projeto de um microinversor para pain eis ... -...

GRUPO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA DA UFMG

gep

Projeto de um Microinversor paraPaineis Fotovoltaicos

Thales Mol Vinhal

Monografia submetida a banca examinadora

designada pelo Colegiado do curso de Gradu-

acao de Engenharia Eletrica da Universidade

Federal de Minas Gerais, como parte dos re-

quisitos necessarios a obtencao do grau de

Bacharel em Engenharia Eletrica.

Orientador: Prof. Dr. Thiago Ribeiro de Oliveira

Belo Horizonte, 03 de Dezembro de 2019

”A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltara a seu tamanho original.”

Albert Einstein.

i

Agradecimentos

Primeiramente, agradeco a Deus por me permitir trilhar este caminho, e me acompa-

nhar durante toda esta caminhada.

Agradeco tambem a meus pais, irmaos, familiares e amigos, que sempre estiveram

comigo, independentemente dos desafios e dificuldades, me apoiando e me aconselhando

a nunca desistir e sempre seguir em frente.

Por fim, agradeco a meu orientador prof. Thiago Ribeiro por sempre estar disponıvel

e solıcito para auxiliar nas duvidas e problemas que surgiram durante este trabalho.

Agradeco, ainda, aos demais professores e funcionarios da UFMG que contribuıram de

maneira direta ou indireta para minha formacao, sem cada um de voces nao seria possıvel

ter chegado ate aqui.

ii

Resumo

Este trabalho apresenta o estudo e simulacao de um microinversor na topologia Single

Flyback, aplicado a um pequeno sistema de geracao fotovoltaico - 60W de potencia no-

minal - conectado a rede eletrica (on-grid). Estao documentados neste texto o processo

de dimensionamento e calculo dos componentes do conversor, assim como o projeto e

implementacao do controlador utilizado.

A fim de verificar o comportamento do circuito projetado, bem como validar o metodo

de controle implementado, foram realizadas simulacoes em diversas condicoes de irradian-

cia - de 0 a 1200W/m2 - extraindo as curvas caracterısticas de funcionamento do conversor

e tambem dados relativos a perdas, rendimento, fator de potencia, dentre outros.

O microinversor projetado apresentou alto rendimento (>92%) para irradiacoes mai-

ores do que 200W/m2, mostrando-se um circuito adequado para aplicacoes que estejam

sujeitas a variacoes consideraveis no nıvel de irradiancia do ambiente no qual o sistema

fotovoltaico esta inserido.

Palavras chave: Microinversor, paineis fotovoltaicos, single flyback, MPPT.

iii

Abstract

This text presents the study and simulation of a microinverter based on the Single

Flyback topology, applied on a small photovoltaic system - nominal power of 60W -

connected to the electrical grid. The sizing and calculations of the components of the

conversor, as well as the project and implementation of the controller, are documented in

this study.

In order to verify the behaviour of the projected circuit, and to validate the control

method that was implemented, simulations were realized in some conditions of irradiance

- from 0 to 1200W/m2 - in which it was possible to extract the characteristic curves of

the conversor operation, and the data relative to the losses in the circuit, efficiency of the

system, power factor, and other parameters.

The microinverter that was project presented high efficiency (> 92%) when the irradi-

ance was larger than 200W/m2, showing itself a proper circuit for applications that needs

to operate in environments where the irradiance presents a considerable variability.

Keywords: Microinverter, photovoltaic panels, single flyback, MPPT.

iv

Sumario

Resumo iii

Abstract iv

Lista de Figuras vi

Lista de Tabelas viii

1 Introducao 1

1.1 Revisao Bibliografica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Estrutura da Monografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Metodologia 6

2.1 Single Flyback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.1 Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.2 Projeto do primeiro estagio (Flyback) . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.3 Projeto do segundo estagio (Inversor) . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.4 Projeto do controle do conversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Simulacoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3 Resumo do Capıtulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3 Resultados 16

3.1 Simulacao do Conversor Single Flyback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

v

SUMARIO

3.1.1 Regime permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.1.2 Simulacao MPPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.2 Perdas nos Semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3 Curva de rendimento vs irradiancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4 Resumo do Capıtulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4 Conclusoes 22

4.1 Consideracoes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.2 Propostas de Continuidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Referencias Bibliograficas 24

Apendice 25

Anexos 25

vi

Lista de Figuras

1.1 Inversor Centralizado x Microinversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Circuito do conversor Single Flyback [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Circuito do conversor Dual Boost Full-Bridge [2] . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 Circuito do conversor LLC Ressonante [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1 Primeiro estagio do conversor Single Flyback . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Segundo estagio do conversor Single Flyback . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 Parametros do painel utilizado em simulacao. . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4 Diagrama de blocos do controle do conversor Single Flyback . . . . . . . . 12

2.5 Fluxograma MPPT P&O [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.6 Controle do Single Flyback - Parte 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.7 Controle do Single Flyback - Parte 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1 Formas de onda obtidas para o conversor Single Flyback . . . . . . . . . . 17

3.2 Zoom na corrente de magnetizacao do primario . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3 Potencia extraıda do painel para uma irradiancia de 1000W/m2 . . . . . . 18

3.4 Potencia extraıda do painel para uma irradiancia de 500W/m2 . . . . . . . 19

3.5 Potencia extraıda do painel para uma irradiancia de 200W/m2 . . . . . . . 19

3.6 Curva de rendimento vs irradiancia para o conversor Single Flyback . . . . 21

vii

Lista de Tabelas

2.1 Parametros considerados para o calculo de Lm . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Dimensionamento do snubber RCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1 Parametros de qualidade da corrente de saıda. . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.2 Perdas nos semicondutores do conversor Single Flyback . . . . . . . . . . . 20

3.3 Resultados da simulacao do conversor Single Flyback . . . . . . . . . . . . 20

viii

Nomenclatura

c.a. Corrente Alternada

c.c. Corrente Contınua

MPPT Maximum Power Point Tracking

MPP Maximum Power Point

P&O Perturba e Observa

PWM Pulse Width Modulation

ix

Capıtulo 1

Introducao

Atualmente, no cenario mundial, observa-se um constante aumento da procura por

fontes alternativas de energia. E previsto que o percentual de energia fotovoltaica gerada

no planeta atinja cerca de 16% no ano de 2050 [5], frente as diversas outras formas de

geracao de energia eletrica. As questoes ambientais relacionadas a emissao de poluentes,

a dificuldade de obtencao de recursos naturais em certas regioes ou mesmo a necessidade

de diversificacao da matriz energetica de um paıs, sao algumas das razoes pelas quais se

ve essa demanda crescente por fontes de energia renovaveis.

Os paineis fotovoltaicos responsaveis por gerar eletricidade, podem funcionar de forma

isolada (off-grid), abastecendo pequenas regioes, ou tambem podem estar conectados a

rede eletrica local quando ela esta presente (on-grid). Observa-se que sistemas fotovol-

taicos conectados a rede apresentam diversas vantagens quando comparado a sistemas

off-grid , como maior eficiencia na geracao e menores perdas [6]. Alem disso, sistemas

off-grid necessitam de algum tipo de armazenamento de energia para serem capazes de

alimentar sua carga continuamente, mesmo na ausencia de luz solar em um determinado

perıodo. No entanto, esta necessidade de armazenar energia torna o projeto muito mais

caro, uma vez que normalmente utilizam-se baterias neste tipo de solucao. Sendo assim,

para paıses como o Brasil, que possui boa parte de seu sistema de energia eletrica inter-

ligado por meio de mais de 141.000 km de linhas de transmissao [7], e mais interessante

optar por estrategias de geracao de energia solar on-grid.

Grupo de Eletronica de Potencia - GEP/UFMG

Capıtulo 1 - Introducao 2

Originalmente, projetava-se um sistema de geracao fotovoltaica (caracterısticas ter-

minais dos paineis, numero de paineis, conexao entre eles) e, em seguida, projetava-se o

inversor capaz de transferir a potencia gerada pelos paineis a rede. A figura 1.1 mostra

um sistema fotovoltaico com um inversor centralizado, conforme a filosofia de projeto

descrita acima. Com o advento da geracao distribuıda, veio tambem a concepcao dos

microinversores, um circuito eletronico de potencia reduzida, comparado a um inversor

convencional, que controla a geracao de energia de um unico painel fotovoltaico. A partir

deste controle individualizado, espera-se obter um melhor rendimento na geracao da ener-

gia, em comparacao aos inversores tradicionais. Alem disso, essa abordagem de projeto

e interessante por viabilizar a expansao do sistema sem maiores impedimentos, visto que

cada celula e controlada individualmente.

Figura 1.1: Inversor Centralizado x Microinversores

Existem diversas topologias de circuitos microinversores para paineis fotovoltaicos.

Fazendo uma analise comparativa em relacao a presenca de isolamento galvanico (trans-

formador) no circuito do microinversor, as topologias nao-isoladas (transformador ausente)

mostram-se ineficientes frente as topologias com isolamento galvanico (transformador pre-

sente) [8]. Desta forma, escolheu-se uma topologia com transformador para realizar o

projeto e a simulacao de um sistema fotovoltaico on-grid , visando alcancar uma alta taxa

de eficiencia da conversao da energia, um baixo preco de fabricacao do circuito e um longo

tempo de vida.



1.1 Revisao Bibliografica

Este trabalho iniciou-se com uma analise da literatura disponıvel a respeito de cir-

cuitos microinversores aplicados a paineis fotovoltaicos. Foram escolhidas tres topologias

de microinversores para analise mais profunda e comparacao. Sao elas: Single Flyback

Converter, Dual-Boost Full Bridge Converter e Full Bridge LLC Ressonant Converter.

A topologia Single Flyback, e a topologia mais simples encontrada para implementar

um microinversor. Ela pode ser separada em dois estagios: um estagio conversor c.c./c.c.,

na topologia flyback e um estagio inversor de saıda. Este circuito encontra-se na figura

1.2.

Figura 1.2: Circuito do conversor Single Flyback [1]

Esta topologia possui a vantagem de ser relativamente simples, e contar com poucos

componentes e chaves para sua construcao. Desta forma, trata-se de um circuito de baixo

custo e que possui um esquema de controle associado simples de ser implementado. Por

outro lado, o Single Flyback necessita de uma tensao estavel no capacitor Cin, para o

funcionamento correto do conversor flyback, fazendo com que este capacitor precise de

alto valor de capacitancia (por volta de 1.5mF [1]). Isto encarece o conversor e tambem

aumenta o volume de seus componentes, refletindo no produto final.

E importante salientar ainda que, observou-se que esta topologia apresenta maiores

eficiencias quando o inversor de saıda e chaveado em uma frequencia relativamente baixa



(por volta de 90% a 10kHz) [1]. Isso torna o filtro de saıda do circuito mais volumoso e

mais caro, do que se o circuito fosse chaveado em frequencias mais elevadas, como 50kHz,

ou 100kHz, mais comumente utilizadas em circuitos deste tipo.

A topologia Dual-Boost Full Bridge tambem pode ser separada em dois estagios: um

estagio conversor dc-dc, composto por uma associacao entre um buck invertido e dois con-

versores boost, e um estagio inversor de saıda em ponte completa. Este circuito encontra-se

na figura 1.3.

Figura 1.3: Circuito do conversor Dual Boost Full-Bridge [2]

Esta topologia apresenta as vantagens de nao necessitar de um capacitor grande na en-

trada, pelo fato de possuir tres conversores c.c./c.c. associados a este estagio. Alem disso,

o estagio de saıda deste circuito admite frequencias de chaveamento elevadas, diminuindo

o tamanho do filtro na saıda, tornando o circuito mais compacto e barateando o custo

destes componentes. Outra vantagem que este circuito apresenta e uma alta eficiencia

(por volta de 93% [2]).

Em contrapartida, a topologia Dual-Boost Full Bridge, como pode ser observado na

figura 1.3, possui muitos componentes e muitas chaves, tratando-se de um circuito mais

caro para ser construıdo. Alem disso, a associacao dos conversores na entrada do circuito

torna o controle deste estagio mais complicado, do que um simples conversor flyback.



Figura 1.4: Circuito do conversor LLC Ressonante [3]

Por fim, a topologia Full Bridge LLC Ressonant Converter tambem pode ser separada

em dois estagios: um estagio de entrada composto por um circuito ressonante LLC, por

meio do capacitor Cr, do indutor Lr e da indutancia de magnetizacao do transformador

T1, e um estagio inversor de saıda em ponte completa. Este circuito encontra-se na figura

1.4.

Da mesma forma que o Dual-Boost Full Bridge Converter, esta topologia apresenta as

vantagens de nao necessitar de um capacitor grande na entrada e do estagio de saıda deste

circuito admitir frequencias de chaveamento elevadas. Esta topologia tambem apresenta

uma alta eficiencia (aproximadamente 96% [3]). Apesar disso, este circuito possui muitos

componentes e muitas chaves, tratando-se de um circuito mais caro para ser construıdo.

1.2 Estrutura da Monografia

O trabalho esta dividido em quatro capıtulos. Este capıtulo apresentou uma introdu-

cao ao projeto a ser descrito nesta monografia. O Capıtulo 2 descreve os princıpios basicos

de funcionamento do conversor a ser projetado, bem como o procedimento de simulacao

utilizado para validacao do projeto. O Capıtulo 3 apresenta os resultados obtidos a par-

tir das simulacoes realizadas e uma breve discussao sobre eles. No Capıtulo 4 tem-se a

conclusao da monografia e algumas sugestoes de continuidade para este estudo.


Capıtulo 2

Metodologia

A partir da analise inicial das topologias encontradas na literatura, optou-se por fazer

o projeto e simulacao do conversor Single Flyback, pelo tempo de duracao limitado deste

trabalho. Sendo assim, espera-se estudar a eficiencia deste conversor frente a variacoes de

irradiancia e tambem validar o esquema de controle implementado em simulacao (MPPT

- Maximum Power Point Tracking). Alem disso, propoe-se uma comparacao futura desta

topologia mais simples com as outras duas apresentadas anteriormente.

2.1 Single Flyback

2.1.1 Funcionamento

O circuito do single flyback, apresentado na figura 1.2, opera da seguinte forma: seu

primeiro estagio, composto de um conversor c.c/c.c na topologia flyback, e responsavel

por construir uma forma de onda de corrente no primario do transformador equivalente a

tensao da rede retificada, e elevar a tensao gerada pelo painel para um valor proximo ao

da tensao da rede eletrica. Este estagio possui apenas um transistor, que e comandado

por um sinal de controle PWM, gerado usando uma logica combinacional simples e um

flip-flop tipo D.

Ja seu segundo estagio funciona como um inversor, produzindo uma corrente senoi-


Capıtulo 2 - Metodologia 7

dal praticamente em fase com a rede eletrica. Este estagio possui duas chaves, que sao

comandadas de acordo com o semi-ciclo que a tensao da rede se encontra.

Esta foi uma descricao basica do funcionamento do circuito, mais detalhes podem ser

obtidos em [1].

2.1.2 Projeto do primeiro estagio (Flyback)

O primeiro estagio do conversor single flyback foi implementado em simulacao con-

forme mostra a figura 2.1.

Figura 2.1: Primeiro estagio do conversor Single Flyback

Notam-se algumas diferencas em relacao ao circuito idealizado do conversor apresen-

tado anteriormente na figura 1.2. A primeira delas, consiste no diodo D1 conectado ao

terminal positivo do painel, o qual impede o fluxo de corrente reversa por ele, desem-

penhando, assim, um papel de protecao. Alem disso, tem-se o snubber RCD formado

por D2, Rs e Cs em paralelo com o primario do transformador, cuja funcao e limitar a

sobretensao no transistor deste estagio. Por fim, temos o capacitor Coss em paralelo com



Figura 2.2: Segundo estagio do conversor Single Flyback

o MOSFET de forma a simular o efeito da capacitancia parasita dreno-fonte inerente a

este tipo de dispositivo.

Dadas estas consideracoes, o primeiro elemento a ser escolhido e o painel. Para este

circuito, optou-se por um painel de 60W de potencia nominal, com corrente de curto

circuito igual a 3.8A e tensao de circuito aberto igual a 21.1V, baseado no modelo pa-

drao de painel solar disponıvel no Solar Module do PSIM, que foi usado para simular o

comportamento do painel. A figura 2.3 mostra as caracterısticas do painel escolhido.

Figura 2.3: Parametros do painel utilizado em simulacao.

O segundo elemento a ser dimensionado e a indutancia de magnetizacao do transfor-



mador. Seu valor pode ser calculado atraves da expressao 2.1.2.

Lm =E ∗ dmax

Ip ∗ fs(2.1)

, onde

Lm e a indutancia de magnetizacao, E e a tensao no ponto de maxima potencia, dmax o

ciclo de trabalho maximo permitido, Ip a corrente de pico no enrolamento e fs a frequencia

de chaveamento do flyback.

Para este projeto, considerou-se:

E(V ) dmax Ip(A) fs(kHz)

17 0.45 28 20

Tabela 2.1: Parametros considerados para o calculo de Lm

Os valor de E foi obtido atraves da curva de painel para a condicao nominal de

operacao - 1000W/m2 de irradiancia. Ja a corrente de pico, foi obtida iterativamente via

simulacao, a fim de obter na entrada do conversor sua potencia nominal - 60W . Por sua

vez, o ciclo de trabalho maximo permitido e a frequencia de chaveamento sao escolhas de

projeto.

Dados estas consideracoes, a partir dos dados da tabela 2.1, obteve-se uma indutancia

de magnetizacao Lm igual a 13.7uH. Considerou-se 1% deste valor para as indutancias

de dispersao do transformador. Por fim, estabeleceu-se uma relacao de espiras de 1:11

do primario para o secundario, considerando uma tensao de rede de 127Vrms (180Vp),

conforme a equacao a seguir:

N =Np

Ns

=Vp

Vs

=E

Vp

=17

180=

1

11(2.2)

,

O snubber RCD foi dimensionado utilizando-se as seguintes equacoes:

Rs =V 2clamp

12∗ Lleak ∗ I2p ∗

Vclamp

Vclamp−Vr∗ fs

(2.3)



Ps =V 2clamp

Rclamp

(2.4)

Cs =Vclamp

∆V ∗Rclamp ∗ fs(2.5)

Estipulando-se Vclamp, calcula-se o resistor Rs por meio da equacao 2.1.2. Com o va-

lor da resistencia definido, calcula-se a potencia dissipada no snubber, atraves de 2.1.2.

Por fim, define-se o ripple no capacitor Cs do snubber como sendo 10% de Vclamp, calcu-

lando o valor de sua capacitancia usando 2.1.2. Neste projeto, escolheu-se Vclamp igual a

50V , obtendo os valores para os componentes do snubber dispostos na tabela 2.2. Mais

informacoes sobre dimensionamento de snubber RCD podem ser encontradas em [9].

Rclamp(kΩ) Cclamp(nF ) Pclamp(W )

1.2 470 2.1

Tabela 2.2: Dimensionamento do snubber RCD

Para a capacitancia parasita entre o dreno e a fonte do transistor do primeiro estagio,

utilizou-se o valor de 500pF , determinado pela capacitancia parasita do MOSFET esco-

lhido para analise de perdas no circuito. O modelo de transistor utilizado em simulacao,

corresponde ao MOSFET IRF1010EZ da International Rectifier [10]. Por fim, conforme

[1], utilizou um capacitor de 1.5mF em paralelo com o painel fotovoltaico.

2.1.3 Projeto do segundo estagio (Inversor)

Assim como ocorreu no primeiro estagio, apresentado anteriormente, observa-se algu-

mas diferencas entre o circuito do segundo estagio do conversor, figura 2.2, e o circuito

idealizado apresentado na figura 1.2.



Alem dos pontos de medicao de corrente e tensao, bem como os sinais de comando dos

IGBT’s e a leitura da tensao de rede, observa-se a presenca de resistencia em serie com

o indutor e o capacitor do filtro de saıda. Essas resistencias foram consideradas a fim de

simular as resistencias parasitas dos componentes reais, bem como reduzir as oscilacoes

de cross-over que aparecem quando a corrente de saıda do circuito cruza por zero.

Dadas estas consideracoes, pode-se obter o valor dos elementos do filtro LC. O indutor

Lo foi dimensionado a fim de garantir uma atenuacao mınima de 1% na componente

harmonica referente a frequencia de chaveamento do flyback. O capacitor Co foi escolhido

de forma a melhorar a resposta do sistema, havendo uma relacao de compromisso entre

ripple na corrente de saıda e fator de potencia. Para este projeto, utilizou-se Lo = 1mH

e Co = 1uF .

Uma vez dimensionado o filtro de saıda, basta determinar os valores das resistencias em

serie com seus componentes. Neste projeto, usou-se RL = 0.1Ω, RC = 0.05Ω. Alem disso,

vale ressaltar que o modelo do transformador utilizado em simulacao recebe os parametros

referenciados ao primario, de forma que uma vez dimensionado a indutancia de magneti-

zacao do primario, as indutancias de dispersao e a relacao de espiras do transformador,

os parametros relativos ao secundario do transformador sao calculados automaticamente.

2.1.4 Projeto do controle do conversor

O controle do conversor single flyback pode ser dividido em duas partes: uma respon-

savel pela leitura das medicoes de corrente e tensao geradas pelo painel, a fim de calcular

o MPP e gerar um sinal de referencia para a corrente no primeiro estagio, enquanto a

outra e baseada em uma logica combinacional e um flip-flop D, que efetivamente gera os

sinais de comando para as chaves do circuito. Esta tecnica de controle utilizada se chama

”Controle em modo corrente por valor de pico”. Um diagrama de blocos que representa o

controlador do circuito pode ser visto na figura 2.4.

Os elementos responsaveis por calcular o MPP e gerar a referencia de corrente do

primeiro estagio, encontram-se na figura 2.6. O bloco responsavel pelo MPPT, foi im-



Figura 2.4: Diagrama de blocos do controle do conversor Single Flyback

plementado atraves de um C block, funcionalidade do PSIM que possibilita a criacao de

blocos funcionais programaveis. Neste bloco, foi implementado o MPPT P&O, conforme

o fluxograma apresentado na figura 2.5.

Figura 2.5: Fluxograma MPPT P&O [4]

Basicamente, este metodo de rastreamento funciona realizando pequenas perturbacoes

na variavel de controle, e observando qual o resultado disso no circuito. Por exemplo, em

um determinado momento, o metodo aumenta o sinal de referencia e observa a potencia

fornecida pelo painel. Se esta aumentar, a proxima perturbacao gerada pelo MPPT sera



aumentar novamente o sinal de referencia. Caso contrario, ele diminuira o valor deste

sinal. Apos um determinado numero de perturbacoes, este metodo consegue rastrear o

ponto de maxima potencia do painel para uma dada condicao de operacao, e permanece

gerando sinais de referencia que estarao oscilando em torno deste ponto. Quanto maior

e o valor da perturbacao imposta (delta), mais rapidamente o metodo atraca ao MPP,

porem as oscilacoes em torno do ponto de maxima potencia aumentam.

Figura 2.6: Controle do Single Flyback - Parte 1

O metodo de rastreamento implementado em [4] gera uma tensao de referencia como

saıda, uma vez que trata-se de um estudo de caso de um conversor Boost controlado por

tensao. Para este trabalho, entretanto, implementou-se o MPPT gerando uma corrente

de referencia para o painel, por se tratar de um conversor flyback, que e controlado por

corrente. Sendo assim, uma vez calculado o MPP pelo metodo de rastreamento, gera-

se a corrente Iref*, que e multiplicado em seguida pela forma de onda da tensao da rede

retificada, gerando, o sinal de corrente Iref que sera utilizado na proxima parte do controle

do conversor.

Alem disso, e importante ressaltar que a entrada de clock no bloco de MPPT e fun-

damental para seu correto funcionamento. E necessario definir uma frequencia adequada



Figura 2.7: Controle do Single Flyback - Parte 2

de atualizacao de suas perturbacoes, de forma a respeitar o tempo de resposta da rede

eletrica, uma vez que o circuito opera conectado a ela. Neste trabalho, utilizou-se uma

frequencia de clock de 12Hz para o metodo de rastreamento de maxima potencia, de

forma que uma perturbacao e realizada a cada 5 ciclos completos da rede eletrica.

A segunda parte do controle do single flyback, por sua vez, consiste em um comparador

que verifica se a corrente de magnetizacao do primario do transformador e maior do que

a corrente de referencia, como mostra a figura 2.7. Caso isto seja verdade, o sinal de reset

zera a saıda do flip-flop D, abrindo o transistor do primeiro estagio. Caso contrario, ha um

pulso de clock no flip-flop - frequencia de 20 kHz - que periodicamente liga o transistor.

Aqui pode-se inferir que o correto funcionamento desta parte do controle implica que

o transistor do primeiro estagio sera ligado e desligado uma vez a cada ciclo do clock

associado ao flip-flop.

Alem de gerar o sinal Vsw1, responsavel por chavear o MOSFET do estagio de entrada,

o flip-flop gera o sinal Vs2, que e usado em uma logica combinacional a fim de verificar se



alguma das chaves do segundo estagio deve ser atuada. Como [1] explica, as chaves do

primeiro e do segundo estagio nao devem estar fechadas ao mesmo tempo, sendo necessario

esta logica combinacional adicional para evitar curtos no conversor, e tambem detectar

corretamente o semi-ciclo da rede eletrica.

2.2 Simulacoes

Foram realizadas simulacoes ao longo do perıodo deste trabalho de forma a validar

progressivamente cada etapa do projeto do conversor.

Primeiramente, simulou-se o conversor operando em regime permanente de forma a

garantir que este responde corretamente em condicoes nominais de operacao. Para isso,

foram registradas as formas de onda de entrada e saıda do circuito, a fim de calcular

potencia na entrada e na saıda do conversor. Alem disso, verifica-se se a corrente de

magnetizacao do primario do transformador esta em regime de conducao descontınuo

(modo de operacao normal do flyback do primeiro estagio do conversor).

Em seguida, verifica-se o funcionamento correto do algoritmo de MPPT implementado,

observando se a potencia extraıda do painel atinge o valor final esperado para diferentes

condicoes de irradiacao, e tambem se o conversor e capaz de se atracar e manter-se no

ponto de maxima potencia para cada um dos valores de irradiacao simulados.

Por fim, utiliza-se o Thermal Module do PSIM, que e uma implementacao dos para-

metros termicos dos semicondutores em simulacao. Desta forma, e possıvel simular as

perdas de conducao e chaveamento nos transistores e diodos do conversor.

2.3 Resumo do Capıtulo

Este capıtulo tratou de apresentar as topologias estudadas durante o perıodo deste

trabalho, bem como a metodologia de projeto de um microinversor baseado na topologia

single flyback, abrangendo tanto o dimensionamento dos componentes, quanto a parte

relacionada ao controle do conversor.


Capıtulo 3

Resultados

Este capıtulo contem os resultados obtidos atraves de simulacao no software PSIM.

Primeiro, far-se-a uma analise das formas de onda do circuito do conversor Single Flyback

operando em condicoes nominais, validando o projeto do conversor, bem como a estrategia

de controle adotada. Em seguida, serao apresentados os resultados relativos as perdas de

chaveamento e conducao nos semicondutores do conversor. Por fim,sera apresentada a

curva de rendimento vs iluminancia do conversor projetado, de forma a demonstrar seu

desempenho em diversas condicoes de operacao.

3.1 Simulacao do Conversor Single Flyback

3.1.1 Regime permanente

A figura 3.1 mostra as formas de onda obtidas simulando o conversor operando em

regime permanente, isto e, com valores fixos de tensao e corrente do painel, dados pelo

ponto de maxima potencia na condicao de irradiancia nominal (1000W/m2). Em verme-

lho, na parte de cima, esta a corrente de magnetizacao do primario do transformador. E

importante destacar que esta corrente tem a envoltoria de uma senoide retificada, que e a

forma de onda imposta pelo controle do MOSFET, o que indica o funcionamento correto

do primeiro estagio. Alem disso, a figura 3.2 mostra que o flyback do primeiro estagio


Capıtulo 3 - Resultados 17

opera em modo de conducao descontınuo, o que confirma o dimensionamento correto dos

componentes deste estagio.

Figura 3.1: Formas de onda obtidas para o conversor Single Flyback

Em seguida, na imagem do meio, estao apresentadas as correntes que fluem pelos

transistores do segundo estagio. Em vermelho, esta a corrente que compoe o semi-ciclo

negativo da rede eletrica e flui pelo braco de baixo deste estagio e, em azul, a corrente

que compoe o semi-ciclo positivo da rede, fluindo pelo braco de cima. Nota-se, aqui, que

estas correntes sao pouco maiores do que 2A devido a relacao de transformacao de 1 : 11

em relacao ao primario.

Figura 3.2: Zoom na corrente de magnetizacao do primario

Por fim, observa-se a forma de onda da corrente injetada na rede eletrica, em verde, e

a tensao da rede normalizada em azul. A partir delas, calculou-se a potencia de saıda do

circuito, podendo-se estimar o rendimento do conversor. Alem disso, aferiu-se parametros

de qualidade relativos a corrente injetada na rede eletrica, registrados na tabela 3.1.



THD f.p.

0,1% 0,987

Tabela 3.1: Parametros de qualidade da corrente de saıda.

3.1.2 Simulacao MPPT

Alem das formas de onda em regime permanente apresentadas na secao 3.1.1, faz-se

necessario mostrar o comportamento do conversor quando controlado pelo MPPT, a fim

de verificar seu funcionamento adequado. Desta forma, simulou-se o painel controlado

pelo MPPT em tres situacoes de iluminancia: iluminancia nominal (1000W/m2), media

iluminancia (500W/m2) e baixa iluminancia (200W/m2). As figuras 3.3, 3.4 e 3.5 ilustram

os resultados obtidos.

Figura 3.3: Potencia extraıda do painel para uma irradiancia de 1000W/m2

3.2 Perdas nos Semicondutores

O software PSIM possui um bloco que simula as perdas de conducao e chaveamento

de diodos e transistores, como dito na secao 2.2. Utilizou-se este bloco para avaliar





as perdas apenas na condicao nominal de operacao dos semicondutores, uma vez que

os parametros implementados via software nao sao confiaveis quando a temperatura de

juncao dos componentes e alterada. Dadas estas ressalvas, as perdas obtidas na simulacao

encontram-se na tabela 3.2.

Observa-se que as perdas nas chaves e diodos somam conjuntamente 1, 905W . Alem

disso, de acordo com a tabela 3.3, as perdas no conversor somam um total de 2, 1W . Sendo



assim, as perdas nos semicondutores representam 90, 7% das perdas eletricas do conversor.

E importante lembrar que as perdas nos elementos magneticos nao foram consideradas,

de forma que a eficiencia de um conversor real certamente sera menor do que a estimada

neste trabalho.

Perdas Conducao(W ) Perdas Chaveamento(W )

1,67 0,235

Tabela 3.2: Perdas nos semicondutores do conversor Single Flyback

Pentrada(W ) Psaida(W ) Rend(%)

60,0 57,7 96,2

Tabela 3.3: Resultados da simulacao do conversor Single Flyback

3.3 Curva de rendimento vs irradiancia

Apresenta-se aqui, nesta secao, a curva de rendimento vs irradiancia construıda a partir

da simulacao do conversor. O procedimento de construcao desta curva foi o seguinte:

primeiro, escolheu-se alguns pontos de irradiancia. Em seguida, obteve-se os valores de

tensao e corrente de maxima potencia no painel, alterando para cada ponto a corrente

de referencia gerada pelo controlador. Por fim, simulou-se cada ponto individualmente,

obtendo potencia de entrada e potencia de saıda, sendo possıvel extrair o rendimento do

conversor em cada condicao de operacao.

A figura 3.6 mostra a curva obtida a partir dos pontos de irradiancia simulados. A

partir dela, pode-se fazer algumas analises: a primeira delas e que, para irradiancias

menores do que 100W/m2, a eficiencia do conversor cai significativamente ate o ponto de

sombra total no painel. Sendo assim, esta regiao de operacao e indesejada em um projeto

real. Por outro lado, percebe-se que a partir de 200W/m2, os valores de rendimento

obtidos nao possuem uma grande variabilidade entre si, o que garante uma operacao



0 200 400 600 800 1000 1200

Irradiação (W/m²)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1Rendimento do Conversor vs Irradiação

Dados

Dados interpolados

Figura 3.6: Curva de rendimento vs irradiancia para o conversor Single Flyback

do conversor com a mesma eficiencia para uma ampla faixa de irradiancia, sendo uma

vantagem desta topologia estudada. Sendo assim, pode-se afirmar que o conversor Single

Flyback projetado neste trabalho possui uma faixa de operacao ideal de 200W/m2 a

1200W/m2.

3.4 Resumo do Capıtulo

Este capıtulo tratou de apresentar os resultados obtidos atraves da simulacao do con-

versor Single Flyback. Foram apresentadas algumas formas de onda caracterısticas de

operacao do conversor, seu comportamento dinamico para alguns valores de irradiancia,

as perdas nos semicondutores e uma curva de rendimento vs iluminancia. Todos esses

resultados ajudam a compreender melhor o funcionamento desta topologia, bem como

validar o dimensionamento dos componentes, bem como o metodo de controle implemen-

tado.


Capıtulo 4

Conclusoes

4.1 Consideracoes Finais

Neste trabalho, estudou-se uma topologia de microinversor aplicado a um pequeno

sistema de geracao fotovoltaica - 60W de potencia nominal. Foi desenvolvida uma meto-

dologia de calculo e especificacao dos componentes utilizados, bem como a descricao do

esquema de controle utilizado no conversor.

A fim de validar o projeto do circuito, elaborou-se simulacoes para testa-lo em diferen-

tes condicoes de operacao, principalmente relativas a variacao da irradiancia do meio em

que o painel esta inserido. Alem disso, estimou-se tambem as perdas nos semicondutores

do circuito, bem como fatores de qualidade associados a corrente de saıda fornecida pelo

inversor, como fator de potencia e distorcao harmonica total.

Por fim, foi possıvel determinar o rendimento do conversor em diversas condicoes de

irradiancia do ambiente em que o painel esta inserido, concluindo-se que o circuito pro-

jetado apresenta alto rendimento (>92%) para uma grande faixa de nıveis de irradiancia

(200W/m2 a 1200W/m2).


Capıtulo 4 - Conclusoes 23

4.2 Propostas de Continuidade

Primeiramente, como proposta de continuidade para este trabalho, propoe-se obter o

perfil de producao de energia do sistema projetado atraves de curvas de irradiacao reais,

a fim de obter uma estimativa do rendimento medio do conversor.

Propoe-se, tambem, o projeto de outras topologias de microinversores, a fim de realizar

uma analise comparativa com a topologia Single Flyback abordada neste texto. Pode ser

realizado, para este fim, o projeto de um conversor ressonante LLC, por exemplo.

Alem disso, neste trabalho, foram desconsideradas as perdas magneticas na analise

feita, uma vez que o software utilizado para simulacao nao dispoe de ferramentas para

determinar este parametro. Sendo assim, propoe-se um trabalho futuro para realizar

um estudo mais aprofundado acerca das perdas associadas ao nucleo do transformador

utilizado no circuito do Single Flyback.

Por fim, propoe-se a construcao fısica do circuito para realizacao de testes reais. Sera

necessario, tambem, projetar em nıvel de hardware o circuito do controlador.


Referencias Bibliograficas

[1] N. Kasa, T. Iida, and Liang Chen, “Flyback inverter controlled by sensorless current

mppt for photovoltaic power system,” IEEE Transactions on Industrial Electronics,

vol. 52, pp. 1145–1152, Aug 2005.

[2] H. Chiu, Y. Lo, C. Yang, S. Cheng, C. Huang, C. Chuang, M. Kuo, Y. Huang,

Y. Jean, and Y. Huang, “A module-integrated isolated solar microinverter,” IEEE

Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, pp. 781–788, Feb 2013.

[3] L. Chen, A. Amirahmadi, Q. Zhang, N. Kutkut, and I. Batarseh, “Design and im-

plementation of three-phase two-stage grid-connected module integrated converter,”

IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, pp. 3881–3892, Aug 2014.

[4] R. R. Spaduto and L. Freitas, “Estudo de tecnicas de mppt em sistemas fotovoltaicos,”

in Conferencia de Estudo em Engenharia Eletrica, XI. Uberlandia, 2013.

[5] “Technology roadmaps - international energy agency.”

[6] M. Premkumar, K. Karthick, and R. Sowmya, “A review on solar pv based grid

connected microinverter control schemes and topologies,” International Journal of

Renewable Energy Development, vol. 7, p. 171, 07 2018. Copyright - c© 2018.

This work is published under http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ (the “Li-

cense”). Notwithstanding the ProQuest Terms and Conditions, you may use this

content in accordance with the terms of the License; Ultima atualizacao em - 2018-

12-26.


REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[7] “O sistema em numeros - ons.”

[8] R. Hasan, S. Mekhilef, M. Seyedmahmoudian, and B. Horan, “Grid-connected isola-

ted pv microinverters: A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 67,

pp. 1065 – 1080, 2017.

[9] F. S. AN4147, “Design guidelines for rcd snubber of flyback converters.”

[10] “Datasheet mosfet irf1010ez - international rectifier.”

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projeto de um microinversor para pain eis ... -...

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