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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

SIMULAÇÃO E ANÁLISE DAS PRINCIPAIS TÉCNICAS DE MPPT

APLICADAS A PAINÉIS FOTOVOLTAICOS

Bruno Rodrigues Alves

Itajubá, outubro de 2017

UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

Bruno Rodrigues Alves

SIMULAÇÃO E ANÁLISE DAS PRINCIPAIS TÉCNICAS DE MPPT

APLICADAS A PAINÉIS FOTOVOLTAICOS

Monografia apresentada ao Instituto de

Sistemas Elétricos e Energia, da

Universidade Federal de Itajubá, como parte

dos requisitos para obtenção do título de

Engenheiro Eletricista.

Orientador: Rafael Di Lorenzo Corrêa

Coorientador: Robson Bauwelz Gonzatti

Itajubá, outubro de 2017


iii

Resumo

Este trabalho dedica-se a analisar as principais técnicas de otimização de geração de potência

aplicadas a painéis fotovoltaicos. Mostra como a geração fotovoltaica ganha destaque como

fonte de energia alternativa limpa e renovável. Apresenta-se o histórico do desenvolvimento

científico do tema e faz-se uma análise física do efeito fotovoltaico e das características de uma

célula fotovoltaica, mostrando sua curva característica, o ponto de máxima geração de potência

(MPP), os limites naturais de sua eficiência, e a influência de fatores externos na capacidade de

geração. Apresenta-se o circuito equivalente de um painel fotovoltaico e suas equações

matemáticas, seguido de uma análise de sete técnicnas de MPPT, das quais 3 foram simuladas

e analisadas no trabalho. Na sequência, foram realizadas simulações computacionais dos

métodos Perturbe & Observe, Condutância Incremental e Método Beta, utilizando-se o

Simulink® (Matlab), verificando os resultados de cada método e comparndo-os com relação a

vantagens e desvantagens em termos de eficiência e facilidade de aplicação.

Palavras chave: Otimização de painéis fotovoltaicos, técnicas de MPPT, simulações computacionais,

Simulink®.


iv

Abstract

This work is dedicated to analyze the main techniques of power generation optimization applied

to photovoltaic panels. It shows how photovoltaic generation is highlighted as a clean and

renewable alternative energy source. It presents the history of the scientific development of the

subject and makes a physical analysis of the photovoltaic effect and characteristics of a

photovoltaic cell, showing its characteristic curve, the point of maximum power generation

(MPP), the natural limits of its efficiency , and the influence of external factors on generation

capacity. It presents the equivalent circuit of a photovoltaic panel and its mathematical

equations, followed by an analysis of seven MPPT techniques, of which three were simulated

and analyzed in the work. Following, computational simulations of the methods Perturbe &

Observe, Incremental Conductance and Beta Method were performed, using Simulink®

(Matlab), checking the results of each method and comparing them with respect to advantages

and disadvantages in terms of efficiency and ease of application.

Key words: Optimization of photovoltaic panels, MPPT techniques, computational

simulations, Simulink®.


v

Lista de Figuras

Figura 1 – Evolução do consumo mundial de energia................................................................ 9

Figura 2 – Princípio da conversão fotovoltaica numa junção p-n ............................................ 13

Figura 3 – Característica de uma célula fotovoltaica ............................................................... 14

Figura 4 – Característica tensão-corrente de uma célula fotovoltaica ...................................... 15

Figura 5 – Caracterísitica tensão-corrente para variação de irradiância ................................... 17

Figura 6 – Característica tensão-corrente para variação de temperatura .................................. 17

Figura 7 – Circuito equivalente de um painel fotovoltaico ...................................................... 18

Figura 8 – Inversor em Ponte H (Ponte Completa) básico ....................................................... 21

Figura 9 – Característica de potência do painel PV para diferentes níveis de radiação ........... 23

Figura 10 – Característica de potência do painel PV para diferentes níveis de temperatura ... 23

Figura 11 – Fluxograma do Algoritmo P&O............................................................................ 25

Figura 12 – Fluxograma do Método IC .................................................................................... 27

Figura 13 – Fluxograma do Método Beta ................................................................................. 29

Figura 14 – Exemplo de diagrama de painel PV de alta potência no Simulink® .................... 32

Figura 15 – Detalhes do controle do inversor, técnica P&O .................................................... 33

Figura 16 – Entrada do Painel PV, Simulação 1 ...................................................................... 35

Figura 17 – Saída do painel PV, método P&O, Simulação 1 ................................................... 36

Figura 18 – Corrente e Tensão na Rede, Método P&O, Simulação 1 ...................................... 37

Figura 19 – Tensão de referência Vdc_ref e tensão medida no link DC Vdc_meas ........................ 37

Figura 20- Saída do painel PV, método IC ............................................................................... 38

Figura 21 – Saída do painel PV, método Beta .......................................................................... 39




vi

Figura 24 – Saída do painel PV, método IC, Simulação 2 ....................................................... 42

Figura 25 – Saída do painel PV, método Beta, Simulação 2 .................................................... 43


















vii

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Caracaterísticas de um módulo PV utilizado nas simulações 33

Tabela 2 – Parâmetros do Método Beta utilizados nas simulações 34

Tabela 3 – Consolidação da potência alcançada em cada método 60


viii

Sumário

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 9

1.1 Breve histórico ........................................................................................................ 10

2 O EFEITO FOTOVOLTAICO ..................................................................................... 12

2.1 Características de uma célula fotovoltaica ........................................................... 13

3 MODELAGEM DO PAINEL PV ................................................................................. 18

4 CONVERSORES FOTOVOLTAICOS ....................................................................... 20

4.1 Topologia do Inversor em Ponte H ....................................................................... 20

5 PRINCIPAIS TÉCNICAS DE MPPT .......................................................................... 22

5.1 Tensão Constante (CV – Constant Voltage) ........................................................ 22

5.2 Caracterização do Maximum Power Point Locus (MPP Locus) ....................... 24

5.3 Perturbe & Observe (P&O) ................................................................................... 24

5.4 Condutância Incremental (IC – Incremental Conductance) .............................. 26

5.5 Método Beta ............................................................................................................ 28

5.6 Oscilação do Sistema e Correlação de Ripple ...................................................... 30

5.7 Método da Temperatura ........................................................................................ 30

6 MODELAGENS E SIMULAÇÕES .............................................................................. 32

6.1 Metodologia ............................................................................................................. 32

6.2 Resultados ............................................................................................................... 34

6.3 Consolidação dos Resultados ................................................................................. 60

7 CONCLUSÃO ................................................................................................................. 61

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 63

APÊNDICE - LÓGICA MPPT ............................................................................................. 64


9

1 Introdução

Um dos maiores desafios da atualidade, para o setor energético, é referente à capacidade

de gerar energia de forma eficiente, sem causar impactos sobre o meio ambiente. Devido à

crescente demanda por conforto, maior mobilidade e crescimento populacional, o consumo de

energia cresceu estrondosamente nos últimos 150 anos (KRAUTER, 2006). A evolução do

consumo pode ser observado na Figura 1.

Figura 1 – Evolução do consumo mundial de energia

Fonte: KRAUTER, 2006, p. 1.

O homem conseguiu, através da utilização de combustíveis fósseis, como petróleo,

carvão e gás, construir e desenvolver a civilização atual. No entanto, as emissões de dióxido de

carbono gerados na queima desses combustíveis impedem a troca de calor entre a superfície da

Terra e o espaço, causando impactos globais no clima. Além disso, surge nos últimos anos uma

preocupação com a oferta dos combustíveis convencionais. Nesse contexto, iniciou-se a

pesquisa por fontes de energia alternativa que causassem menor impacto ambiental e que

fossem renováveis. Devido à radiação solar ser a fonte de energia primária do nosso planeta, ao

fato de a incidência dessa energia ser altíssima (na obra de Krauter (2006), estima-se que seja


10

14 mil vezes maior que o consumo mundial) e por se tratar de uma fonte limpa e renovável, a

energia fotovoltaica ganha destaque em seus estudos e desenvolvimento.

Apesar de todas as vantagens apresentadas pela geração de energia através de células

fotovoltaicas, a eficiência da conversão de energia ainda é baixa e o custo inicial para a sua

aplicação ainda é considerado elevado; assim, torna-se necessário o uso de técnicas para extrair

a máxima potência desses painéis, a fim de atingir o máximo de eficiência na operação. O

presente estudo apresenta as principais técnicas de MPPT (Maximum Power Point Tracking)

aplicadas a painéis fotovoltaicos e realiza uma análise, através de simulações computacionais,

das vantagens e desvantagens de cada método em termos de eficiência e facilidade de aplicação.

A seção 1.1 dá um breve histórico de como foi descoberta a geração fotovoltaica e

aponta como foram os desdobramentos até a criação dos primeiros transistores. O capítulo 2

inicia uma explicação sucinta do efeito fotovoltaico, e mostra como ele pode ser utilizado na

geração de energia elétrica. No capítulo 3 é feita a análise das características físicas da célula

voltaica de silício, os fatores que influenciam na potência máxima de geração, como irradiância

e temperatura, e as limitações de efiência máxima inerentes ao dispositivo. Na sequência, no

capítulo 4 é mostrado como é realizada a modelagem de um painel fotovoltaico, com seu

circuito elétrico equivalente e as equações matemáticas decorrentes da modelagem. No capítulo

5 faz-se uma discussão sobre os principais métodos de MPPT utilizados e seus princípios

lógicos.

1.1 Breve histórico

Energia fotovoltaica é a conversão direta de radiação solar em eletricidade. Enquanto a

eletricidade está sendo cada vez mais utilizada como forma de energia, a energia fotovoltaica

ganha destaque no campo das energias renováveis. A tecnologia dos painéis fotovoltaicos (PV)

é modular (ou seja, pode ser expandido), tem longa vida útil, é silencioso e livre de emissões

durante o uso. Existe um potencial considerável de redução nos custos devido à conhecida

tecnologia dos semicondutores, além dos processos de produção atuais que desenvolvem

formas mais eficientes e baratas de produção em massa.

As células solares têm sua origem a partir do desenvolvimento científico ocorrido no

século XX, combinando o trabalho vencedor do prêmio Nobel e o trabalho de diversos cientistas

notáveis daquele século. O cientista alemão Max Planck, na tentativa de explicar a natureza da

luz emitida por corpos quentes, propôs que a energia estaria restrita a níveis discretos, de modo

a manter a correspondência entre a teoria e as observações experimentais. Albert Einstein


11

postulou que a luz seria feita de pequenas partículas, mais tarde denomida “fótons”, cada qual

com uma quantidade de energia, a depender da cor do fóton. Fótons azuis têm aproximadamente

o dobro de energia dos fótons vermelhos. Fótons infravermelhos têm menos energia que a luz

visível, enquanto fótons ultravioletas têm mais. A sugestão de Einstein levou ao

desenvolvimento e formulação da equação de onda de Erwin Schrödinger em 1926. Charles

Thomson Rees Wilson resolveu a equação para materiais sólidos em 1930, permitindo explicar

a diferença entre metais, bons condutores de eletricidade e isolantes. Os elétrons, carregadores

de carga elétrica, são livres para se movimentar nos metais, permitindo que o fluxo de corrente

se inicie prontamente. Nos isolantes, os elétrons estão presos nas ligações, mantendo os átomos

do isolante unidos. Eles precisam de um impulso de energia para se libertarem das ligações e

então tornarem móveis. Algo semelhante ocorre com os semicondutores, exceto pelo fato de

precisarem de um impulso menor – até mesmo um fóton vermelho tem energia suficiente para

libertar um elétron no semicondutor silício. Russell Ohl descobriu a primeira célula solar (ou

célula fotovoltaica) de silício por acidente, em 1940, ao ser surpreendido com o aparecimento

de uma tensão elétrica em uma barra (a qual pensava que era apenas de silício) após emitir um

flash de luz sobre a mesma. Uma investigação mais profunda mostrou que uma pequena

concentração de impurezas estava dando ao silício propriedade apelidada de “negativa” (tipo-

n). Atualmente esta propriedade é atribuída ao excesso de elétrons móveis. Outras regiões têm

propriedade “positiva” (tipo-p), hoje atribuída à deficiência de elétrons, causando um efeito

similar a um excesso de cargas positivas. Em 1949, William Shockley trabalhou na teoria dos

dispositivos formados pela junção entre regiões do tipo “positiva” e “negativa” (junções p-n) e

usou essa teoria para projetar os primeiros transistores práticos. A revolução dos

semicondutores nos anos 50 resultou na primeira célula solar eficiente em 1954 (KRAUTER,

2006).


12

2 O efeito fotovoltaico

Uma célular solar é um diodo semicondutor de grande área. Consiste em uma junção p-

n criada por uma adição de impurezas (dopagem) no cristal do semicondutor (que consiste em

quatro ligações covalentes aos átomos vizinhos para as células solares de silício). Se as

impurezas são átomos de fósforo, que têm cinco elétrons externos, apenas quatro elétrons são

necessários para ajustar o átomo na estrutura de cristal de silício, o quinto elétron é móvel e

livre. Assim, nesta região do cristal há uma maioria de cargas negativas livres, portanto, é

chamada de região n. De modo análogo, para a região p a dopagem do cristal é realizada com

um elemento que possui três elétrons externos (o boro, nesse caso); assim, um elétron está

sempre faltando para uma estabilidade completa na estrutura cristalina. Este elétron poderia ser

"emprestado" de átomos vizinhos, então o lugar do elétron em falta é deslocado. Esse elétron

perdido também poderia ser visto como uma "lacuna" com uma carga positiva que é móvel. Há

muito mais lacunas livres do que elétrons livres na região p, então os elétrons são chamados

portadores de carga minoritários nessa região.

Devido às diferenças de concentração na fronteira entre as duas regiões, os elétrons

difundem-se nas regiões p e as lacunas difundem-se nas regiões n. Portanto surge um campo

elétrico na junção elétrica neutra: é a formação da região de depleção. Ela aumenta até que a

difusão de portadores seja evitada pelo campo elétrico criado por ela mesma. A luz (ou radiação

do sol) que incide sobre o semicondutor gera pares de elétrons-lacunas, causando um aumento

na concentração dos portadores de carga minoritária em várias ordens de grandeza. Estes

carregadores de carga difundem para a zona de depleção e são divididos pelo seu campo elétrico

(KRAUTER, 2006). Entre os contactos do lado n e do lado p, pode ser detectada uma tensão

V, tal como ilustrado na Figura 2 a seguir. Quando uma resistência de carga R é aplicada, uma

corrente I flui através dela e a energia elétrica é dissipada.


13

Figura 2 – Princípio da conversão fotovoltaica numa junção p-n

Fonte: Adaptado de KRAUTER, 2006, p. 22.

2.1 Características de uma célula fotovoltaica

A característica de uma célula solar sem qualquer irradiância (característica escura) é

idêntica à de um diodo. Quando a luz incide sobre a célula, esta característica desloca-se pela

quantidade de fotocorrente Iphot na direção de bloqueio (característica iluminada). Esta

característica é determinada conectando um resistor de carga variável e traçando as correntes e

tensões resultantes em cargas diferentes (KRAUTER, 2006). A curva característica da célula

solar é ilustrada na Figura 3.


14

Figura 3 – Característica de uma célula fotovoltaica


A corrente de curto-circuito Isc é uma das principais características de uma célula solar

(KRAUTER, 2006). Ocorre em uma célula solar iluminada, em curto-circuito. A tensão de

circuito aberto Voc descreve a tensão entre os contatos quando não há corrente (circuito aberto).

A potência teoricamente atingível (ótima) que poderia ser retirada do terminal, Popt, é o produto

da corrente de curto-circuito Isc e da tensão em circuito aberto Voc. Porém, a potência máxima

atingível na prática, Pmax, é definida como o maior valor possível dos produtos de V e I em um

dado ponto de operação.

𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝑀𝑃𝑃 = 𝑉𝑀𝑃𝑃 ∙ 𝐼𝑀𝑃𝑃 (1)

O chamado Ponto de Máxima Potência (em inglês, Maximum Power Point) é dado pelo

produto de VMPP pela IMPP. A razão Pmax por Popt é chamado de fator de forma ou fator de

preenchimento (FF). A Figura 4 ilustra a característica tensão-corrente de uma célula de silício,

suas grandezas mais relevantes e o MPP.


15

Figura 4 – Característica tensão-corrente de uma célula fotovoltaica


A eficiência da conversão fotovoltaica, ηPV, é definida pela razão da potência de saída

elétrica pela potência irradiada na célula solar. O fator ηPV depende da irradiância e do espectro.

A eficiência de conversão é determinada em condições de ensaio normalizadas: uma irradiância

de 1000 W/m² perpendicular à superfície frontal, a uma temperatura de 25 °C e uma distribuição

espectral de acordo com a irradiação solar que passa num ângulo de elevação de 41,8° através

da atmosfera (KRAUTER, 2006). Por razões físicas, a eficiência da conversão fotovoltaica tem

um limite superior teórico. Isto representa aproximadamente 28% para o silício cristalino

(KRAUTER, 2006) e tem três causas principais:

1. O coeficiente de absorção (de fóton) do silício ser relativamente baixo;

2. O gap de banda de energia do silício é de 1,1 eV. Os fótons com menor energia não

são absorvidos e os de maior energia transfere o excedente para outros fótons através de calor;

3. A tensão máxima (tensão de circuito aberto) depende da diferença de potencial dada

pela junção p-n, e é de aproximadamente 0,7 V para o silício.

Esta máxima eficiência de conversão teórica é reduzida na prática devido a diferentes

mecanismos de perda:


16

a. Perdas ópticas, como perdas de reflexão e sombreamento causadas pelos contatos

frontais e também perdas por irradiância não absorvida (transmitida);

b. Perdas ohmicas de resistências em série (dos contatos e resistência de chapa) e por

resistências parasitas paralelas;

c. Perdas por recombinação.

Enquanto a energia dos fótons aumenta com sua frequência (de acordo com a lei de Max

Planck), cada um geralmente cria um par de elétron-lacuna apenas com um potencial de energia

constante. Portanto, a eficiência espectral, definida pela saída de energia elétrica em relação à

energia irradiada, diminui à medida que a frequência da onda se torna maior. A eficiência

espectral é melhor quando a quantidade de energia do fóton de entrada é suficiente apenas para

criar um par de elétron-lacuna. Se a energia do fóton não é suficiente para criar um par elétron-

lacuna, o efeito fotovoltaico é nulo; isso acontece em comprimentos de onda maiores que 1.100

nm para células de silício. Devido a impurezas no cristal de silício a característica espectral real

é um pouco diferente do ideal descrito acima, por isso tem de ser medido (KRAUTER, 2006).

As características elétricas de um módulo fotovoltaico são indicadas por algumas

características de tensão e corrente. A influência da irradiância e da temperatura na

característica da célula pode ser observada nos gráficos das Figura 5 e Figura 6,

respectivamente.

Pode-se observar que, para uma mesma temperatura, quanto maior a irradiância, maior

a potência gerada. Por outro lado, para um mesmo nível de irradiância, acréscimos na

temperatura causam diminuição na capacidade de geração de potência.


17

Figura 5 – Caracterísitica tensão-corrente para variação de irradiância


Figura 6 – Característica tensão-corrente para variação de temperatura



18

3 Modelagem do painel PV

O circuito equivalente mais simples de um painel PV é representado por uma fonte de

corrente em antiparalelo com um diodo. As não-idealidades são representadas pela inserção das

resistências Rs (série) e Rsh (paralelo). Este circuito é mostrado na Figura 7.

Figura 7 – Circuito equivalente de um painel fotovoltaico

Fonte: Adaptado da página do PV Performance – Modeling Collaborative1

O modelo de simulação do painel PV é baseado na corrente de saída de um modelo de

painel PV equivalente. Sua equação matemática é representada (DE BRITO et al., 2013) por:

𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑟 ∙ [𝑒𝑞(𝑉+𝐼∙𝑅𝑠 )

𝜂∙𝜅∙𝑇 − 1] −𝑉+𝐼∙𝑅𝑠

𝑅𝑠ℎ (2)

Onde V representa a tensão fotovoltaica de saída, Iph é a fotocorrente (photocurrent), Ir

é a corrente de saturação, q é a carga elétrica elementar (1,6 ×10-19 C), η é o fator de qualidade

da junção p-n, κ é a constante de Boltzmann (1,38 × 10-23 J/K) e T é a temperatura em kelvin.

A equação (2) pode ser modificada a fim de apresentar uma raiz nula quando a corrente

I se aproxima da corrente PV real. Então, (2) se torna (3) (DE BRITO et al., 2013) como função

de sua própria corrente PV.

𝑓(𝐼) = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼 − 𝐼𝑟 ∙ [𝑒𝑞(𝑉+𝐼∙𝑅𝑠)

𝜂∙𝜅∙𝑇 − 1] −𝑉+𝐼∙𝑅𝑠

𝑅𝑠ℎ (3)

1 Disponível em: <https://pvpmc.sandia.gov/modeling-steps/2-dc-module-iv/diode-equivalent-circuit-models>


19

A corrente I, com valor inicial nulo, é utilizada em um processo iterativo que aproxima

(3) de sua raiz, sendo obtida pelo método de Newton-Rhapson (4), que busca o zero de uma

função diferenciável.

𝑥𝑛+1 = 𝑥𝑛 −𝑓(𝑥𝑛)

𝑓′(𝑥𝑛) (4)

Assim, a derivada de (3) é dada (DE BRITO et al., 2013) por:

𝑓′(𝐼) = −1 − 𝐼𝑟 ∙ [𝑒𝑞(𝑉+𝐼∙𝑅𝑠 )

𝜂∙𝜅∙𝑇⁄]

𝑞∙𝑅𝑠

𝜂∙𝜅∙𝑇−

𝑅𝑠

𝑅𝑠ℎ (5)


20

4 Conversores fotovoltaicos

O inversor fotovoltaico é o elemento chave para sistemas de potência fotovoltaicos

conectados à rede (TEODORESCU; LISERRE; RODRÍGUEZ, 2011). Sua função é converter

a potência DC gerada pelo painel fotovoltaico em potência AC sincronizada com a rede.

As primeiras plantas fotovoltaicas ligadas à rede foram introduzidas nos anos 80 com

os inversores baseados em tiristores. Desde meados da década de 90, a tecnologia IGBT e

MOSFET tem sido amplamente utilizada para todos os tipos de inversores fotovoltaicos, exceto

os módulos integrados, onde a tecnologia MOSFET está dominando (TEODORESCU;

LISERRE; RODRÍGUEZ, 2011).

Atualmente existem muitos fabricantes de inversores fotovoltaicos no mercado, como a

SMA, a Sunways, a Conergy, a Ingeteam, a Danfoss Solar, a Refu, etc., oferecendo uma vasta

gama de inversores fotovoltaicos, sem necessidade de transformador, com alta eficiência (>

97%) e eficiência máxima de até 98%.

O desenvolvimento da topologia para os inversores fotovoltaicos sem transformador

tomou o ponto de partida em duas famílias de conversores há muito tempo utilizados: Ponte H

e NPC (Neutral Point Clamped).

4.1 Topologia do Inversor em Ponte H

A família de conversores em Ponte H (ou Ponte Completa), desenvolvida pela primeira

vez por W. Mcmurray em 1965 (TEODORESCU; LISERRE; RODRÍGUEZ, 2011), tem sido

uma referência importante no desenvolvimento de tecnologia de conversores eletrônicos de

potência, visto que foi a primeira estrutura capaz de utilizar os tiristores, com sua característica

de ter o disparo controlado. A Figura 8 apresenta o esquema de um inversor em Ponte H.


21

Figura 8 – Inversor em Ponte H (Ponte Completa) básico

Fonte: TEODORESCU; LISERRE; RODRÍGUEZ, 2011, p. 7.

Com o inversor em Ponte Completa, três modulações podem ser usadas:

a. Modulação Bipolar;

b. Modulação Unipolar;

c. Modulação Híbrida.

A análise das modulações de outras topologias será realizada ao longo do trabalho.


22

5 Principais técnicas de MPPT

Neste ponto do texto incia-se a análise das principais técnicas de Maximum Power Point

Tracking (MPPT) utilizadas em conversores para encontrar o Ponto de Máxima Potência

(MPP). Os métodos que serão analisados são:

1. Tensão Constante (CV – Constant Voltage);

2. Caracterização do Maximum Power Point Locus (MPP Locus);

3. Perturbe & Observe (P&O);

4. Condutância Incremental (IC – Incremental Conductance);

5. Método Beta;

6. Oscilação do Sistema e Correlação de Ripple;

7. Método da Temperatura.

Dentre estes, serão simulados e analisados os métodos 3, 4 e 5, respectivamente P&O,

IC e Beta. Os resultados serão apresentados no capítulo 6.

5.1 Tensão Constante (CV – Constant Voltage)

O método de tensão constante (CV – constant voltage) usa resultados empíricos,

indicando que a tensão no MPP (VMPP) está em torno de 70-80% da tensão de circuito aberto

do painel PV (VOC – open circuit), para a condição atmosférica padrão. Entre os pontos de MPP

(variando as condições atmosféricas), a tensão nos terminais do módulo varia muito pouco,

mesmo quando a intensidade da radiação solar se altera; porém, ao se alterar a temperatura,

verifica-se uma variação na tensão do MPP (DE BRITO et al., 2013). Estes efeitos podem ser

observados nas Figura 9 e Figura 10.


23

Figura 9 – Característica de potência do painel PV para diferentes níveis de radiação

Fonte: DE BRITO et al., 2013, p. 1157.

Figura 10 – Característica de potência do painel PV para diferentes níveis de

temperatura

Fonte: DE BRITO et al., 2013, p. 1157.

Deste modo, esta técnica deve ser usada em regiões onde a temperatura varia muito

pouco (DE BRITO et al., 2013). Um ponto positivo é que só é necessário medir a tensão do

painel PV, e um simples loop de controle pode alcançar o MPP.


24

5.2 Caracterização do Maximum Power Point Locus (MPP Locus)

A ideia básica deste método é encontrar uma relação linear entre a tensão e a corrente

no MPP (MPP locus). Esta relação é a linha tangente à curva MPP locus para a corrente do

painel PV no qual a condição de radiação mínima satisfaz a sensibilidade do método. A equação

(6) é a que guia este método. Como pode-se observar, é difícil obter todos os parâmetros

necessários, e uma aproximação linear é feita off-line com o painel PV, transladando para um

método estimativo. Como o MPP locus varia com a temperatura, o modelo precisa ser

atualizado. Isto é feito medindo a tensão de circuito aberto periodicamente, o que significa que

o conversor deve abrir o circuito fotovoltaico, resultando numa perda de potência nestes

instantes. Este método MPPT funciona melhor com alta radiação solar (DE BRITO et al., 2013).

𝑇𝐿 = ((𝜂 ∙ 𝑉𝑇)/𝐼𝑀𝑃𝑃 − 𝑁 ∙ 𝑅𝑠 ) ∙ 𝐼𝑀𝑃𝑃 + {𝑉𝑜𝑐 − 𝜂 ∙ [𝑉 ∙ 𝐷𝑜 + 𝑉𝑇 ]} (6)

Onde 𝑁 é o número de células, 𝐼𝑀𝑃𝑃 é a corrente no MPP, 𝑉𝑇 é a tensão térmica, e 𝑉 ∙

𝐷𝑜 é a tensão diferencial.

5.3 Perturbe & Observe (P&O)

O método P&O opera incrementando ou decrementando periodicamente a tensão de

saída terminal da célula PV e comparando a potência obtida no ciclo atual com a potência de

um ciclo anterior. Se a tensão aumenta e a potência aumenta, o sistema de controle muda o

ponto de operação naquela direção; caso contrário, muda-se o ponto de operação na direção

oposta. Uma vez que a direção para a mudança da tensão é conhecida, a mesma é variada numa

taxa constante. A Figura 11 ilustra este método.


25

Figura 11 – Fluxograma do Algoritmo P&O

A taxa de variação da tensão é um parâmetro que deve ser ajustado para permitir o

equilíbrio entre uma resposta mais rápida e uma menor flutuação em regime permanente.

Uma versão modificada é obtida quando os passos são mudados de acordo com a

distância do MPP, resultando numa maior eficiência. Este é um excelente método para alcançar

o MPP, e é independente do fabricante do painel PV; entretanto, pode sofrer com rápidas

mudanças nas condições ambiente (DE BRITO et al., 2013). A equação (7) representa este

método:

𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 (𝑑𝑃/𝑑𝑉 ) × (−𝑘𝑟) = 𝑑 (7)

Onde 𝑑𝑃/𝑑𝑉 representa a derivada de 𝑃 em relação a 𝑉, 𝑘𝑟 é uma constante e 𝑑 é o

ciclo de trabalho.


26

Melhorias podem ser obtidas através de um controlador digital, transformando o P&O

convencional numa solução adaptativa uma vez que o tamanho do passo varia de acordo com a

distância do MPP. Em regime permanente, o ponto de operação não é alterado, a não ser que

mudanças na condição ambiental aconteçam. A ideia chave é reduzir o dP/dV a zero usando

um controle de loop fechado realizando o P&O baseado em PI.

5.4 Condutância Incremental (IC – Incremental Conductance)

O método IC é baseado no fato de que inclinação de potência do painel PV, na relação

potência versus tensão, é nula no MPP (𝑑𝑃/𝑑𝑉 = 0), positiva à esquerda e negativa à direita,

como mostrado na Figura 10. Assim, devido a esta condição, o MPP pode ser encontrado em

termos de incremento na matriz de condutância. Usando a equação (8), é possível encontrar as

condições IC apresentadas por (9)

𝑑𝑝

𝑑𝑣=

𝑑(𝑣×𝑖)

𝑑𝑣= 𝑖 + 𝑣

𝑑𝑖

𝑑𝑣= 0 (8)

𝛥𝑖

𝛥𝑣= −

𝑖

𝑣 (a)

𝛥𝑖

𝛥𝑣> −

𝑖

𝑣 (b) (9)

𝛥𝑖

𝛥𝑣< −

𝑖

𝑣 (c)

Onde (a) representa a condição no MPP, (b) representa a condição à esquerda do MPP

e (c) representa a condição à direita do MPP. A Figura 12 demonstra o procedimento.


27

Figura 12 – Fluxograma do Método IC


28

5.5 Método Beta

O Método Beta é a aproximação do ponto de máxima potência através da equação de

uma variável intermediária β, como dado na Equação 10.

𝛽 = 𝑙𝑛 (𝐼𝑃𝑉/𝑉𝑃𝑉 ) − 𝑐 × 𝑉𝑃𝑉 (10)

onde 𝑐 = 𝑞/(𝜂 ∙ 𝐾𝐵 ∙ 𝑇 ∙ 𝑁𝑠) , conhecido como constante do diodo, é um fator que depende da

carga do elétron 𝑞, o fator de idealidade do diodo 𝜂, a constante de Boltzmann 𝐾𝐵, temperatura

𝑇 e a quantidade de células PV em série 𝑁𝑠 (LI; WEN; ZHAO, 2015).

Conforme a condição de operação muda, o valor de 𝛽 no ponto ótimo apresenta pouca

variação, permanecendo dentro de um range, determinado por um 𝛽𝑚𝑖𝑛 e um 𝛽𝑚𝑎𝑥. Assim, 𝛽

pode ser continuamente calculado usando a tensão e corrente do painel. Se 𝛽 está fora do range,

o que significa que o ponto de operação está longe do MPP, é calculado um valor de erro através

da diferença entre um 𝛽𝑔de referência e 𝛽. Então é calculado o novo ciclo de trabalho (duty

cycle) com variação proporcional a esse erro, conforme a Equação 11 (JAIN; AGARWAL,

2004). Se 𝛽 está dentro do range, o que significa que o ponto do operação está próximo do

MPP, é implementado outro método convencional para a determinação do novo duty cycle, a

fim de aumentar a precisão e reduzir a complexidade do método (LI; WEN; ZHAO, 2015).

𝑑𝑛𝑜𝑣𝑜 = 𝑑𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 + (𝛽𝑔 − 𝛽) × 𝑘 (11)

Assim, pode-se concluir que este método é uma tentativa de obter respostas mais rápidas

quando o ponto de operação se distancia muito do ponto ótimo (MPP). Quando o ponto de

operação volta a ficar próximo do MPP, o método utiliza outra técnica convencional de MPPT.

Neste método, para uma performance ótima, é obrigatório conhecer os parâmetros

elétricos do painel PV, o que pode reduzir sua atratividade. Na Figura 13 pode-se observar a

sequência do método.


29

Figura 13 – Fluxograma do Método Beta


30

5.6 Oscilação do Sistema e Correlação de Ripple

O método de oscilação do sistema é baseado no princípio da máxima transferência de

potência, e usa as oscilações para determinar o ponto ótimo de operação. No MPP, a razão da

amplitude de oscilação à tensão média é constante. Este método precisa apenas de medir a

tensão do painel PV, e pode ser facilmente implementado utilizando apenas circuitos

analógicos. Sua implementação é caracterizada basicamente pelo uso de filtros. Para a

implementação da oscilação do sistema, o ripple com frequência duas vezes a da rede (no caso

dos conversores conectados à rede) ou o ripple de baixa frequência adicional podem ser usados.

Entretanto, as frequências de chaveamento precisam ser filtradas antes de serem adquiridas a

fim de evitar estados de chaveamento errados e um aumento da interferência eletromagnética,

e devido a isto, a implementação deste método na frequência de chaveamento do conversor não

é uma opção comum. A correlação de Ripple também é baseada nos princípios da máxima

transferência de potência, e usa oscilações na potência através de todos os filtros de passagem

para obter o ponto ótimo. Em outras palavras, os ripples de alta frequência na potência e tensão

são capturados usando filtros de alta frequência, que são usados para computar 𝑑𝑃/𝑑𝑉. Então,

o sinal desta derivada é usado como uma função sinal para indicar a região correta de operação,

e um integrador também garante o MPP. Além disto, este método apresenta uma convergência

assintótica dinâmica muito rápida ao MPP. Também é possível obter velocidades de

convergência a uma taxa similar à frequência de chaveamento do conversor; contudo, é limitado

pelo ganho do controlador do conversor.

5.7 Método da Temperatura

Outra opção é utilizar o método da temperatura, onde as imperfeições da variação na

temperatura, as quais altera estritamente o MPP, podem ser evitadas. Para isto, um sensor de

temperatura de baixo custo é adotado e modifica a função do algoritmo do MPP, mantendo o

rastreamento correto do MPP. Entretanto, a medida da temperatura em implementações práticas

pode ser problemática devido à distribuição irregular de temperatura no painel PV, que pode

ser evitada em pequenos conversores de painéis PV (DE BRITO et al., 2013). Além disto, o

sensor pode ser calibrado de maneira precária ou ligado de maneira incorreta, gerando medidas

erradas de temperatura do painel PV.


31

Este método é similar ao método de tensão constante, e devido a isto, é de simples

implementação. A equação que guia o método da temperatura é:

𝑉𝑀𝑃𝑃 (𝑡) = 𝑉𝑀𝑃𝑃 (𝑇𝑟𝑒𝑓 ) + 𝑇𝐾𝑣𝑜𝑐 (𝑇 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 ) (11)

Onde 𝑉𝑀𝑃𝑃 é a tensão no MPP, 𝑇 é a temperatura da superfície do painel, 𝑇𝐾𝑣𝑜𝑐 é o

coeficiente de temperatura do 𝑉𝑀𝑃𝑃, e 𝑇𝑟𝑒𝑓 é a temperatura nas condições de teste padrão.


32

6 Modelagens e Simulações

Nesta fase do trabalho são apresentados os restulados das modelagens e simulações,

desenvolvidas com base em um modelo da ferramenta Simulink® do Matlab. Dentro do modelo

foram implementados três métodos de controle de MPPT: Perturbe e Observe, Condutância

Incremental, e método Beta. O propósito foi verificar as diferenças entre as técnicas, quanto à

precisão na maximização em relação ao MPP teórico e seu tempo de resposta em relação às

variações na condição ambiente (variações de irradiância e temperatura). Para isto, foram

analisados os valores de tensão e corrente na saída do painel PV, a fim de simplificar questões

com relação às perdas no inversor e também para manter a possibilidade de fazer comparações

com os valores teóricos fornecidos pelo fabricante.

6.1 Metodologia

A Figura 14 apresenta o modelo utilizado nas simulações. O modelo é composto

basicamente pelo Painel PV, Controle MPPT, Ponte de IGBT’s (inversor), Filtro,

Transformador e Rede.

Figura 14 – Exemplo de diagrama de painel PV de alta potência no Simulink®

Fonte: Matlab - Simulink®, 2016.

Painel PV

Controle MPPT

Inversor Filtro

Transformador

Rede


33

Neste modelo está representado um gerador fotovoltaico, composto por 88 strings em

paralelo, cada string composta por 7 módulos PV SunPower SPR-415E-WHT-D em série. A

Tabela 1 apresenta as características do módulo.

Tabela 1 – Caracaterísticas de um módulo PV utilizado nas simulações

SunPower SPR-415E-WHT-D

Potência Máxima (W) 414,801

Tensão de Circuito Aberto VOC (V) 85,3

Tensão no MPP VMPP (V) 72,9

Corrente de Curto-Circuito ISC (A) 6,09

Corrente no MPP IMPP (A) 5,69

Fator de Idealidade de Diodo 0,87223

Coeficiente de Temperatura de VOC (% / °C) -0,229

Coeficiente de Temperatura de ISC (% / °C) 0,030706

Nas simulações foram realizadas alterações apenas no controle MPPT, responsável por

controlar o inversor, destacado em vermelho na Figura 14. Os detalhes do controle do inversor

é mostrado na Figura 15.

Figura 15 – Detalhes do controle do inversor, técnica P&O

Fonte: Matlab - Simulink®, 2016.

A operação de controle do inversor pode ser dividida em 3 partes. A Parte 1 trata-se do

controle MPPT, onde está a lógica de cada método utilizado. Este bloco tem como entradas a

Parte 1

Parte 2

Parte 3


34

corrente e tensão de saída do painel fotovoltaico, IPV e VPV, respectivamente. Possui como saída

um valor de tensão de referência VREF, que é utilizado na Parte 2.

A Parte 2 utiliza um Controlador Proporcional-Integral (PI) para que seja mantido no

link DC do inversor o valor de referência, VREF, calculado pelo MPPT. Sua saída é o valor de

amplitude de corrente, IdREF, que o inversor deverá injetar na rede e que manterá a tensão no

link DC igual à VREF. Esta é a maneira com quem é feito o balanço de energia; caso chegue

mais energia no link DC, a tensão tenderá a subir; neste caso, a amplitude de IdREF aumentará e

a tensão se manterá no nível desejável. De modo análogo, caso chegue menos energia, diminui-

se a amplitude de IdREF.

A Parte 3 utiliza um Phase-Locked Loop (PLL) para converter a amplitude IdREF para

um valor de corrente alternada com frequência e fase iguais à da rede. Esta corrente é comparada

com a corrente real da rede e seu valor de erro é controlado por outro Controlador PI, que dará

como saída um valor de tensão de referência para o modulador PWM, que por sua vez irá gerar

os pulsos de gate para a ponte de IGBT’s (inversor).

6.2 Resultados

Esta seção dedica-se à apresentação dos resultados obtidos nas 6 simulações realizadas.

Os procedimentos dos métodos Perturbe & Observe e Condutância Incremental estão

demonstrados nas seções 5.3 e 5.4, respectivamente. No entanto, cabe destacar os parâmetros

que foram utilizados no MPPT do Método Beta para o gerador fotovoltaico do modelo,

apresentados na Tabela 2.

Tabela 2 – Parâmetros do Método Beta utilizados nas simulações

Parâmetro Símbolo Valor

Carga do elétron (C) q 1,602 x 10-19

Constante de Boltzman (J/K) K 1,381 x 10-23

Fator de Idealidade do Diodo η 0,87223

Quantidade de células em série N 7

Constante de Diodo c 5,79179

Corrente no MPP, 45°C (A) IMPP45 503,1

Tensão no MPP, 45°C (V) VMPP45 480,1

Beta de Referência βg -2780

Beta Mínimo Adotado βMIN -3180

Beta Máximo Adotado βMAX -2380


35

Abaixo seguem os resultados das simulações realizadas.

6.2.1 Simulação 1

Para a primeira simulação das 3 técnicas de MPPT, foram utilizados os seguintes dados

de entrada para o painel PV e tamanho de passo para variação do VREF:

Irradiância: Inicia-se em 1000 W/m² até o instante 0,4s. Após este instante, cai

gradualmente (-6000 W/m².s) até 200 W/m², onde permanece até 1,0s,

retornando gradualmente (+6000 W/m².s) ao patamar de 1000 W/m² e

permanecendo até o fim da simulação (1,5s).

Temperatura: Constante em 45 °C.

Tamanho de passo no VREF: 0,01 V.

A Figura 16 apresenta os dados de entrada.

Figura 16 – Entrada do Painel PV, Simulação 1


36

6.2.1.1 Método Perturbe & Observe (P&O)

Utilizando dados de entrada da Simulação 1, o método P&O obteve a seguinte resposta

na saída do painel, conforme Figura 17.

Figura 17 – Saída do painel PV, método P&O, Simulação 1

Conforme a teoria vista na seção 5.1, observa-se que para uma temperatura constante, o

valor do VMPP é praticamente constante (curva verde). As variações na potência gerada (curva

laranja) são decorrentes de variação na corrente IMPP (curva vinho).

Especialmente para a Simulação 1, método P&O, serão mostradas as curvas de tensão e

corrente na rede, após o transformador, a fim de demonstrar a integridade da metodologia

apresentada na seção 6.1. Os valores de corrente e tensão são mostradas na Figura 18. Como

pode ser observado, a tensão na rede não é modificada. O que o inversor faz é injetar mais ou

menos corrente de acordo com a disponibilidade de potência fornecida pelo painel PV.


37

Serão mostrados também, na Figura 19, os valores de Vdc_ref (tensão de referência na

saída do controle MPPT) e Vdc_meas (tensão no link DC). Pode-se observar a tentativa do inversor

de forçar o valor de Vdc_ref no link DC.

Figura 18 – Corrente e Tensão na Rede, Método P&O, Simulação 1

Figura 19 – Tensão de referência Vdc_ref e tensão medida no link DC Vdc_meas


38

6.2.1.2 Método da Condutância Incremental (IC)

Utilizando o método da Condutância Incremental, observa-se uma resposta muito

semelhante ao P&O. A Figura 20 apresenta os resultados.

Figura 20- Saída do painel PV, método IC


39

6.2.1.3 Método Beta

O método Beta, ao entrar dentro do range, foi alternado para o método P&O. Como

podemos observar na Figura 21, para a entrada da Simulação 1, o tempo de resposta foi muito

semelhantes aos dos dois métodos anteriores.

Figura 21 – Saída do painel PV, método Beta

6.2.2 Simulação 2

Para a segunda simulação, foram utilizados os seguintes dados de entrada para o painel

PV e tamanho de passo para variação do VREF:

Irradiância: Constante em 1000 W/m².

Temperatura: Inicia-se em 45 °C, permanecendo até o instante 0,4s. Após este

momento, cai gradualmente (-150 °C/s) até 25 °C, onde permanece até 1,0s,

retornando gradualmenete (+150 °C/s) a 45 °C e permanecendo até o fim da

simulação (1,5s).



40




41


Utilizando dados de entrada da Simulação 2, o método P&O obteve a seguinte resposta

na saída do painel, conforme Figura 23.


Conforme visto na seção 5.1, observa-se que variando-se a temperatura, o valor do VMPP

altera-se levemente. As variações na potência gerada (curva laranja) acompanham as variações

na tensão VMPP (curva verde).


42


Utilizando o método da Condutância Incremental, observa-se novamente uma resposta

muito semelhante ao P&O. A Figura 24 apresenta os resultados.

Figura 24 – Saída do painel PV, método IC, Simulação 2


43


O método Beta manteve-se novamente muito próximo aos dois métodos mais

tradicionais, como pode ser observado na Figura 25.

Figura 25 – Saída do painel PV, método Beta, Simulação 2

6.2.3 Simulação 3

Na terceira simulação, foram utilizados os seguintes dados de entrada para o painel PV

e tamanho de passo para variação do VREF:

Irradiância: Início em 1000 W/m², variando instantaneamente em 0,4s para 200

W/m² e retornando instantaneamente em 1,0s para 1000 W/m², permanecendo

até o fim da simulação (1,5s).




44




45


A partir dos dados de entrada da Simulação 3, a resposta do método P&O na saída do

painel é apresentada a seguir na Figura 27.


Como pode-se observar, a variação de irradiância provoca efeitos apenas nos valores de

IMPP, comportamento que já era esperado. As variações na geração de potência (curva laranja)

acompanham as variações na corrente IMPP (curva vinho).


46


A Figura 28 apresenta os resultados do método da Condutância Incremental.



47


O método Beta permaneceu muito próximo dos outros dois métodos, como pode ser

observado na Figura 29.


6.2.4 Simulação 4

Na quarta simulação, foram utilizados os seguintes dados de entrada para o painel PV e

tamanho de passo para variação do VREF:

Irradiância: Constante em 1000 W/m².

Temperatura: Início em 45°C, variando instantaneamente em 0,4s para 25°C e

retornando instantaneamente em 1,0s para 45°C, permanecendo até o fim da

simulação (1,5s).



48




49


A partir dos dados de entrada da Simulação 4, a resposta do método P&O na saída do

painel é apresentada a seguir na Figura 31.


Novamente pode ser observado o efeito da variação de temperatura no VMPP,

provocando o perfil de geração de potência apresentado na curva em laranja.


50


No método da Condutância Incremental, o resultado pode ser observado na Figura 32.



51


Na Figura 33, o resultado do método Beta, muito semelhante aos demais.


6.2.5 Simulação 5

Na quinta e sexta simulações, foi modificado o tamanho do passo dado na tensão de

referência VREF das técnicas de MPPT. Na Simulação 5 foi utilizado um tamanho de passo 5

vezes maior que utilizado nas 4 simulações anteriores, ou seja, um passo de 0,05 V. Para os

demais dados de entrada foram utilizados os parâmetros da Simulação 1. Sendo assim, os dados

de entrada para o painel PV e tamanho de passo para variação do VREF foram:







52





53


A partir dos novos dados de entrada da Simulação 5, a resposta do método P&O na saída

do painel é apresentada a seguir na Figura 35.


Como pode ser observado, o tamanho do passo na tensão de referência tem efeito

significativo nas saídas de corrente e tensão do painel PV. No caso da corrente IPV, esta continua

seguindo o perfil de variação da irradiância; contundo, observa-se uma grande oscilação no

valor da corrente nos instantes em que a irradiância permanece constante, demonstrando uma

dificuldade do controle MPPT em determinar o valor de corrente correto no MPP. Para a tensão

VPV ocorre algo semelhante; observa-se que o valor é mantido com tendência constante, porém

apresenta grande oscilação. Em consequência dessas variações, a potência gerada pelo painel

também apresenta oscilação relevante em relação aos casos onde o tamanho do passo era de

0,01 V. Este efeito pode ser visto com maior clareza na Tabela 3 da seção 6.3.


54


No método da Condutância Incremental, o resultado continua muito semelhante ao

método P&O. A Figura 36 ilustra o resultado na saída do painel PV.



55


O método Beta apresenta pequena diferença em relação os outros métodos, como pode

ser observado na Figura 37.


6.2.6 Simulação 6

Na sexta simulação, foi utilizado um tamanho de passo na tensão de referência 5 vezes

menor do que o utilizado nas 4 primeiras simulações, ou seja, um passo de 0,002 V. Para os

demais dados de entrada foram utilizados os parâmetros da Simulação 1. Sendo assim, os dados

de entrada para o painel PV e tamanho de passo para variação do VREF foram:






56






57


A partir do novo tamanho de passo da Simulação 6, a resposta do método P&O na saída

do painel pode ser observado na Figura 39.


Como pode ser observado, o tamanho do passo 5 vezes menor na tensão de referência

também apresenta efeito significativo nas saídas de corrente e tensão do painel PV. Ambos

tensão e corrente apresentaram saída mais suave, com menores oscilações. Como consequência,

a potência gerada pelo painel também apresenta menor oscilação.


58


Como esperado, o método IC apresentou resultado muito semelhante ao P&O para um

tamanho de passo menor. A Figura 40 ilustra o resultado obtido.



59


Neste caso, o Método Beta também apresentou resultado praticamente idêntico aos

demais métodos, como é apresentado na Figura 41.



60

6.3 Consolidação dos Resultados

Apresenta-se a seguir a consolidação dos resultados de cada simulação em termos de

potência entregue pelo painel com relação à potência máxima teórica. Dentre as condições

ambientes simulados, o modelo do Simulink® disponibiliza os valores teóricos de máxima

geração de potência:

Irradiância 1000 W/m² e Temperatura 45°C: PMAX = 241,5 kW

Irradiância 1000 W/m² e Temperatura 25°C: PMAX = 255,5 kW

As três técnicas simuladas apresentaram a mesma resposta quanto à saída de potência

máxima. Porém, com a variação do tamanho de passo da VREF, pode se observar uma diferença

significativa em relação à proximidade do valor simulado com o valor teórico. O dados

consolidados foram resumidos na Tabela 3.

Tabela 3 – Consolidação da potência alcançada em cada método

Método

Temperatura

e Irradiância

Tamanho

do passo

VREF

Oscilação Potência

Atingida (kW)

Potência

Máxima

Teórica (kW)

Relação

Método vs

Teórico

P&O,

IC e

Beta

45°C e

1000 W/m² 0,01 V

Mínimo 241,3 241,5 99,92%

Máximo 241,4 241,5 99,96%

P&O,

IC e

Beta

25°C e

1000 W/m² 0,01 V

Mínimo 255,0 255,5 99,80%

Máximo 255,3 255,5 99,92%

P&O,

IC e

Beta

45°C e

1000 W/m² 0,05 V

Mínimo 234,0 241,5 96,89%

Máximo 239,4 241,5 99,13%

P&O,

IC e

Beta

45°C e

1000 W/m² 0,002 V

Mínimo 241,5 241,5 100,00%

Máximo 241,5 241,5 100,00%


61

7 Conclusão

No presente trabalho foi dada uma visão geral sobre a geração fotovoltaica. Observou-

se que a motivação de usá-la deve-se principalmente à necessidade de encontrar uma fonte de

energia alternativa que seja limpa e renovável. Apresentou-se também o histórico do

desenvolvimento científico que culminou na criação dos primeiros dispositivos

semicondutores, o que possibilitou esse tipo de geração.

Em seguida, realizou-se uma análise física do efeito fotovoltaico e das características de

uma célula fotovoltaica, mostrando a similaridade de seu comportamento com a de um diodo,

o ponto de máxima geração de potência (MPP), os limites naturais de sua eficiência, a influência

positiva da irradiância e a negativa da temperatura em relação à geração de potência.

Foi apresentado também o circuito equivalente de um painel fotovoltaico e as equações

matemáticas decorrentes, seguido de uma breve análise das sete técnicas de MPPT que serão

analisadas no trabalho.

Na sequência, foram realizadas simulações computacionais utilizando-se a ferramenta

Simulink® (Matlab) para os métodos Perturbe & Observe (P&O), Condutância Incremental

(IC) e Método Beta, verificando os resultados de cada método com relação à eficiência no

alcance da potência no Maximum Power Point (MPP), ao tempo de resposta, e às estabilidade

na manutenção da geração máxima.

Em relação à facilidade de aplicação, os métodos P&O e IC mostraram-se muito

semelhantes, tratando-se de métodos simples e eficientes na busca do MPP. O método Beta

possui a vantagem de ter maior sensibilidade quanto à distância do ponto de operação em

relação ao MPP, ou seja, possui maior passo do VREF na direção do MPP quando o ponto de

operação encontra-se distante. No entanto, foi notado um tempo de processamento um pouco

maior no método Beta do que nos demais métodos.

Em relação à precisão na determinação da máxima geração, observou-se que os três

métodos simulados são equivalentes. O maior impacto observado deve-se ao tamanho do passo

no VREF. O passo “base” utilizado foi de 0,01 V; neste caso, observa-se uma pequena variação

de potência nas proximidades do MPP, variando de 99,80% a 99,92%, conforme Tabela 3. Ao

utilizar o passo maior de 0,05 V, observou-se que em alguns momentos o painel gerava apenas

96,89% da potência máxima teórica, indicando que este tamanho de passo não é recomendado.

Ao utilizar o menor passo de 0,002 V, observou-se uma correlação de 100,00% em relação ao

valor simulado e o teórico. Como não foi observado nenhuma diferença relevante no tempo de


62

processamento devido ao tamanho do passo, recomenda-se o tamanho de passo de 0,002 V no

VREF para as simulações.


63

Referências

DE BRITO, M. A. G. et al. Evaluation of the main MPPT techniques for photovoltaic

applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 60, n. 3, p. 1156–1167, 2013.

JAIN, S.; AGARWAL, V. A new algorithm for rapid tracking of approximate maximum power

point in photovoltaic systems. IEEE Power Electronics Letters, v. 2, n. 1, p. 16–19, 2004.

KRAUTER, S. C. W. Solar Electric Power Generation - Photovoltaic Energy Systems.

Heidelberg: Springer, 2006.

LI, X.; WEN, H.; ZHAO, C. Improved beta parameter based MPPT method in photovoltaic

system. 9th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia: “Green World

with Power Electronics”, ICPE 2015-ECCE Asia, p. 1405–1412, 2015.

SIMULINK® 8.7, Matlab R2016a, 2016.

TEODORESCU, R.; LISERRE, M.; RODRÍGUEZ, P. Grid Converters for Photovoltaic and

Wind Power Systems. Chichester: John Wiley & Sons, Ltd., 2011.


64

Apêndice - Lógica MPPT

Seguem abaixo as lógicas utilizadas nas técnicas de MPPT nos métodos Perturbe e

Observe, Condutância Incremental e Método Beta.

1. Perturbe e Observe

function Vref = PeO(Vpv,Ipv) %#codegen

persistent Pant Vant Vrefant

%=============================================== %Parâmetros:

incrV=0.01; %Incremento no Vref Vmin = 357; %Vref mínimo Vmax = 583; %Vref máximo %===============================================

if isempty(Vant) Vant = 0; Pant = 0; Vrefant = 450; end

Ppv = Vpv * Ipv;

%========================================================== %Início da Lógica do Método PeO (Perturbar e Observar) if Ppv ~= Pant if Ppv > Pant if Vpv > Vant Vref = Vrefant + incrV; else Vref = Vrefant - incrV; end else if Vpv > Vant Vref = Vrefant - incrV; else Vref = Vrefant + incrV; end end else Vref = Vrefant; end

if Vref >= Vmax | Vref <= Vmin Vref = Vrefant; end

%Fim da Lógica do Método PeO (Perturbar e Observar) %==========================================================


65

%========================================================== %Atualização das variáveis Vrefant = Vref; Vant = Vpv; Pant = Ppv;

2. Condutância Incremental

function Vref = IC(Vpv,Ipv) %#codegen

persistent Iant Vant Vrefant

%=============================================== %Incremento no Vref:

incrV=0.01; %===============================================

if isempty(Vant) Vant = 0; Iant = 0; Vrefant = 450; end

deltaV = Vpv - Vant; deltaI = Ipv - Iant;

%========================================================== %Início da Lógica do Método IC (Condutância Incremental) if deltaV == 0 if deltaI == 0 Vref = Vrefant; else if deltaI > 0 Vref = Vrefant + incrV; else Vref = Vrefant - incrV; end end else if deltaI/deltaV == -Ipv/Vpv Vref = Vrefant; else if deltaI/deltaV > -Ipv/Vpv Vref = Vrefant + incrV; else Vref = Vrefant - incrV; end end end %Fim da Lógica do Método IC (Condutância Incremental) %==========================================================


66

%========================================================== %Atualização das variáveis Vrefant = Vref; Vant = Vpv; Iant = Ipv;

3. Método Beta

function Vref = Beta(Vpv,Ipv) %#codegen

persistent Iant Vant Vrefant Pant Bmin Bmax Bref c flag

%=============================================== %Incremento no Vref:

incrV=0.01; %===============================================

if isempty(Vant) Vant = 0; Iant = 0; Pant = 0; Vrefant = 450; Bmin = -3174; %Beta mínimo Bmax = -2400; %Beta máximo Bref = -2780; %Beta da referência c = 5.9738; %Constante de diodo para esse painel a 45°C

end

Ppv = Vpv * Ipv; B = log(Ipv/Vpv) - c*Vpv;

%========================================================== %Início da Lógica do Método Beta

if B >= Bmin & B <= Bmax %Se está dentro do range, alterna-se para o

método PeO

%========================================================== %Início da Lógica do Método PeO (Perturbar e Observar) if Ppv ~= Pant if Ppv > Pant if Vpv > Vant Vref = Vrefant + incrV; else Vref = Vrefant - incrV; end else if Vpv > Vant Vref = Vrefant - incrV; else Vref = Vrefant + incrV; end end


67

else Vref = Vrefant; end

%Fim da Lógica do Método PeO (Perturbar e Observar) %==========================================================

else %Se estiver fora do range, utiliza-se o método Beta

Vref = Vrefant + (Bref - B)*incrV;

end

%========================================================== %Atualização das variáveis Vrefant = Vref; Vant = Vpv; Iant = Ipv; Pant = Ppv;

simulaÇÃo e anÁlise das principais tÉcnicas de …saturno.unifei.edu.br/bim/201800186.pdf ·...

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