Algoritmo MPPT para Conversor DC-DC para aplicação em Painéis Fotovoltaicos

106 Pages·2015·30.01 MB·Portuguese

by  Daniel C. Lemos

Algoritmo MPPT para Conversor CC-CC para aplicação em
Painéis Fotovoltaicos
Daniel Calheiros de Lemos
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Orientadores: Prof. Maria Beatriz Mendes Batalha Vieira Vieira Borges
Prof. Hugo dos Santos Marques
Júri
Presidente: Prof. Gonçalo Nuno Gomes Tavares
Orientador: Prof. Hugo dos Santos Marques
Vogal: Doutor Hugo Eduardo dos Santos Ribeiro
Novembro 2015

Agradecimentos
Agradec¸o a` Prof. Beatriz Borges e ao Prof. Hugo Marques pelo conhecimento que me transmitiram e
peloapoioquemederamdurantearealizac¸a˜odesteprojecto. Agradec¸otambe´maoEng. HugoRibeiro
pela ajuda prestada. Agradec¸o a todas as pessoas que conheci durante o meu percurso acade´mico e
aoFilipeSimo˜espelacompanhiaeamizade.
Agradec¸o a` Carla Correia pela ajuda, compreensa˜o e apoio dado em todos os momentos. Agradec¸o
aosmeuspais,Ma´rioLemoseBertaLemos,pordisponibilizaremascondic¸o˜esparaaminhaformac¸a˜o
acade´mica.
Paraterminar,agradec¸oaoInstitutodeTelecomunicac¸o˜espeladisponibilizac¸a˜odemeiosparaarealizac¸a˜o
desteprojecto.
I
II
Resumo
Com o objectivo de reduzir a emissa˜o de gases prejudiciais para o meio ambiente e o consumo de
combust´ıveis fosseis, surgiu a necessidade de se descobrirem novas formas de produc¸a˜o de energia.
Paraconseguiresteobjectivo,diversosestudosedescobertasteˆmsidorealizadosnaa´readaproduc¸a˜o
de energia ele´ctrica. Dessa investigac¸a˜o, surgiu a energia fotovoltaica, que consiste em converter a
radiac¸a˜o solar em energia ele´ctrica. Para que o desempenho dos sistemas fotovoltaicos seja o mais
elevado poss´ıvel, houve a necessidade de desenvolver te´cnicas de seguimento da poteˆncia ma´xima,
natentativadeaproveitaroma´ximodepoteˆnciaproduzidapelospaine´isfotovoltaicos. Estadissertac¸a˜o
apresenta um sistema de conversa˜o que inclui um conjunto de paine´is fotovoltaicos, um conversor
electro´nico de poteˆncia e um controlador do ponto de poteˆncia ma´xima (MPPT - Maximum Power
Point Tracking). O conversor utilizado neste projecto esta´ situado dentro da fam´ılia de conversores
electro´nicosdepoteˆnciaCC-CCelevadores/redutores,maispropriamenteoconversorderetornovisto
que,existeanecessidadedeelevaratensa˜odesa´ıda,parapossibilitarofornecimentoa` redeele´ctrica
a energia produzida pelos paine´is fotovoltaicos. O algoritmo aqui apresentado baseia-se na te´cnica
Perturbar e Observar onde esta apenas controla a poteˆncia fornecida pelo painel mas, o algoritmo
apresentado controla a poteˆncia e a corrente. Foi realizado um proto´tipo para comprovar o funciona-
mentodoalgoritmoMPPT edoconversorderetorno.
Palavras-chave:
Conversores Electro´nicos de Poteˆncia, Algoritmo MPPT, Conversor de Re-
torno,SistemaFotovoltaico.
III
IV
Abstract
In order to reduce harmful emissions of gases to the environment and the consumption of fossil fuels,
emergedtheneedtodiscovernewformsofenergyproduction. Toachievethisgoal, manystudiesand
discoveries have been made in the production of electrical energy. Among these studies, emerged the
photovoltaic energy, it consists in the conversion of solar radiation into electric energy. To maximize
the performance of this photovoltaic systems, there was a need to develop maximum power tracking
techniques in an attempt to take the maximum power produced by the panels. This thesis presents
a energy conversion system which includes a photovoltaic panels, an electric power converter and a
maximum power point controller. The converter used is situatedwithin the family of DC-DC boost/buck
power electronic converters, more specifically the flyback converter, because there is the need to raise
theoutputvoltage sotheenergyproducedbythe photovoltaicpanels, canbeprovidedtothe electrical
grid. The algorithm presented here is based on Perturb and Observe technique, where it only controls
thepowerproducedbythepanel,butthealgorithmpresentedcontrolsthepowerandthecurrentofthe
panel. ItwasbuiltaprototypetodemonstratetheMPPTalgorithmandflybackconverteroperation.
Keywords:
DC-DC Power Electronic Converters, MPPT Algorithm, Flyback Converter, Photovol-
taicSystem
V
VI
´
Indice
Agradecimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
Resumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
ListadeAbreviaturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
ListadeTabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII
ListadeFiguras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVII
1 Introduc¸a˜o 1
1.1 Motivac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Objectivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Organizac¸a˜odaDissertac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 EstadodaArte 3
2.1 EfeitoFotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 SistemaFotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.1 TopologiasdeSistemasFotovoltaicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 PainelFotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 ModelosMatema´ticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.1.1 CurvaIvs V-Variac¸a˜odairradiaˆnciaedatemperatura . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1.2 Poteˆnciaele´ctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1.3 Ce´lulafotovoltaicaideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Te´cnicasdeSeguimentodoPontodePoteˆnciaMa´xima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.1 Tensa˜oConstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.2 Tensa˜oemCircuitoAberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.3 CorrentedeCurto-CircuitoPulsado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.4 CondutaˆnciaIncremental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.5 PerturbareObservar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 ConversoresComutadosCC-CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5.1 ConversorElevador-Boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5.1.1 ConversorElevadorQuadra´tico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
VII
2.5.2 Conversorredutor-elevador-Buck-Boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5.2.1 Outrosconversoresbaseadosnoconversorredutor-elevador . . . . . . . . . 21
2.5.3 ConversordeRetorno-Flyback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6 Concluso˜es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 SistemaFotovoltaico 29
3.1 ModelodoPainelFotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 ConversorCC-CC-Selecc¸a˜oeDimensionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 ConversordeRetorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2 Relac¸a˜odeTransformac¸a˜oeFactordeCiclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.3 ComponentesdeArmazenamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.3.1 Bobinedemagnetizac¸a˜oL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
M
3.2.3.2 CondensadorC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
PV
3.2.4 Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.4.1 Redimensionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.5 Semicondutores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3 Concluso˜es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 AlgoritmoMPPT eControlodeI 49
PVref
4.1 AlgoritmoMPPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 ControlodeI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
PVref
4.3 Concluso˜es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5 CircuitosdeControlo 55
5.1 CircuitoElectro´nicoGlobal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.1 Medic¸a˜odacorrenteedatensa˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.2 CircuitoMultiplicador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.3 BlocoComparac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.4 BlocoLo´gica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.1.5 BlocoIntegrador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1.6 BlocoCircuitodecomando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2 Concluso˜es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6 Simulac¸a˜oeResultados 65
6.1 ResultadosdeSimulac¸o˜es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.1.1 Simulac¸a˜ocomRadiac¸a˜oSolarConstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.1.1.1 Varia´veisdoalgoritmoMPPT econtrolo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.1.2 Simulac¸a˜ocomVariac¸a˜odaRadiac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.1.3 Simulac¸a˜odeRadiac¸a˜oDia´ria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.2 ResultadosExperimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
VIII