na tensão desejada (400 V). Figura 4.25. Corrente e tensão medidos no conversor CC-CC bidirecional e tensão do barramento CC. -30 -20 -10 0 10 20 30 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vrede Irede 0 4 8 12 16 20 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vcc Vbat Ibat Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 66 4.5.2 Vehicle-to-Grid Este modo de operação tem como objetivo devolver à rede elétrica parte da energia que está armazenada nas baterias do veículo elétrico e considera-se que os módulos fotovoltaicos não estão a disponibilizar qualquer potência. Neste teste considera-se que as baterias do veículo elétrico estão completamente carregadas. Na Figura 4.26 estão apresentadas as formas de onda da tensão e corrente do lado da rede elétrica. Figura 4.26. Corrente fornecida por parte da rede elétrica e corrente injetada pelas baterias aquando iniciam o descarregamento (0,55 s-1,05 s). É possível analisar que o conversor CC-CC bidirecional é apenas ativado no instante 0,35 s. Deste modo, verifica-se que a corrente fornecida por parte da rede elétrica desde o instante 0 s ao instante 0,35 s é a corrente que o barramento CC necessita para carregar até ao valor de 400 V e se manter estável nesse mesmo valor. Após o instante 0,55 s e até ao instante 1,05 s realiza-se a operação do conversor CC-CC bidirecional, onde se verifica pelo valor da corrente do lado da rede elétrica onde a mesma absorve sensivelmente os 10 A injetados durante o descarregamento das baterias bem como se apresenta em oposição de fase com a tensão da rede elétrica. Após o instante 1,05 s a operação do conversor CC-CC bidirecional é terminada, pelo que se verifica uma queda no valor da corrente do lado da rede elétrica, apresentando um valor de corrente que ronda sensivelmente os 0 A, isto é, apresenta apenas um valor residual. Na Figura 4.27 observa-se que o conversor CC-CC bidirecional fornece uma corrente de sensivelmente 10 A de forma constante, de modo a efetuar o descarregamento da bateria. Analisa-se também o valor de tensão da mesma, que estando as baterias carregadas apresenta um valor de 290 V no instante 0,55 s e que após a descarga realizada apresenta uma tensão de 240 V no instante 1,05 s. Verica-se ainda o carregamento do barramento CC bem como que o mesmo se mantém estável na tensão desejada (400 V). -30 -20 -10 0 10 20 30 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vrede Irede Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 67 Figura 4.27. Corrente e tensão medidos no conversor CC-CC bidirecional e tensão do barramento CC. 4.5.3 Renewable-to-Grid Neste modo de operação, a energia produzida pelos módulos fotovoltaicos é entregue à rede elétrica bem como se considera que o veículo elétrico não está conectado ao sistema, não absorvendo ou injetando energia no mesmo. Neste teste, considera-se que os módulos fotovoltaicos estão a operar nas piores condições de operação, onde se considera uma temperatura de operação das células fotovoltaicas de 75º C , nestas condições os módulos disponibilizam uma tensão de 240 V bem como uma corrente de 7,6 A. Figura 4.28. Corrente absorvida por parte da rede elétrica e corrente fornecida pelos módulos fotovoltaicos (0,55 s-0,75 s) para efetuar o carregamento. Pela Figura 4.28 observa-se que do instante 0 s a 0,55 s o conversor CC-CC unidirecional não está a operar, pois o barramento CC está a ser carregado até aos 400 V através da rede elétrica. Observa-se que neste período de tempo, a rede elétrica fornece a corrente necessária para carregar e estabilizar o barramento CC. Após o instante 0,55 s inicializa-se a operação do conversor CC-CC unidirecional, onde se verifica que começa a ser injetada, visto estar em oposição de fase com a tensão da mesma, na rede elétrica a corrente disponibilizada pelos módulos fotovoltaicos. Após o instante 0,75 s a operação do conversor é terminada. -12 -8 -4 0 4 8 12 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vcc Vbat Ibat -30 -20 -10 0 10 20 30 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vrede Irede Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 68 Pela Figura 4.29, observa-se que o conversor CC-CC unidirecional fornece uma corrente de sensivelmente 7,6 A de forma constante bem como uma tensão de 240 V. Verifica-se assim que é realizada a correta injeção de energia por parte dos módulos fotovoltaicos bem como que o barramento CC alcança o valor de 400 V e se mantém estabilizado nesse mesmo valor durante a operação deste modo. Figura 4.29. Corrente e tensão medidos no conversor CC-CC unidirecional e tensão do barramento CC. 4.5.4 Renewable-to-Vehicle Este modo de operação é responsável por utilizar a energia proveniente dos módulos fotovoltaicos com a finalidade de carregar as baterias do carro elétrico, sem que este tenha de recorrer à rede elétrica para este efeito. Neste teste, considera-se novamente que os módulos fotovoltaicos estão a operar fora da zona ótima de funcionamento , disponibilizando um valor de tensão de 240 V bem como uma corrente de 7,61 A. Considera-se também que as baterias estão completamente descarregadas, apresentando um valor de tensão de 240 V. Os módulos fotovoltaicos realizam o carregamento direto das baterias sem utilizar a rede elétrica como intermediário, tal operação é totalmente controlada pela teoria de potência anteriormente mencionada. De forma a possibilitar o teste a tal operação considera-se que as baterias carregam, de forma controlada, com uma corrente de 7,6 A. Pela Figura 4.30 verifica-se do instante 0 s ao 0,45 s que nenhum dos conversores CC-CC está a operar e que o equipamento recorre à rede elétrica para carregar o barramento CC. No instante 0,45 s analisa-se que apenas o conversor CC-CC bidirecional inicializa a sua operação começando a carregar as baterias e que no instante 0,55 s o conversor CC-CC unidirecional inicializa a sua operação e começa a disponibilizar a potência requerida para carregar as baterias do veículo elétrico, verificando-se também uma redução significativa no valor da corrente da rede elétrica. Após -15 -10 -5 0 5 10 15 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vpv Vcc Ipv Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 69 o instante 0,85 s o conversor CC-CC unidirecional encerra as suas operações e recorre-se à rede elétrica para continuar o carregamento. Figura 4.30. Corrente absorvida da rede elétrica por parte das baterias quando não fornecida pelos módulos fotovoltaicos (0,45 s-0,55 s) e quando fornecida pelos módulos fotovoltaicos (0,55 s-0,85 s). Pela Figura 4.31 verifica-se que após o instante 0,45 s o conversor CC-CC bidirecional começa a absorver uma corrente de 7,6 A e inicializa o carregamento das baterias, verificando-se neste instante uma tensão de 240 V. Posto isto, observa-se o processo de carregamento que termina aquando a tensão na bateria atinge os 280 V. Figura 4.31. Corrente e tensão medidos no conversor CC-CC bidirecional aquando o carregamento e tensão do barramento CC. Na Figura 4.32 observa-se o período de tempo em que os módulos fotovoltaicos fornecem a potência necessária ao conversor CC-CC bidirecional de forma a que este realize o carregamento das baterias. Analisa-se ainda que o barramento é carregado nos 400 V e mantem-se estável durante toda a operação deste modo de funcionamento. -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vrede Irede -4 0 4 8 12 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vbat Vcc Ibat Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 70 Figura 4.32. Corrente e tensão medidos no conversor CC-CC unidirecional e tensão do barramento CC. 4.5.5 Renewable-to-Grid e Vehicle-to-Grid Neste modo de operação, a energia produzida pelos módulos fotovoltaicos é entregue à rede elétrica bem como a energia armazenada nas baterias do veículo elétrico, isto é, ambos estão a injetar na rede elétrica. Neste teste, é considerado que os módulos fotovoltaicos estão a operar nas condições STC, apresentando um valor de tensão de 315 V e uma corrente de 7,6 A. É também considerado que as baterias estão completamente carregadas, apresentando assim um valor de tensão de 280 V. Na Figura 4.33 observa-se que do instante 0 s ao instante 0,3 s recorre-se à rede elétrica para efetuar o carregamento do barramento CC. Assim, no instante 0,3 s o conversor CC-CC bidirecional inicia a sua operação e de forma controlada fornece uma corrente de 4,5 A de forma a descarregar as baterias. Após o instante 0,4 s, o conversor CC-CC unidirecional inicia a sua operação fornecendo uma corrente de 7,6 A. Figura 4.33. Corrente absorvida por parte da rede elétrica e corrente fornecida por parte das baterias (0,3 s-1 s) e módulos fotovoltaicos (0,4 s-0,7 s). Pela Figura 4.34, constata-se que os módulos fotovoltaicos produzem uma potência de 1,8 kW. Observa-se ainda a tensão de 240 V e corrente de sensivelmente 7,6 A que estão a ser fornecidos pelo conversor CC-CC unidirecional. -12 -8 -4 0 4 8 12 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vcc Vpv Ipv -30 -20 -10 0 10 20 30 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vrede Irede Capítulo 4 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 71 Figura 4.34. Corrente e tensão fornecidos por parte dos módulos fotovoltaicos e tensão do barramento CC. Na Figura 4.35 apresenta-se o período de tempo de descarga das baterias, onde se realça a queda da tensão nas baterias do instante 0,3 s ao instante 1 , fornecendo assim uma potência inicial de 1,4 kW. Figura 4.35. Corrente absorvida pelas baterias, tensão ao longo do processo de descarregamento e tensão medida no barramento CC. Conclusão Neste capítulo realizam-se as simulações computacionais com o intuito de validar os conversores e controlos implementados. É apresentado o dimensionamento do conversor CA-CC a operar em modo Interleaved . Após a validação do funcionamento em malha aberta é aplicado o controlo de corrente adotado. É aplicado o controlo de tensão ao barramento CC de forma a comprovar que o mesmo é capaz de alcançar e estabilizar no valor pretendido. São então apresentados os resultados de simulação para este conversor que comprovam que o mesmo se comporta como esperado. Posto isto, apresenta-se a configuração dos módulos fotovoltaicos, tirando partido da opção “ Solar Module ” que permite analisar os parâmetros característicos dos módulos, nomeadamente a curva característica entre a tensão e a corrente. O objetivo da simulação desta configuração é obter os diferentes pontos de operação dos módulos, isto é, mediante a variação dos fatores externos, compreender quais são os valores de corrente e tensão para situações de sombra parcial, baixa incidência de radiação solar e aumento da temperatura das células fotovoltaicas. Desta forma, é apresentado o dimensionamento do conversor CC-CC do tipo Boost responsável pela interface dos módulos fotovoltaicos. Nesta -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vpv Vcc ipv -8 -4 0 4 8 12 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) Vcc Vbat Ibat Capítulo 5 – Desenvolvimento do Hardware de Potência do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 78 acoplamento implica que o valor total de indutância seja igual ao valor presente em cada um dos enrolamentos mais o valor da indutância mútua. Contudo, estas bobinas não se revelaram favoráveis ao sistema, pois o campo magnético implícito em cada uma não permitiu a sintetização de uma corrente em nenhum dos conversores CA-CC full-bridge. Assim, recorreu-se a duas bobinas de acoplamento mútuo adicionais, total de quatro bobinas de acoplamento mútuo. Desta forma, recorreuse apenas a um dos enrolamentos de cada uma destas bobinas, que apresentam um valor de indutância de 672,29 µH a 100 kHz e de 389,5 µH a 20 kHz. Relativamente ao conversor CC-CC tipo boost , recalculou-se o valor de indutância da bobina necessário para um barramento CC de 200 V. Foi então obtido o valor de 500 µH, considerando o pior caso de atuação por parte dos módulos fotovoltaicos. Foi então empregue uma bobina de núcleo de ar, que apresenta um valor de 620,3 µH a uma frequência de comutação de 20 kHz e um valor de 531,06 µH a 100 kHz. Verifica-se que esta bobina não apresenta variações bruscas no seu valor mediante a variação da frequência de comutação, ainda se realça que esta bobina de núcleo de ar apresenta a vantagem de não possuir um corrente de saturação. Posto isto, afirma-se que esta cumpre os requisitos necessários para ser empregue no conversor CC-CC. Sistema de Controlo Desenvolvido Neste subcapítulo descrevem-se todos os circuitos implementados relativamente ao sistema de controlo como ainda se apresenta todo o hardware desenvolvido a empregar no sistema. São descritas as considerações relevantes no desenvolvimento do circuito de drivers, responsáveis pela interface entre o circuito de potência e os circuitos de controlo. Apresenta-se ainda o DSP utilizado para o desenvolvimento do algoritmo de controlo a aplicar nesta dissertação. Posto isto, são apresentados os sensores de tensão e corrente empregues, de modo a fornecer os valores necessários para realizar os cálculos no algoritmo. Posto isto, descrevem-se os circuitos de condicionamento de sinal de forma a condicionar os sinais de forma a serem lidos pelos ADCs como ainda se apresentam os circuitos de proteção contra valores de corrente indevidos. 5.3.1 PCB de Drivers O circuito de driver tem como principal objetivo proporcionar uma interface entre os circuitos de controlo e o circuito de potência. Os circuitos de controlo operam com baixos valores de tensão e corrente, no entanto os circuitos de potência não verificam tal facto, podendo operar com valores de tensão e corrente bastante mais elevados, tornando a potência aqui presente bastante mais elevada Capítulo 5 – Desenvolvimento do Hardware de Potência do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 79 do que na parte de controlo. Torna-se então essencial criar isolamento galvânico entre as placas de driver e a placa de potência de forma a não provocar a destruição de material. Recorre-se ao ADUM3223 fabricado pela Analog Devices para realizar a interface dos sinais de PWM, com um valor de 5 V provenientes do DSP com as gates dos semicondutores, que necessitam de um sinal de PWM de 15 V para realizar a comutação [76]. Cada um deste circuito integrado permite acionar dois semicondutores. Devido à natureza do sistema, cada placa de driver contempla três ADUM3223 , responsáveis pela comutação de uma das pontes inversores e de um dos conversores CC-CC. Dado que cada um dos circuitos integrados ADUM3223 realiza a comutação de um braço de semicondutores, é essencial garantir que existe uma referência de potencial isolada para cada um dos semicondutores que compõe o braço. Neste caso, o semicondutor inferior tem a sua source permanentemente referenciada à massa do circuito de potência, enquanto que a source do semicondutor superior está a flutuar, dado que ao longo das comutações, este ponto pode apresentar um valor de zero ou o valor presente no barramento CC. Assim recorre-se à fonte isolada MEJ2S1515SC da Murata Power Solutions [77], que possui um isolamento de 5,2 kVDC e conta com uma potência de 2 W. para efetuar a alimentação de um canal de saída do lado secundário do integrado. De forma a reduzir custos e excluir o uso de uma segunda fonte isolada para o segundo canal de saída, recorre-se a um circuito auxiliar denominado por Bootstrap, que faz uso da fonte isolada já aplicada e adiciona um díodo ( DBOOT ) e uma resistência ( RBOOT), como apresentado na Figura 5.4. Figura 5.4. ADUM3223 com circuito de bootstrap [76] . Posto isto, desenvolve-se uma placa de driver composta por um único ADUM e com o circuito de Boostrap implementado, ilustrada na Figura 5.5 com o intuito de validar o funcionamento do ADUM Capítulo 5 – Desenvolvimento do Hardware de Potência do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 80 bem como o circuito aplicado, para posteriormente ser aplicada em maior escala no sistema a desenvolver. Figura 5.5. Placa de driver com 1 ADUM3223. Validado o correto funcionamento deste circuito de Driver, desenvolve-se a primeira placa de driver , apresentada na Figura 5.6, destinada a realizar a comutação de seis semicondutores, integrados num conversor CA-CC e um conversor CC-CC. Tanto a placa da Figura 5.5 como a da Figura 5.6 foram desenvolvidas no Departamento de Eletrónica Industrial da Universidade do Minho. Figura 5.6. Placa de driver com 3 ADUM 3223. Após a validação da primeira versão da placa de driver, desenvolvem-se as duas placas de driver, impressas na empresa alemã Würth Elektronik, responsáveis pela comutação dos doze semicondutores empregues no sistema. A Figura 5.7 ilustra as duas placas aplicadas no protótipo em desenvolvimento. Capítulo 5 – Desenvolvimento do Hardware de Potência do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 81 Figura 5.7. Placas de drivers desenvolvidas. Ambas as placas integram um terminal para a aplicação de um sinal de disable que é proveniente tanto do DSP como da placa de condicionamento de sinal que permite habilitar ou desabilitar as comutações em qualquer instante ou em caso de deteção de erros. 5.3.2 Digital Signal Processor (DSP) De forma a garantir o funcionamento dos sensores empregues e placas desenvolvidas para o sistema, é essencial recorrer a um DSP que adquira os sinais provenientes dos sensores e realize os cálculos necessário para gerar corretamente os sinais de comando. Recorre-se assim á placa de desenvolvimento TMDSCND28335 do fabricante Texas Instruments onde está englobado o DSP TMS320F8335 [78] [79] que apresenta as funcionalidades aqui descritas. • CPU de 32-bit com uma frequência de relógio máxima de 150 MHz; • Memoria on-chip flash 16-bit com 256 kB; • SRAM 16-bit com 34 kB; • Unidade de Virgula Flutuante ( Floating-Point Unit – FPU); • 3 Módulos SCI ( UART ); • 1 Módulo de SPI ( Serial Peripheral Interface ); • 3 Temporizadores ( Timers ) de 32-bits; • 18 Saídas de PWM ( Pulse-Width Modulation ); • 16 Canais de ADC de 12-bits ( Analog-to-Digital Converter ); • 88 Pinos de uso geral ( General Purpose Input/Output - GPIO ); • 8 Interrupções externas que podem ser associadas a GPIOs. A placa de desenvolvimento que engloba o DSP TMS320F8335, é auxiliada através de uma placa desenvolvida pelos elementos do laboratório do GEPE. Na Figura 5.8 apresenta-se a placa auxiliar empregue. Esta placa auxiliar conta com os seguintes portos: Capítulo 5 – Desenvolvimento do Hardware de Potência do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 82 • Tensão de alimentação 5 V; • - Socket tipo DIM para suporte da placa de desenvolvimento TMDSCND28335; • Socket de 26 pinos para conexão com os ADCs externos; • Dois sockets para flat cables de 10 pinos para acesso aos PWMs; • Socket para flat cables de 14 pinos para ligação à TMDSDOCK28335 da Texas Instruments , que contém emulador JTAG com interface USB, permitindo o debug em tempo real do sistema; • Ficha DB9 para comunicação série RS232; • Ficha DB9 para comunicação SPI. Figura 5.8. Placa de desenvolvimento do GEPE para suporte do DSP TMS320F8335. Para o desenvolvimento do software de controlo, recorreu-se à linguagem C, que é compatível com o DSP TMS320F8335. Para este efeito, recorreu-se Integrated Devolopment Environment (IDE) denominado por Code Composer Studio 8.3.0, desenvolvido e disponibilizados pela própria Texas Instruments . Torna-se assim possível configurar os ADCs para a leitura dos sinais provenientes dos sensores e tratados na placa de condicionamento de sinal, a configuração dos sinais de comando para o disparo dos semicondutores como ainda o desenvolvimento de todo o código necessário para a gestão do equipamento. Através da Figura 5.9 é possível analisar a estruturação do algoritmo desenvolvido para esta dissertação. Numa primeira instância inicializam-se as variáveis necessárias do sistema, o timer 0, ADCs, GPIOs para os PWMs e a comunicação SPI. Posto isto, é realizada a leitura dos valores presentes nos ADCs recorrendo à interrupção gerada pelo timer 0 a uma frequência de amostragem de 40 kHz. É então executada a função da PLL, responsável pela sincronização com a rede elétrica e em seguida é executada a função responsável pela regulação do barramento CC. Posto isto, é calculada a corrente de referência para o conversor CA-CC recorrendo à teoria FDB supracitada bem como são geradas as referências dos conversores CC-CC recorrendo a um algoritmo de MPPT e do modo de carregamento/descarregamento das baterias. Estes valores são então transmitidos à técnica de controlo de corrente, que define os valores de referência para gerar os sinais Capítulo 5 – Desenvolvimento do Hardware de Potência do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 83 de comando para o disparo dos semicondutores, recorrendo à modulação anteriormente definida. Este ciclo é constantemente repetido devido à atuação da interrupção. Numa primeira instância inicializam-se as variáveis necessárias do sistema, o timer 0, ADCs, GPIOs para os PWMs e a comunicação SPI. Posto isto, é realizada a leitura dos valores presentes nos ADCs recorrendo à interrupção gerada pelo timer 0 a uma frequência de amostragem de 40 kHz. É então executada a função da PLL, responsável pela sincronização com a rede elétrica e em seguida é executada a função responsável pela regulação do barramento CC. Posto isto, é calculada a corrente de referência para o conversor CA-CC recorrendo à teoria FDB supracitada bem como são geradas as referências dos conversores CC-CC recorrendo a um algoritmo de MPPT e do modo de carregamento/descarregamento das baterias. Estes valores são então transmitidos à técnica de controlo de corrente, que define os valores de referência para gerar os sinais de comando para o disparo dos semicondutores, recorrendo à modulação anteriormente definida. Este ciclo é constantemente repetido devido à atuação da interrupção. Figura 5.9. Fluxograma do algoritmo de controlo. De forma a validar os sinais gerados digitalmente, recorre-se a uma placa de DAC ( Digital to Analog Converter ), desenvolvida também pelo laboratório do GEPE. Esta placa recorre á comunicação SPI através de um conetor DB9. Conta com 8 canais com uma resolução de 12 bits cada, que são Início ISR ADC Configurações do sistema Deteção de erros Aquisição de dados pelo ADC SimNão Pára o sistema Sim PLL Não Comandos Controlo do Barramento CC Controlo de Corrente Preditivo Modulação PWM MPPT Timer excedido Sim Não Sim Capítulo 5 – Desenvolvimento do Hardware de Potência do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 84 implementados recorrendo ao integrado TLV5610 [80] do fabricante Texas Instruments. Recorrendo a um osciloscópio é então possível analisar os sinais gerados no DSP. 5.3.3 Sensores de Tensão De forma a controlar corretamente o conversor CA-CC e conversor CC-CC que faz interface com os módulos fotovoltaicos, recorreu-se aos sensores de efeito de Hall CYHVS5-25A [81] do fabricante ChenYang Technologies GmbH & Co. KG . Este sensor é capaz de realizar medições até um valor de tensão de 2000 V de pico com uma precisão de ±0,8%. Este sensor está ilustrado na Figura 5.10. Este sensor garante o isolamento galvânico entre o lado primário e secundário de 2500 V durante o período de 1 minuto e pode ser empregue para realizar medições de tensão contínua e alternada. O sensor apresenta uma razão de transformação de 5000:1000, isto significa que para uma corrente no lado primário, IP , de 5 mA no lado secundário apresenta uma corrente de saída, IS , de 25 mA. Posto isto, é necessário calcular a resistência do lado primário, RI , tendo em conta o valor de tensão máximo a ser lido pelo sensor bem como o valor nominal da corrente presente no lado primário do sensor, sendo este 5 mA. Pela equação (5.1) é possível caracterizar esta relação 𝑅𝐼=𝑉𝑀𝐴𝑋 𝐼𝑃 (5.1) O sensor requer uma tensão de alimentação positiva de 15 V e uma alimentação negativa de -15 V e como explicado anteriormente, tem a sua saída em corrente. É então necessário o dimensionamento de uma resistência de medida para realizar a conversão deste valor para um valor de tensão, tal assunto é abordado posteriormente no subcapítulo 5.3.5. Estes sensores estão integrados na placa de potência e a sua alimentação é efetuada através das placas de condicionamento de sinal de forma a reduzir ao número de cabos como também evitar loops de massa. Figura 5.10. Sensor de tensão CYHVS5-25. Capítulo 5 – Desenvolvimento do Hardware de Potência do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 85 5.3.4 Sensores de Corrente Os sensores de correntes são um elemento essencial para garantir um correto funcionamento do sistema, isto é, a medição dos valores de corrente instantâneos é vital para a efetuação dos cálculos necessários por parte do sistema de controlo. Recorreu-se então aos sensores de efeito de Hall do fabricante LEM com a referência LTSR15-NP [82] A Figura 5.11 ilustra o sensor empregue. Figura 5.11. Sensor de corrente LTSR15-NP. Estes sensores estão projetados para realizar medições de correntes nominais de 15 A, no entanto são capazes de realizar medições a correntes máximas e mínimas de ±48 A. A medição feita por estes sensores recorre aos pinos laterais do sensor, onde dependendo da configuração selecionada a razão de transformação do mesmo é ajustada, o que permite uma boa gama de medição para valores de corrente mais reduzidos. O sensor, a operar a uma temperatura ambiente de 25º C apresenta uma precisão de ±0,2% e possui ainda isolamento galvânico entre o lado primário e secundário . O sensor requer uma tensão de alimentação de 5 V e apresenta uma tensão de saída que oscila entre 0,5 V e 4,5 V contando com um offset de 2,5 V. Estes sensores estão integrados na placa de potência e a sua alimentação é realizada através das placas de condicionamento de sinal de forma a reduzir cablagem extra como também evitar loops de massa, tal como supracitado anteriormente. O valor de medida, VM , é dado pela equação (5.2), onde IP representa o valor de corrente a medir e IPN representa o valor nominal da corrente no lado primário do sensor. 𝑉𝑀=2,5±(0,625 𝐼𝑃 𝐼𝑃𝑁) (5.2) Para esta dissertação configurou-se os pinos laterais dos sensores para obter uma razão de transformação de 1:2 do lado primário, significando que para uma medição de 7,5 A se obtenha a gama de valores medida correspondente a uma corrente de 15 A no lado primário do sensor, isto é, a gama de valores lida é reduzida para a obtenção de uma maior sensibilidade. Aplicando a IP o valor de 1 A e considerando o IPN 7,5 A é possível obter a sensibilidade do sensor, que neste caso é 83,3 mV. Considera-se IPN 7,5 A pois a corrente máxima projetada para os módulos fotovoltaicos é de 7,63 Capítulo 5 – Desenvolvimento do Hardware de Potência do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 86 A e é considerado um valor RMS da corrente da rede elétrica de 16 A. Dado que com os valores selecionados o sensor é capaz de ler até ±24 A e o valor de pico da corrente da rede elétrica é 22,6 A esta configuração satisfaz as condições necessárias. 5.3.5 PCB de Condicionamento de Sinal, Comando e Proteção Os circuitos de condicionamento de sinal apresentam um papel essencial na interface entre os valores medidos pelos sensores de tesão e corrente e os ADCs internos do DSP. É necessário ajustar os sinais provenientes dos sensores de forma a compreender a gama de leitura dos ADCs, sendo esta 0 V e 3 V. Os sensores de corrente apresentam valores de tensão positivos na sua saída, variando entre 0,5 V e 4,5 V, assim necessitam apenas do ajuste do ganho para os valores desejados. Aplica-se um divisor resistivo de forma a ajustar os valores de saída para uma gama que varia entre 0,3 V e 2,7 V de forma a garantir a integridade dos ADCs. No entanto, os sensores de tensão, apresentam uma saída em corrente bem como valores de saída negativos. Desta forma é requerida uma resistência de medida, de forma a converter a corrente de saída num valor de tensão como ainda é exigido o somatório de um offset para anular uma saída com valores negativos. O lado secundário do sensor de tensão apresenta um valor de corrente máximo de 25 mA, assim a resistência RM é dimensionada de forma a apresentar um valor de 3 V para um valor de corrente de 25 mA [81]. Recorrendo a um amplificador operacional é possível implementar uma montagem amplificadora somador não-inversora de modo a adequar o sinal proveniente do sensor de tensão para a gama de valores pretendida. Apesar de não se poder tratar o ganho e o offset de forma independente, apresenta a vantagem de não inverter o sinal de entrada como acontece na montagem inversora. Tal montagem está ilustrada na Figura 5.12. R1 R2 R3 R4 R5R6 Sensor Vref Vsum Figura 5.12. Montagem amplificadora somador não-inversora e resistência de medida. Capítulo 5 – Desenvolvimento do Hardware de Potência do Equipamento para Smart Homes Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 87 Denota-se que esta montagem apenas é aplicada nos sensores de tensão que medem valores de tensão AC, como é o caso da rede elétrica. Dada a necessidade de somar um offset, é vital que tal valor de offset se mantenha estável nesse valor pretendido. Para este efeito recorre-se o integrado LT1009 do fabricante Texas Instruments [83] que apresenta na sua saída um valor de tensão de 2,5 V com um desvio máximo deste valor de ±5 mV. Através da equação (5.3) é possível determinar o valor de saída da montagem (VSUM) descrita, considerando a tensão de entrada (VIN) e o valor de referência dado pelo LT1009 (VREF). De forma a facilitar os cálculos R5 e R6 tomam o mesmo valor. Em suma, do sensor resulta uma sinusoide que varia entre -25 mA a 25 mA, esta é convertida através da resistência de medida numa tensão sinusoidal que oscila entre -2,5 V e 2,5 V. É então somado o valor de offset que eleva a sinusoide resultante para 0 V e 5 V. Posto isto é aplicado um divisor resistivo de forma a ajustar a gama de valores para 0 V e 3 V ficando assim de acordo com a gama compreendida pelo ADC. Posto isto, e com vista a proteção dos ADCs, aplicou-se um seguidor de tensão em cada um dos circuitos de condicionamento de sinal, de forma a fornecer um caminho de alta impedância para o sinal e enviar ao DSP. Implementou-se ainda um filtro RC passa-baixo para um dos sinais condicionados de forma a filtrar analogicamente os sinais, com o objetivo de diminuir a presença de ruído que podem levar a uma leitura errada do sinal por parte do ADC. Pela equação (5.4) calcula-se a frequência de corte desejada para o filtro implementado. Para além destas duas proteções referidas, aplica-se também um díodo de zener entre o filtro RC passa-baixo e a massa do circuito. Este díodo oferece uma proteção contra sobretensões provenientes do sinal a enviar para o ADC, visto que se o ADC receber um sinal com um valor de tensão superior a 3,3 V ele é danificado. A Figura 5.13 ilustra as proteções supracitadas. Figura 5.13. Seguidor de tensão, filtro RC passa-baixo e díodo de zener. RF fCDZ VCOND VADC 𝑉𝑆𝑈𝑀 =(1+𝑅6 𝑅5) ( 𝑅3 𝑅3+𝑅4𝑉𝑅𝐸𝐹 +𝑅4 𝑅3+𝑅4𝑉𝐼𝑁) (5.3) 𝑓𝐶=1 2𝜋𝑅𝐶 (5.4) Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 94 Introdução Neste capítulo apresentam-se os resultados obtidos nos ensaios experimentais realizados aos conversores propostos. Numa primeira etapa, realizaram-se ensaios individuais aos conversores em malha aberta permitindo validar o correto funcionamento dos mesmos. Após esta validação, são apresentados os resultados dos ensaios individuais, mas desta vez com o algoritmo de controlo aplicado aos mesmos. Os resultados obtidos permitem analisar se estes algoritmos, nomeadamente o controlo de corrente preditivo, controlo PI aplicado ao barramento CC e algoritmo de MPPT, se comportam como esperado, tendo em conta que foram anteriormente simulados. Analisaram-se também os resultados obtidos aquando a injeção de energia para a rede elétrica como também aquando da absorção de energia por parte de uma dada carga. Posto isto, parte-se para a apresentação dos resultados obtido no âmbito dos modos de operação. É aplicada a teoria de potência responsável pela gestão da troca de energia entre os conversores e são então apresentados os resultados dos modos de operação G2V, V2G, R2G e R2V. Resultados do Conversor CA-CC Interleaved No decorrer dos testes experimentais, devidos a problemas que surgiram durante os ensaios, nomeadamente com o desempenho dos drivers , os semicondutores inicialmente empregues foram alterados para IGBTs do fabricante Fairchild com a referência FGA25N120ANTD. Estes semicondutores aguentam uma tensão de 1200 V aos seus terminais bem como uma corrente de 25 A. Estes semicondutores foram empregues antes de se inicializar o controlo do barramento CC. De forma a simplificar a análise dos resultados apresentados ao longo do capítulo, e dado o facto de se recorrer sempre a um osciloscópio de 4 canais, considera-se que: Num primeiro ensaio foi aplicado ao barramento CC uma tensão constante de 60 V, recorrendo a uma fonte de alimentação e aplicou-se à saída uma carga resistiva de 26 Ω. A Figura 6.1 apresenta a tensão à saída do conversor CA-CC, analisado no CH1, onde se verificam os três níveis de tensão Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 95 gerados através da modulação SPWM Unipolar. Analisa-se ainda, no CH2, a forma de corrente sintetizada pelo conversor. Na Figura 6.2 é apresentada a forma d onda da corrente da saída do conversor CA-CC bem como é apresentado o ripple da mesma. Aplicou-se uma frequência de comutação de 20 kHz e é possível verificar a operação em modo interleaved pela através da escala de tempo, onde um período corresponde a 25 µs. Figura 6.1. Corrente do lado da rede elétrica (CH2) e tensão à saída conversor CA-CC (CH1). (a) (b) Figura 6.2. Corrente de saída do conversor CA-CC: (a) corrente sintetizada; (b) ripple da corrente sintetizada. Numa segunda etapa validou-se o funcionamento do conversor CA-CC para as mesmas condições de carga e tensão, onde apenas se elevou a frequência de comutação para um valor de 40 kHz, resultado ilustrado na Figura 6.3. Figura 6.3. Corrente de saída do conversor CA-CC para uma frequência de comutação de 40 kHz Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 96 Valida-se assim a operação em modo interleaved através da análise da frequência resultante que é o dobro da frequência de comutação, 80 kHz. 6.2.1 Controlo de Corrente Preditivo De forma a validar o correto funcionamento do controlo de corrente preditivo, aplicou-se uma corrente de referência com 1 A de pico a cada um dos conversores CACC, uma tensão de 30 V ao barramento CC recorrendo a uma fonte de alimentação como também se empregou uma carga resistiva de 13 Ω à saída do conversor CA-CC. Na Figura 6.4 (a) é possível analisar as correntes sintetizadas por cada um dos conversores CA-CC full-bridge , onde cada uma destas correntes apresenta um valor de pico de 1 A. Na Figura 6.4 (b) observa-se a corrente resultante da soma das duas correntes individuais, que resulta numa corrente com 2 A de pico. Denota-se que a frequência de comutação aplicada foi de 20 kHz. (a) (b) Figura 6.4. Corrente no conversor CA-CC: (a) corrente sintetizada em cada conversor CA-CC full-bridge ; (b) corrente resultante. A Figura 6.5 ilustra o ripple da corrente de saída do conversor CA-CC onde é possível verificar a atuação do modo interleaved dado que o ripple da corrente apresenta uma frequência resultante de 40 kHz. Figura 6.5. Ripple da corrente de saída do conversor CA-CC com uma frequência resultante de 40 kHz. Numa segunda fase, elevou-se a tensão fornecida ao barramento CC pela fonte de alimentação para 60 V, aplicou-se uma carga de 26 Ω e uma frequência de comutação de 40 kHz. Elevou-se ainda a Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 97 corrente de referência para 2 A de pico em cada um dos conversores CA-CC. Através da Figura 6.6. (a) é possível observar a corrente de saída do conversor CA-CC, resultante da soma das duas correntes individuais, que resulta numa corrente com 4 A de pico. Na Figura 6.6 (b) é possível analisar o ripple presente nessa corrente. Através da frequência resultante apresentada no ripple corrente, 80 kHz, é possível validar a operação do modo interleaved . (a) (b) Figura 6.6. Corrente no conversor CA-CC: (a) corrente sintetizada pelo conversor CA-CC; (b) ripple da corrente sintetizada. Compensação do Dead-Time Após elevar a frequência de comutação de 20 kHz para 40 kHz, o efeito do dead-time ganhou bastante realce. Desta forma, realizou-se a compensação do efeito do dead-time recorrendo à fórmula (4.2) e ao processo descrito em 4.3.4. Dada a implementação de um dead-time de 1 µs, calcula-se o valor dos desvios da tensão necessários a adicionar à variável de referência de forma a realizar a compensação. A Figura 6.7 (a) ilustra a forma da onda de corrente sintetizada pelo conversor CA-CC sem a compensação do efeito do dead-time (CH1), onde se evidencia nas passagens por zero. A Figura 6.7 (b) apresenta a mesma corrente sintetizada (CH1) mas com o efeito do dead-time compensado, onde este efeito é significativamente menos prenunciado. (a) (b) Figura 6.7. Efeito do dead-time :(a) corrente sintetizada no CA-CC full-bridge sem compensação do efeito dead-time (CH1); (b) corrente sintetizada com a compensação do dead-time (CH1). Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 98 Posto isto, alteraram-se as bobinas de acoplamento à rede elétrica, por quatro bobinas de núcleo de pó de ferro, uma corrente de saturação de 8 A cada e um valor de indutância de 550 µH a uma frequência de 40 kHz. Posto isto, surge a necessidade de validar novamente o correto funcionamento do conversor CA-CC em modo Interleaved . A Figura 6.8 apresenta, no CH1 e CH2, as correntes sintetizadas em cada um dos conversores CA-CC full-bridge , onde é visível o desfasamento de 180º entre as duas correntes. Recorrendo ao canal MATH do osciloscópio aplica-se a operação de soma do CH1 e CH2 de forma a analisar a frequência resultante da corrente sintetizada. É então possível analisar no canal MATH uma frequência resultante de 80 kHz. Estas bobinas estão aplicadas em todos os ensaios dos modos de operação realizados com uma frequência de comutação de 40 kHz. Figura 6.8. Ripple das correntes sintetizadas por cada conversor CA-CC full-bridge (CH1 e CH2), ripple da corrente resultante para uma frequência de comutação de 40 kHz (MATH). 6.2.2 Sincronização com a Rede Elétrica De forma a validar a técnica de sincronização com a rede elétrica, recorreu-se a uma montagem com um transformador de 230:25 bem como à placa de DAC. A Figura 6.9 ilustra no CH3 a tensão da rede elétrica lida pelo DAC e no CH4 o sinal da PLL gerado pelo algoritmo de controlo. Analisa-se ainda o momento de sincronização com a rede elétrica, que demora cerca de quatro ciclos da rede elétrica. Figura 6.9. Técnica de sincronização com a rede elétrica: (a) Momento de sincronização; (b) PLL sincronizada com a tensão da rede elétrica. Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 99 Na Figura 6.10 observa-se a sincronização já efetuada, que pode ser verificada pelo sincronismo da tensão da rede elétrica com a PLL, nomeadamente nas passagens por zero. Figura 6.10. Técnica de sincronização com a rede elétrica: (a) Momento de sincronização; (b) PLL sincronizada com a tensão da rede elétrica. 6.2.3 Conversor a Operar como Inversor Ligado à Rede Elétrica De forma a validar o conversor CA-CC foi necessário comprovar a correta injeção de corrente na rede elétrica. Para este efeito recorreu-se a um transformador 230 V:25 V ligado às bobinas de acoplamento à rede elétrica. Num primeiro teste recorreu-se a uma resistência de pré-carga com um valor de 470 Ω de forma a evitar possíveis picos provenientes da rede elétrica. Atingindo o limite máximo de tensão imposto pela resistência de pré-carga realiza-se o bypass recorrendo a um disjuntor. Após o barramento CC alcançar o pico máximo associado aos 25 VRMS, isto é, 35,35 V, é ligada a fonte de alimentação de forma a elevar a tensão presente no barramento CC para um valor de 60 V. Na Figura 6.11 (a), o CH3 representa a tensão de 60 V presente no barramento CC, no CH1 a corrente de referência gerada pelo controlo de corrente, que não está representada na correta escala em termos de amplitude devido a um lapso no algoritmo de controlo, no CH4 a corrente sintetizada pelo conversor CA-CC com um valor de pico de 2 A e no CH2 a tensão da rede elétrica lida pelo DAC. É possível observar que a corrente sintetizada segue corretamente a sua referência e que a mesma se encontra em oposição de fase com a tensão da rede elétrica. Na Figura 6.11 (b) é apresentado o ripple de cada corrente sintetizada pelos conversores CA-CC full-bridge , CH3 e CH4, onde se verifica um desfasamento de 180º entre as correntes devido à atuação do modo interleaved . Recorrendo à operação matemática do osciloscópio, canal a vermelho, onde se aplica uma soma às duas correntes sintetizadas, é possível observar uma drástica redução do ripple. Denota-se que a frequência de comutação aplicada são 40 kHz e que devido à operação do interleaved se observa uma frequência resultante de 80 kHz. Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 100 (a) (b) Figura 6.11. Injeção de corrente na rede elétrica: a) tensão presente no barramento CC (CH3), corrente presente na saída do conversor CA-CC (CH4), corrente de referência (CH1) e tensão da rede lida pelo DAC (CH2); (b) ripple da corrente presente em cada conversor CA-CC full-bridge (CH3 e CH4) e ripple da corrente resultante. Numa segunda etapa aplicou-se uma corrente de referência, vista no CH1, com 3 A de pico, apesar de a escala ainda não estar ajustada. Através da Figura 6.12 é possível analisar a tensão da rede elétrica lida pelo DAC representada no CH2, como ainda se analisa a corrente de referência gerada no CH1. Verica-se que a corrente sintetizada, apresentada no CH4, segue devidamente a sua corrente de referência e se apresenta em oposição de fase com a tensão da rede elétrica. Figura 6.12. Tensão da rede lida pelo DAC (CH2), corrente de referência (CH1) e corrente sintetizada (CH4). 6.2.4 Regulação do Barramento CC Após a validação da injeção de corrente na rede elétrica, procedeu-se ao controlo do barramento CC. É aplicada a mesma montagem com o transformador de modo a realizar o ensaio. De forma a validar o controlo do barramento CC, é realizada a pré-carga do mesmo recorrendo a uma resistência de pré-carga como anteriormente descrito. Aquando o barramento atinge a tensão de 35,35 V, é realizado o bypass à resistência de pré-carga e inicializam-se as comutações. É então gerada uma referência de corrente através do cálculo da potência necessária para realizar o carregamento até aos 60 V recorrendo ao controlador PI juntamente com a teoria FBD anteriormente analisada. Denota-se que neste ponto os semicondutores empregues já são os IGBTs anteriormente mencionados e a frequência de comutação aplicada são 20 kHz. A Figura 6.13 (a) ilustra no CH4 o ripple da tensão presente no Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 101 barramento CC, a corrente de entrada no conversor CA-CC no CH3, a tensão da rede elétrica no CH2 e a PLL gerada no CH1. Verifica-se uma frequência de 100 Hz no barramento CC que representa o dobro da frequência da rede elétrica. A Figura 6.13 (b) ilustra a tensão do barramento CC já estabilizada no valor de 60 V, tal como desejado. Em ambos os CH3 é possível analisar uma distorção no semiciclo negativo da onda da corrente. Esta distorção deve-se a um equívoco na modulação implementada, onde esta apresentava um índice de modulação baixo. Este baixo índice de modulação deve-se ao facto de a amplitude da onda portadora ser consideravelmente mais elevada que a amplitude da onda de comando. Tal problema foi solucionado aquando a descoberta, ajustando as ondas portadoras. (a) (b) Figura 6.13. Controlo do barramento CC: a) tensão da rede elétrica lida pelo DAC (CH2), PLL sincronizada (CH1), ripple da tensão do barramento CC (CH4) e corrente de entrada do conversor CA-CC (CH3); (b) tensão no barramento CC (CH4), corrente de entrada do conversor CA-CC (CH3), tensão da rede elétrica lida pelo DAC (CH2) e PLL sincronizada (CH1). Resultados do Conversor CC-CC boost De forma a validar o funcionamento do conversor CC-CC half-bridge a funcionar no modo boost foi conectado à saída deste conversor uma carga resistiva com o valor de 56 Ω, isto é, no barramento CC. À entrada do conversor unidirecional, recorrendo a uma fonte de alimentação, aplicou-se uma tensão com o valor de 30 V. Foi então empregue um duty-cycle de 50% de forma a obter na saída do conversor uma tensão de 60 V, bem como definida uma frequência de comutação de 20 kHz. A Figura 6.14 (a) apresenta no CH1 a corrente medida no conversor unidirecional recorrendo ao DAC, no CH3 é apresentado o valor da tensão aos terminais da bobina do conversor CC-CC, no CH2 analisa-se o valor da corrente presente na carga e no CH4 está apresentado o valor da tensão presente na carga resistiva. Valida-se assim o correto funcionamento do conversor, pois analisando o CH3 é possível verificar o valor do duty-cycle empregue. Dado que os 30 V da tensão de entrada do conversor são impostos pela fonte de alimentação, é possível verificar que o conversor opera como boost pois este apresenta uma tensão de saída de aproximadamente 57,2 V, bem como se verifica que a corrente de Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 102 saída, aproximadamente 0,6 0,99 A, representa metade do valor da corrente de entrada, que possui um valor de aproximadamente 1,98 A, validando assim que a potência de entrada tem sensivelmente o mesmo valor que a potência de saída. A Figura 6.14 (b) ilustra os mesmos resultados que a figura anterior, mas neste ensaio é aplicado o controlo de corrente preditivo com uma referência de corrente de 1 A, uma carga resistiva de 56 Ω à saída do conversor bem como uma tensão de entrada de 30 V. No CH1 analisa-se a corrente de entrada do conversor com um valor de corrente eficaz de aproximadamente 1 A, respeitando assim a referência imposta. O CH4 apresenta o valor da tensão de saída de conversor com o valor de 41,7 V e o CH2 ilustra a corrente de saída do conversor, com um valor de 0.73 A. Verifica-se assim que a potência de entrada se mantém a mesma à saída do conversor. (a) (b) Figura 6.14. Conversor CC-CC half-bridge unidirecional a operar em modo boost : (a) Tensão medida à saída do conversor CC-CC unidirecional (CH3), corrente medida à saída do conversor CC-CC unidirecional (CH2), corrente de entrada medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional (2 A) (CH1); (b) Tensão medida à saída do conversor CC-CC unidirecional (CH3), corrente medida à saída do conversor CC-CC unidirecional (CH2), corrente de entrada medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional (CH1)(1 A). Resultados do Sistema Integrado Neste subcapítulo são apresentados os resultados experimentais obtidos na integração do sistema. São então analisados os resultados obtidos na validação do G2V, V2G, R2G, R2V e ainda o R2G&V2G. Nestes testes estão empregues os IGBTs anteriormente descritos para realizar as comutações do conversor CA-CC full-bridge e manteve-se o SiC MOSFETs que já se encontravam empregues em ambos os conversores CC-CC half-bridge . É também regulado o barramento CC para uma tensão constante de 60 V e mantém-se uma frequência de comutação constante de 20 kHz que numa segunda etapa é elevada para 40 kHz. Estão assim descritas a condições sob as quais os modos de operação, bem como a combinação dos mesmos, foram validados. Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 103 6.4.1 Grid-to-Vehicle Neste modo de operação considera-se que as baterias estão completamente descarregadas. Desta forma o objetivo é carregar as baterias recorrendo à rede elétrica. Para tal efeito considera-se o conversor CC-CC bidirecional a operar em modo buck . Posto isto, é aplicada uma carga resistiva com um valor de 26 Ω na saída do conversor CC-CC bidirecional e define-se uma corrente de referência no controlo de corrente do conversor com um valor de 2 A. Na Figura 6.15 (a) observa-se no CH4 os 58,9 V presentes no barramento CC, no CH2 a corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional, que absorve uma corrente de 1,98 A, no CH1 está apresentada a corrente medida no lado da rede elétrica, com um valor eficaz de 5,56 A e no CH4 a tensão medida no lado da rede elétrica. Assim, verifica-se que o barramento CC se mantém estável bem como, que o conversor CA-CC está a fornecer uma potência de 149,6 W e que o conversor CC-CC bidirecional absorve uma potência de 105,5 W. Na Figura 6.15 (b), são apresentadas no CH1 e CH2 as correntes medidas nos conversores CA-CC full-bridge se verifica o desfasamento de 180º entre as duas correntes medidas. O canal MATH apresenta a soma das duas correntes medidas. Verifica-se uma frequência resultante na onda sintetizada de 40 kHz devido à operação dos conversores CA-CC full-bridge em modo interleaved . (a) (b) Figura 6.15. Modo de operação G2V: (a) Tensão no barramento CC (CH4), corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional (2 A) (CH2), corrente medida no lado da rede elétrica (CH1); (b) O ripple da corrente medida em cada um dos conversores CA-CC full-bridge (CH1 e CH2) e a soma das mesmas através do MATH do osciloscópio. Verifica-se que o algoritmo de controlo faz uma correta gestão das potências, visto que é capaz de manter o barramento CC regulado como também efetuar o carregamento das baterias com a corrente pretendida. Na Figura 6.16 observam-se os resultados obtidos no conversor CC-CC bidirecional onde no CH2 é possível analisar o ripple da corrente medida na bobina deste conversor, que absorve com um valor de corrente eficaz 1,97 A, no CH3 a tensão medida aos terminais da mesma bobina, onde é possível verificar o baixo duty-cycle durante a operação em modo buck. Analisa-se ainda no CH4 a tensão de Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 110 Assim, é possível concluir que o conversor CC-CC unidirecional está a fornecer ao barramento CC uma potência de 126,9 W e que o conversor CA-CC está a entregar à rede elétrica uma potência de 94,94 W. Figura 6.26. Corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional (4,23 A) (CH2), corrente e tensão medidos no lado da rede elétrica (CH1 e CH3) e tensão no barramento CC (CH4). 6.4.4 Renewable-to-Vehicle Neste modo de operação o objetivo consiste em realizar o carregamento das baterias diretamente com a potência disponibilizada pelos módulos fotovoltaicos. Considera-se que a rede elétrica não está a fornecer nem a absorver qualquer potência. Para este efeito, o algoritmo de controlo deve ser capaz de gerir as potências de forma a manter o barramento CC controlado e estável num valor de tensão de 60 V como ainda de gerir a potência necessária para realizar o carregamento das baterias. De forma a validar este modo de operação é aplicada uma tensão de 30 V na entrada do conversor CC-CC unidirecional. Aplica-se ainda uma resistência de 26 Ω na saída do conversor buck-boost que opera em modo buck. O sistema de controlo, através da teoria FBD implementada, gere a potência do sistema, garantindo a potência necessária para manter o barramento CC com uma tensão de 60 V bem como garantir a potência necessária para injetar nas baterias de modo a efetuar o carregamento das mesmas. É então aplicada um corrente de referência de 2 A no controlo preditivo do conversor CC-CC unidirecional bem como uma referência de -2 A no conversor CC-CC bidirecional. Assim, é possível analisar na Figura 6.27 pelo CH3 e CH4 respetivamente, a corrente e a tensão presentes do lado da rede elétrica, onde a corrente apresenta um valor eficaz de 2,69 A. No CH1 observa-se a corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional e no CH2 a corrente medida no conversor CC-CC bidirecional, que por lapso está posicionada no sentido oposto ao real. Desta forma, verifica-se que o conversor unidirecional está a fornecer uma potência de 59,7 W, o conversor CC-CC bidirecional está a consumir uma potência de 104 W e o conversor CA-CC está a Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 111 fornecer uma potência de 72,36 W, de forma a estabilizar o barramento CC e a injetar a potência em falta no conversor CC-CC bidirecional. (a) (b) Figura 6.27. Modo de operação R2V: (a) Corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional (2 A) (CH1), corrente e tensão medidos no lado da rede elétrica (CH4 e CH3) e corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional (CH2); (b) Tensão na rede elétrica (CH3), corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional (2 A) (CH1), tensão do barramento CC (CH4) e corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional (CH2). A Figura 6.27 (a) apresenta no CH3 e CH4 respetivamente a tensão e a corrente do lado da rede elétrica, onde se analisa um valor de corrente eficaz de 2,69 A. No CH1 apresenta-se a corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional que apresenta um valor de 2,04 A e no CH2 a corrente medida na carga resistiva presente à saída do conversor CC-CC bidirecional. A Figura 6.27 (b) ilustra para o mesmo ensaio, no CH4, a tensão medida no barramento CC ao invés da corrente medida na rede elétrica. Verica-se que a mesma está estabilizada nos 57,1 V. O segundo ensaio foi projetado de forma a que o conversor CC-CC bidirecional absorva toda a potência fornecida pelo conversor CC-CC unidirecional. Para tal fim, aplicou-se uma corrente de referência de 4 A ao controlo de corrente do conversor CC-CC unidirecional e uma corrente de referência de -2 A ao controlo do conversor CC-CC bidirecional bem como é aplicada a mesma carga resistiva de 26 Ω à saída do mesmo. Na Figura 6.28 (a) analisa-se no CH3 a tensão presente do lado da rede elétrica, no CH4 a corrente da rede, que apresenta um valor reduzido. No CH1 apresenta-se a corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional, que apresenta um valor eficaz de 3,96 A e no CH2 a corrente medida na carga resistiva à saída do conversor CC-CC bidirecional. Assim, é possível analisar que o conversor CC-CC unidirecional fornece uma potência de 118,8 W ,que o conversor CC-CC bidirecional consome uma potência de 115,5 W. e que o conversor CA-CC fornece uma potência de aproximadamente 4 W. Na Figura 6.28 (b), no CH4, ao invés da medição da corrente do lado da rede elétrica, observa-se o valor da tensão presente no barramento CC, com um valor de 58,7 V. Conclui-se assim que a teoria Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 112 de potência gere corretamente as potências envolvidas pelos três conversores, recorrendo à rede elétrica apenas para auxiliar na estabilização do barramento CC. (a) (b) Figura 6.28. Modo de operação R2V: (a) Corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional (2,11 A) (CH1), corrente e tensão medidos no lado da rede elétrica (CH4 e CH3) e corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional (Ch2); (b) Tensão na rede elétrica (CH3), corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional (4 A) (CH1), tensão do barramento CC (CH4) e corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional (CH2). Neste ensaio, repetiu-se o processo descrito no ensaio anterior, mas elevou-se a frequência de comutação para um valor de 40 kHz. Pela Figura 6.29 observa-se no CH4 a corrente fornecida pelo conversor CC-CC unidirecional, que apresenta um valor de 3,87 A e no CH2 a corrente absorvida pelo conversor CC-CC bidirecional, que apresenta um valor de 1,86 A. No CH3 está presente a tensão medida no lado da rede elétrica e no CH1 a corrente medida no lado da rede elétrica, que apresenta um valor eficaz de 0,46 A. Verifica-se assim que o conversor CC-CC unidirecional fornece uma potência de 116,1 W, o conversor CC-CC bidirecional consome uma potência de 89,94 W e ainda que o conversor CA-CC injeta na rede elétrica uma potência de 12,76 W. Figura 6.29. Correntes medidas nas bobinas dos conversores CC-CC unidirecional e bidirecional (CH4 e CH2), corrente e tensão medidos do lado da rede elétrica (CH1 e CH3). 6.4.5 Renewable-to-Grid e Vehicle-to-Grid Neste último modo de operação, o intuito é injetar para a rede elétrica a potência disponibilizada pelos módulos fotovoltaicos bem como parte ou totalizada da energia armazenada nas baterias do carro Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 113 elétrico. Desta forma o algoritmo de controlo tem de ser capaz de injetar a potência total disponibilizada pelo conversor CC-CC unidirecional e injetar a potência proveniente do conversor CC-CC bidirecional mantendo o barramento CC controlado no valor definido. Para este efeito, define-se uma corrente de referência de 1 A para cada um dos conversores CC-CC. Figura 6.30. Modo de operação R2G e V2G: Tensão e corrente medidos no lado da rede elétrica (CH1 e CH3), corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional (1 A) (CH2) e corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional (1 A) (CH4). Na Figura 6.30 observa-se no canal CH1 a corrente medida no lado da rede elétrica, com um valor eficaz de 1,64 A e em oposição de fase com a tensão da rede elétrica, apresentada no CH3. O CH2 apresenta a corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional, medindo uma corrente eficaz de 1,14 A e no CH4 a corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional que apresenta uma corrente eficaz de 1,21 A. Sabendo que ambos os conversores CC-CC recebem uma tensão fixa de 30 V proveniente de duas fontes de alimentação, é possível verificar que o conversor CC-CC unidirecional fornece uma potência de 36,3 W e o conversor CC-CC bidirecional fornece uma potência de 34,2 W. Verifica-se ainda que o conversor CA-CC injeta na rede elétrica uma potência de 45 W. Neste segundo ensaio eleva-se a corrente de referência aplicada ao controlo dos conversores CC-CC para um valor de 3 A e mantêm-se os parâmetros definidos no ensaio anterior. A Figura 6.31 (a) apresenta os resultados obtidos no ensaio. No CH1 analisa-se a corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional que possui um valor de 2,87 A e no CH2 a corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional que apresenta um valor de 3,06 A. No CH3 e CH4 apresentam-se a tensão e a corrente do lado da rede elétrica, onde a corrente medida apresenta um valor eficaz de 5,11 A. Verifica-se então que o conversor CC-CC bidirecional está a injetar uma potência de 91,8 W, o conversor CC-CC unidirecional está a injetar uma potência de 86,1 W e o conversor CA-CC injeta na rede elétrica uma potência de 140,5 W. A Figura 6.31 (b) apresenta, para o mesmo ensaio, no CH4 a tensão presente no barramento CC, que Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 114 possui um valor de 57,9 V. Verifica-se assim que o barramento CC se mantém estável durante a operação deste modo do equipamento. (a) (b) Figura 6.31. Modo de operação R2G e V2G: (a) Tensão e corrente medidos no lado da rede elétrica (CH4 e CH3), corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional (3 A) (CH2) e corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional (3 A) (CH1); (b) Tensão da rede elétrica (CH3), tensão do barramento CC (CH4), corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional (3 A) (CH2) e corrente medida na bobina do conversor CC-CC unidirecional (3 A) (CH1). Num segundo ensaio, elevou-se a frequência de comutação para um valor de 40 kHz e redefiniu-se as correntes de referência aplicadas para um valor de 2 A. A Figura 6.32 apresenta no CH2 a corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional, com um valor de 2,16 A e no CH4 a corrente medida no conversor CC-CC unidirecional, com um valor de 2,21 A. Observa-se ainda no CH3 a tensão medida no lado da rede elétrica e no CH1 a corrente sintetizada pelo conversor CA-CC que possui um valor eficaz de 3,26 A. Verifica-se assim que o conversor CC-CC bidirecional injeta no barramento CC uma potência de 64,8 W, o conversor CC-CC unidirecional injeta no barramento CC uma potência de 66,3 W e que o conversor CA-CC injeta na rede elétrica uma potência de 90,3 W. Figura 6.32. Corrente medida na bobina do conversor CC-CC bidirecional e unidirecional (CH2 e CH4), corrente e tensão medidos no lado da rede elétrica (CH1 e CH3). Conclusão Neste capítulo apresentaram-se os resultados experimentais obtidos nos ensaios individuais dos conversores envolvidos nesta dissertação como também da integração de todo o sistema, isto é, Capítulo 6 - Resultados Experimentais do Equipamento Desenvolvido Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 115 apresentam-se os resultados obtidos para os modos de operação inicialmente propostos bem como para combinações de modos de operação. Esta validação prova o bom funcionamento do sistema implementado a operar nos modos anteriormente descritos, recorrendo à teoria de potência de forma a gerir aas potências fornecidas e absorvidas por cada um dos elementos do sistema, inclusive desconectar um dos elementos e garantir a continuação do bom funcionamento do equipamento. Durante os testes experimentais foi também possível validar os circuitos de proteção e comando, pois no decorrer dos ensaios surgiram picos de corrente não desejados onde as proteções atuaram de forma eficaz e desabilitaram completamente a ação dos circuitos de driver protegendo assim o circuito de potência. Os ensaios validaram também o correto comportamento dos algoritmos de controlo implementados, nomeadamente o controlo de corrente preditivo pois as correntes sintetizadas pelo conversor CA-CC seguiram corretamente as referências calculadas pelo sistema de controlo. Validou-se também o correto funcionamento do controlo PI aplicado ao barramento CC, pois este alcançou e manteve-se no valor de tensão pretendido. Relativamente aos conversores CC-CC responsáveis pela interface com os módulos fotovoltaicos e um veículo elétrico, constata-se que ambos se comportaram como esperado, seguindo o comportamento obtido no ambiente de simulação a operar com um duty-cycle previamente definido bem como a operarem com controlo de corrente preditivo. Denota-se ainda que a teoria FBD garantiu a gestão da energia entre os três conversores, possibilitando assim garantir o correto funcionamento do equipamento. Este controlo permitiu de forma eficaz validar a operação do conversor CC-CC unidirecional, onde se validou que estes são capazes de fornecer energia para a rede elétrica como também carregar diretamente as baterias do veículo elétrico, isto é, fornecer a potência necessária ao conversor CC-CC bidirecional de forma a efetuar o carregamento. Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 116 Conclusão Em primeira instância analisou-se a solução tradicional empregue que consiste em dois sistemas separados, onde se recorre a dois conversores de potência para realizar a interface entre o veículo elétrico e a rede elétrica e recorre a dois conversores de potência adicionais para a interface da fonte de energia renovável com a rede elétrica. Esta topologia, apesar de ser indicada para sistemas isolados, apresenta a desvantagem de não possibilitar o carregamento direto das baterias do veículo elétrico a partir da fonte de energia renovável, pois requer o uso de quatro conversores de potência e a rede elétrica como intermediários. Para colmatar esta desvantagem, a configuração adotada utiliza apenas um conversor CA-CC, onde dois conversores CA-CC full-bridge operam em modo interleaved e um barramento CC, também comum aos dois conversores CC-CC. Obtêm-se assim as vantagens de recorrer apenas a um conversor para realizar a interface do carregador do veículo elétrico e a fonte de energia renovável com a rede elétrica, a possibilidade de realizar o carregamento das baterias diretamente dos módulos fotovoltaicos sem recorrer à rede elétrica como intermediário e ainda a contribuição para a melhoria dos problemas de qualidade de energia, devido ao modo de operação do conversor CA-CC Interleaved. Surge assim uma solução para a realização da interface entre veículos elétricos, módulos fotovoltaicos e a rede elétrica que necessita de menos recursos e apresenta um melhor desempenho. Posto isto, realizou-se o estudo sobre o funcionamento das células fotovoltaicas, com foco no comportamento destas sob a influência de fatores externos. Para este efeito analisou-se o modelo elétrico da célula fotovoltaica, bem como o impacto da variação dos elementos parasitas nestas. Dada a diversidade de tecnologias empregues no mercado dos módulos fotovoltaicos, surgiu a necessidade de analisar as tecnologias mais comummente empregues, de forma a entender as diferenças de desempenho bem como o rácio entre o seu custo e desempenho, apresentando inclusivamente um estudo comparativo sobre as vantagens e desvantagens apresentadas por cada uma das tecnologias empregues no desenvolvimento das células fotovoltaicas. Capítulo 7 - Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 117 Assim, analisaram-se os parâmetros característicos dos módulos fotovoltaicos. Esta análise torna-se essencial no âmbito da projeção de paneis com vários módulos integrados de modo a produzir a potência desejada. Tendo em conta a sensibilidade dos módulos fotovoltaicos a variações de fatores externos, tal como a incidência da radiação solar e a temperatura ambiente, analisou-se o impacto que estes têm no desempenho do seu funcionamento. Realizou-se também um estudo sobre o impacto do efeito sombra na operação dos módulos bem como uma possível solução para compensar este efeito. Apresentou-se ainda uma tecnologia emergente, que devido aos resultados promissores nos seus ensaios experimentais é alvo de grande investimento. Posto isto, foram analisados os diversos conversores passiveis de aplicar no equipamento, onde se incluem as soluções adotadas para a realização da interface com a rede elétrica como também dos módulos fotovoltaicos, onde se incluem conversores CA-CC, conversores CA-CC multinível e os conversores CC-CC. De forma a controlar corretamente os conversores, realizou-se o estudo das técnicas de controlo de corrente a aplicar nos conversores e o seu respetivo desempenho, técnica de sincronização com a rede elétrica, controlo de tensão para o barramento CC como ainda se analisam diversos algoritmos de MPPT passíveis de aplicar. Posteriormente, foram realizadas as simulações computacionais com o intuito de validar a topologia e controlos desenvolvidos. É apresentado o dimensionamento do conversor CA-CC a operar em modo interleaved como também a validação do seu funcionamento, recorrente ao controlo de corrente adotado. Aplicou-se também o controlo de tensão ao barramento CC de forma a comprovar que o mesmo é capaz de alcançar e estabilizar no valor pretendido. Foram então apresentados os resultados de simulação para este conversor que validam o funcionamento do mesmo. Posto isto, apresentou-se a configuração dos módulos fotovoltaicos. O intuito da simulação é obter os diferentes pontos de operação dos módulos, isto é, mediante a variação dos fatores externos, compreender quais são os valores de corrente e tensão para situações de baixa incidência de radiação solar e aumento da temperatura das células fotovoltaicas. Desta forma, apresentou-se o dimensionamento do conversor CC-CC do tipo boost responsável pela interface com os módulos fotovoltaicos. Nesta simulação considera-se, para efeitos de dimensionamento, o pior cenário de operação por parte dos módulos fotovoltaicos de forma a garantir que o conversor consegue acompanhar estas variações. No entanto são também apresentados os resultados obtidos para as condições ótimas de funcionamento. Aplicou-se ainda o algoritmo de MPPT adotado, de forma a validar o seu funcionamento considerando as variações dos fatores externos aos módulos fotovoltaicos, onde se valida que este cumpre a sua função corretamente. Foram ainda abordados os resultados obtidos para os testes dos modos de Capítulo 7 - Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 118 operação propostos em ambiente de simulação, onde se analisa individualmente os resultados obtidos em cada modo de operação com o intuito de validar o funcionamento do equipamento. Foi então apresentado o resultado final de todas as placas desenvolvidas, onde se inclui a placa de potência, de driver e condicionamento de sinal. Analisou-se o lado do circuito de potência que realiza a interface com a rede elétrica, módulos fotovoltaicos e o veículo elétrico. Descrevem-se ainda os componentes empregues em cada um deles, bem como o layout da placa desenvolvida. Relativamente às placas de controlo desenvolvidas apresenta-se o circuito de driver desenvolvido , bem como se descrevem as proteções e circuito auxiliar empregue na mesma. Foram então apresentadas as placas de condicionamento de sinal desenvolvidas, onde se descrevem os aspetos mais relevantes que foram implementados para realizar a proteção dos ADCs do DSP, nomeadamente a implementação de filtros RC e seguidores de tensão. Relativamente aos sensores empregues, apresentou-se o processo de linearização dos mesmo. Foi ainda aplicada uma proteção adicional contra os valores de corrente indesejados, nomeadamente picos de corrente, de forma a proteger o equipamento. A fim de proteger os semicondutores de potência, apresentou-se o dimensionamento do circuito de comando. Este circuito de comando permite habilitar e desabilitar as comutações dos semicondutores, isto é, dar enable/disable à placa de driver . Tal circuito, mostra-se bastante útil pois evita a destruição dos componentes, protegendo contra comutações indevidas por parte do DSP. Foram então apresentados os resultados experimentais obtidos nos ensaios individuais ao conversor CC-CC unidirecional. O mesmo é validado empregando um duty-cycle fixo de 50% de forma a validar o funcionamento do conversor. Posto isto, o conversor é controlado recorrendo ao controlo de corrente preditivo de modo a possibilitar a validação do equipamento nos diferentes modos de operação. Devido à complexidade, dimensão bem como ao tempo limitado, o algoritmo de MPPT não foi testado no equipamento. Posto isto, constata-se que esta validação é uma sugestão de trabalho futuro e relevante de se validar para o caso de serem conectados módulos reais. Tal validação pode ser realizada recorrendo a um reóstato, que é um equipamento onde é possível variar a resistência, ou seja, permite também variar a corrente que o atravessa. Tal dispositivo permite então validar que o algoritmo de MPPT é capaz de acompanhar o MPP em diferentes condições de operação. Analisaram-se então os resultados obtidos na integração de todo o sistema, isto é, apresentaram-se os resultados obtidos para os modos de operação inicialmente propostos bem como para combinações de modos de operação. Esta validação prova o bom funcionamento do sistema implementado, onde através da teoria de potência é realizada a gestão das potências fornecidas por cada um dos elementos Capítulo 7 - Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro Desenvolvimento de um Equipamento para Smart Homes com interface de Painéis Fotovoltaicos Paulo Frederico Costeira de Passos – Universidade do Minho 119 do sistema, estando as baterias do veículo elétrico a fornecer, absorver ou até não conectadas ou até o painel fotovoltaico desconectado. Durante os testes experimentais foi também possível validar os circuitos de proteção e comando, pois os mesmos atuaram de forma eficaz aquando surgiram picos de corrente não desejados onde as proteções atuaram e desabilitaram completamente a ação dos circuitos de driver protegendo assim o equipamento. Os ensaios realizados validaram também o correto funcionamento dos algoritmos de controlo implementados, nomeadamente o controlo de corrente preditivo pois as correntes sintetizadas pelo conversor CA-CC seguiram corretamente as referências calculadas pelo algoritmo de controlo. Validouse também o correto funcionamento do controlo PI aplicado ao barramento CC, pois este alcançou e manteve-se no valor de tensão pretendido. Relativamente aos conversores CC-CC responsáveis pela interface com os módulos fotovoltaicos e um veículo elétrico, constata-se que ambos se comportaram como esperado, seguindo o comportamento obtido nos resultados em ambiente de simulação. Assim, com o desenvolvimento desta dissertação foi possível validar os o correto funcionamento do conversor CA/CC interleaved bem como o controlo de corrente preditivo empregue, a modulação SPWM unipolar, a técnica de sincronização com a rede elétrica. Posto isto, foi também possível validar o correto funcionamento do controlo PI para o barramento CC. Foi então comprovado também o correto funcionamento do conversor CC/CC unidirecional a operar em modo boost . Após a validação individual de cada um dos elementos que constituem o equipamento, validou-se o correto funcionamento nos modos de operação G2V, R2G, R2V, V2G e R2G&V2G a uma frequência de comutação de 20 kHz bem como a 40 kHz. Com o desenvolvimento desta dissertação foram adquiridas e consolidadas competência essenciais para o desenvolvimento de sistemas de eletrónica de potência como o desenvolvimento de PCB, analise e desenvolvimento de controlos de corrente e controlo de tensão, análise e desenvolvimento de algoritmos de MPPT, planeamento e dimensionamento de estruturas para equipamentos para eletrónica de potência como ainda panelização de PCB, que consiste no agrupamento de várias PCB num painel, que usualmente possui dimensões pré-definidas.