Renan Fernandes Bastos
Sistema de Gerenciamento para Carga e Descarga de Baterias (Chumbo-cido) e para Busca do Ponto de
Mxima Potncia Gerada em Painis Fotovoltaicos Empregados em
Sistemas de Gerao Distribuda
Dissertao de Mestrado apresentada Escola de Engenharia de So Carlos, da Universidade de So Paulo, como requisito para obteno do Ttulo de Mestre em Cincias, Programa de Engenharia Eltrica
rea de Concentrao: Sistemas Dinmicos.
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Quadros Machado
So Carlos
2013
Trata-se da verso corrigida da dissertao. A verso original se encontra disponvel na EESC/USP que aloja o Programa de Ps-Graduao de Engenharia Eltrica.
AUTORIZO A REPRODUO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Bastos, Renan Fernandes
Sistema de Gerenciamento para Carga e Descarga de
Baterias (Chumbo-cido) e para Busca do Ponto de Mxima
Potncia Gerada em Painis Fotovoltaicos Empregados em
Sistemas de Gerao Distribuda / Renan Fernandes
Bastos; orientador Ricardo Quadros Machado. So
Carlos, 2013.
Dissertao (Mestrado) Programa de Ps-Graduao
em Engenharia Eltrica e rea de Concentrao em
Sistemas Dinmicos Escola de Engenharia de So Carlos
da Universidade de So Paulo, 2013.
1. Gerao Distribuda. 2. Eletrnica de Potncia.
3. Bateria Chumbo-cido. 4. Painis fotovoltaicos. 5.
Conversor CC-CC bidirecional. 6. Controlador Fuzzy. 7.
Fontes Alternativas. I. Ttulo.
B327s
Agradecimentos
Em primeiro lugar, agradeo a minha famlia pelo apoio, exemplo e pela
minha formao como pessoa. Em especial aos meus pais e meus irmos que me
acompanharam nesta longa jornada. A livia, por estar junto comigo durante este
percurso apesar da distncia. Aos meus avs Lalado, Leia, Niniza, aos meus tios e
tias e primos que torcem por mim.
Aos amigos e professores da UFV, que toram possvel o sonho chegar at
aqui.
Aos amigos que fiz em So Carlos, companheiros da Rep. Alabama, Goias,
Rodolpho, Paulo e Fabo pela companhia e amizade.
Muito obrigado aos companheiros de trabalho do LAC e LAFAPE, Amilcar,
Giovani, Nilton, Fernando, Guido, Giann, Rodolpho e Cassius, pela amizade,
discusses, aprendizados e brincadeiras, aos quais sem eles este trabalho no seria
possvel.
Agradeo tambm a todos os funcionrios do departamento pelas
contribuies e pela boa vontade em sempre nos ajudar.
Ao Prof. Ricardo, pela confiana em mim depositada durante a execuo
deste trabalho, pelo incentivo, dedicao, pacincia e amizade, obrigado por
contribuir com a minha formao acadmica. Agradeo tambm a professora Vilma,
pela constante contribuio e suporte na pesquisa.
Enfim, a todas as pessoas que torceram pelo meu sucesso e que no foram
citadas aqui, meu muito obrigado.
Agradeo a Escola de Engenharia de So Carlos pelas instalaes e servios,
alm do CNPq pelo apoio financeiro desta pesquisa.
Sumrio
Resumo .................................................................................................... i
Abstract ................................................................................................... iii
Lista de figuras ....................................................................................... v
Lista de tabelas ....................................................................................... xi
Siglas e abreviaturas .............................................................................. xiii
Lista de smbolos por ordem de apario ............................................ xv
1 Introduo ............................................................................................ 1
1.1 Motivao do trabalho ................................................................. 1
1.2 Objetivos ....................................................................................... 5
1.3 Organizao do texto .................................................................. 6
2 Aspectos gerais ................................................................................... 7
2.1 Baterias ......................................................................................... 7
2.1.1 Viso geral .......................................................................... 7
2.1.2 Aspectos construtivos ....................................................... 10
2.1.3 Caractersticas eltricas .................................................... 10
2.1.4 Estado de carga interativo (SOC interativo) .................... 13
2.1.5 Mtodos de carga ............................................................... 14
2.2 Descrio do sistema .................................................................. 17
2.2.1 Painel fotovoltaico e modelo generalizado ...................... 17
2.2.2 MPPT P&O ........................................................................ 22
2.2.3 Conversor CC-CC bidirecional .......................................... 23
2.2.4 Modelo do conversor no modo Boost (Step-Up) ............. 26
2.2.5 Modelo do conversor no modo Buck (Step-Down) ......... 27
2.2.6 Modelo de pequenos sinais para os conversores .......... 29
2.2.7 Projeto do controlador fuzzy P+I ...................................... 31
2.2.8 Modelo linearizado do painel fotovoltaico ....................... 37
2.2.9 Modelo do conversor Boost acoplado ao modelo
linearizado do painel ...................................................................
40
2.3 Sistema de injeo de potncia na rede .................................... 43
2.4 Consideraes finais ................................................................... 45
3 Estudo de casos .................................................................................. 47
3.1 Estimador de SOC ....................................................................... 47
3.2 Circuito Bidirecional .................................................................... 49
3.3 Sistema ......................................................................................... 53
3.4 Sistema completo com alteraes nas condies
atmosfricas.......................................................................................
57
3.5 Sistema completo com variao contnua na irradiao solar 60
3.6 Consideraes finais ................................................................... 64
4 Execuo e resultados experimentais ............................................... 65
4.1 Materiais utilizados ...................................................................... 65
4.2 Resultados experimentais .......................................................... 70
4.3 Consideraes finais ................................................................... 84
5 Concluses e trabalhos futuros ......................................................... 87
Referncias ............................................................................................ 89
i
Resumo
BASTOS, R. F. (2013). Sistema de Gerenciamento para Carga e Descarga de Baterias (Chumbo-cido) e para Busca do Ponto de Mxima Potncia Gerada em Painis Fotovoltaicos Empregados em Sistemas de Gerao Distribuda. Dissertao (Mestrado) Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, 2013.
O presente trabalho visa o desenvolvimento de um sistema de carga e
descarga de baterias de chumbo-cido para sistemas de gerao distribuda
acoplada a um conjunto de painis fotovoltaicos e conectada rede eltrica. O
conjunto de painis opera de forma a maximizar a energia gerada atravs de um
algoritmo MPPT (Maximum Power Point Tracking) e a rede eltrica opera como rota
para o excedente produzido pelos painis. Para que a bateria possa ser carregada e
descarregada com eficincia evitando sobrecargas e descarregamentos profundos,
uma metodologia de estimao do estado de carga da bateria implementada
visando um controle mais eficiente (maximizando a vida til da bateria) e um melhor
aproveitamento da energia armazenada. Para o gerenciamento da carga e descarga
do banco de baterias utilizada uma topologia bidirecional (Boost-Buck) com
controlador fuzzy P+I para estabilizao de corrente ou tenso. Em relao tcnica
de controle para o sistema PV, um controlador PI clssico utilizado para regular a
tenso terminal e ponto de mxima potncia que definido por um algoritmo de
perturbao e observao (P&O). Para validar os controladores e os modelos
tericos desenvolvidos construdo um prottipo do sistema. So analisados,
tambm, o comportamento do sistema de carga das baterias e painel fotovoltaico
sob condies extremas como queda abrupta de irradiao solar, desconexo
inesperada dos painis e mudanas no ponto timo de funcionamento dos mesmos.
Palavras chave: Gerao Distribuda, Eletrnica de Potncia, Bateria Chumbo-
cido, Painis Fotovoltaicos, Conversor CC-CC Bidirecional, Controlador fuzzy,
Fontes Alternativas.
ii
iii
Abstract
BASTOS, R. F. (2013). Management System for charging and discharging of batteries (lead acid) and Search for the Maximum Power Point Generated on Photovoltaic Panels Employed in Distributed Generation Systems. Dissertation (Masters degree) Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, 2013.
The present work aims to develop a system of charging and discharging lead-
acid batteries for distributed generation connected to a set of photovoltaic panels,
and used in grid connected applications. The set of panels operates to maximize the
energy produced by means of an MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm
and the power grid absorbs the extra power produced by the panels. For charging
and discharging the battery pack and to prevent overload and deep discharge, a
methodology for estimating the state of charge is implemented in order to obtain an
efficient control technique (maximizing battery life), and more efficient use of the
stored energy. To manage the charging and discharging of the battery bank a
bidirectional topology (Boost-Buck) with fuzzy P+I controller for stabilization of current
or voltage is used. To regards the PV control technique, a classical PI controller is
employed to regulate the PV terminal voltage, and the maximum power point is
determined by a perturb and observe (P&O) algorithm. To validate the controllers
and the theoretical models developed is built a prototype system, and analyzed the
behavior of the batteries charger and photovoltaic panel under extreme
environmental conditions such as abrupt decrease of solar irradiation, unexpected
panels disconnection and changes of the maximum power point of the panels.
Key words: Distributed Generation, Power Electronics, Lead-Acid Battery, PV
Arrays, Bidirectional DC-DC Converter, Fuzzy Controller, Alternative Sources.
iv
v
Lista de figuras
Figura 1.1. Distribuio das fontes primrias de energia ..................... 1
Figura 1.2. Crescimento das fontes alternativas .................................. 2
Figura 1.3. Comparao entre as reservas de combustveis fsseis
atuais e o potencial de gerao de energia a partir do sol ...................
3
Figura 1.4. Irradiao solar durante um dia, onde os picos de
irradiao ocorrem entre 11 e 13 horas ...............................................
3
Figura 1.5 Fluxo de potncia do sistema, onde a potncia da bateria
pose ser positiva ou negativa ..............................................................
4
Figura 2.1. Desgaste de uma bateria de chumbo-cido em funo da
profundidade da carga...........................................................................
8
Figura 2.2. Efeito da temperatura na vida til da bateria de chumbo-
cido .....................................................................................................
8
Figura 2.3. Efeito da temperatura na capacidade disponvel ............... 9
Figura 2.4. Estado de carga x tenso de circuito aberto para uma
bateria de chumbo-cido ......................................................................
11
Figura 2.5. Tempo de estabilizao ..................................................... 12
Figura 2.6. Tenso dinmica da bateria durante descarga, C/20
representa descarga em regime de 20 horas .......................................
12
Figura 2.7. Mtodo a dois nveis de tenso .......................................... 16
Figura 2.8. Tenso e corrente, mtodo dois nveis .............................. 17
Figura 2.9. Modelo generalizado de uma clula solar .......................... 19
Figura 2.10. Curva caracterstica corrente x tenso de um mdulo
KC130TM, para diferentes nveis de irradiao ...................................
20
Figura 2.11. Curva potncia x tenso, mdulo KC130TM, para
diferentes nveis de irradiao ..............................................................
21
Figura 2.12. Circuito de controle da tenso terminal e circuito
equivalente com a carga do secundrio referida ao primrio ...............
22
Figura 2.13. Algoritmo MPPT por P&O ................................................ 23
Figura 2.14. Comportamento da tenso e da potncia, durante o
regime permanente utilizando algoritmo MPPT por P&O com passo
fixo ........................................................................................................
23
vi
Figura 2.15. Cuk Bidirecional e Cuk Bidirecional Isolado ................... 24
Figura 2.16. Dual Full Bridge ................................................................ 24
Figura 2.17. Conversor Buck-Boost bidirectional . 25
Figura 2.18. Modos de operao .......................................................... 25
Figura 2.19. Conversor Buck-Boost Bidirecional com controle ............ 25
Figura 2.20. Boost chave fechada ........................................................ 26
Figura 2.21. Boost chave aberta .......................................................... 27
Figura 2.22. Buck com chave fechada.................................................. 27
Figura 2.23. Buck com chave aberta .................................................... 28
Figura 2.24. Diagrama de Bode em malha aberta para a planta G(s)
Boost no compensada e compensada com controlador PI ................
32
Figura 2.25. Diagrama de Bode em malha fechada para planta G(s)
Boost compensada com controlador PI ................................................
33
Figura 2.26. Sistema de controle proposto fuzzy P+I ........................... 34
Figura 2.27. Superfcie fuzzy de um controlador fuzzy PD+I,
contendo duas entradas .......................................................................
35
Figura 2.28. Funes de pertinncia de entrada ajustadas
manualmente ........................................................................................
36
Figura 2.29. Funes de pertinncia de sada ajustadas
manualmente ........................................................................................
36
Figura 2.30. Superfcie fuzzy obtida pela defuzzyficao pelo mtodo
do centroide ..........................................................................................
37
Figura 2.31. Linearizao em torno do ponto de mxima potncia
(PMP) para mdulo fotovoltaico KC 130TM .........................................
39
Figura 2.32. Circuito linear equivalente no ponto de mxima potncia 39
Figura 2.33. Modelo do painel linearizado acoplado ao conversor
Boost ....................................................................................................
40
Figura 2.34. Modelo linearizado do painel acoplado ao Boost com
chave ligada .........................................................................................
40
Figura 2.35. Modelo linearizado do painel acoplado ao Boost com
chave desligada ....................................................................................
41
Figura 2.36. Diagrama de Bode para o modelo linearizado do painel
vii
acoplado ao conversor Boost ............................................................... 42
Figura 2.37. Sistema de controle do painel fotovoltaico ....................... 42
Figura 2.38. Sistema de injeo trifsico e equivalente ....................... 43
Figura 2.39. Corrente drenada do barramento CC para um inversor
trifsico e para o sistema simplificado considerado na Figura 2.38 .....
44
Figura 2.40. Sistema de controle fuzzy P+I, aplicado no controle da
tenso do barramento CC ....................................................................
44
Figura 3.1. Bloco da bateria e modelos ................................................ 47
Figura 3.2. Corrente de entrada e corrente amostrada, SOC real e
SOC estimado e Erro de estimao .....................................................
49
Figura 3.3. Diagrama do circuito bidirecional, utilizando o controle
fuzzy P+I desenvolvido .........................................................................
49
Figura 3.4. Tenso e corrente da bateria durante a carga ................... 50
Figura 3.5. Tenso e corrente da bateria quando a corrente
invertida em 0,3 s .................................................................................
51
Figura 3.6. Zoom sobre a inverso de corrente ................................... 51
Figura 3.7. Mudana da varivel de controle e inverso do sentido de
conduo do conversor bidirecional utilizando controlador fuzzy P +
I..............................................................................................................
52
Figura 3.8. Mudana da varivel de controle utilizando o controle
clssico PI ............................................................................................
52
Figura 3.9. Modelo do sistema completo .............................................. 53
Figura 3.10. Corrente de carga da bateria, para uma referncia de 2
A e em seguida uma inverso da corrente para -2 A em 0,3 s ............
54
Figura 3.11. Tenso comum no barramento CC que foi ajustada em
120 V. Em 0,3 s a corrente na bateria invertida ................................
54
Figura 3.12. Resposta do controlador de corrente na bateria com
referncia de 2 A e -2 A em 0,3 s .........................................................
55
Figura 3.13. Tenso de referncia gerada pelo algoritmo MPPT e
tenso terminal sistema PV ..................................................................
56
Figura 3.14. Potncia de referncia gerada pelo algoritmo MPPT,
potncia produzida pelos painis e potncia total consumida pelas
baterias e pela rede ..............................................................................
56
viii
Figura 3.15. Rendimento total do sistema ............................................ 57
Figura 3.16. Corrente de carga da bateria durante alterao da
irradiao bruscamente em 0,3 s .........................................................
58
Figura 3.17. Tenso comum do barramento CC durante alterao da
irradiao bruscamente em 0,3 s .........................................................
58
Figura 3.18. Tenso de referncia gerada pelo algoritmo MPPT e
tenso nos terminais do PV durante alterao da irradiao
bruscamente em 0,3 s ..........................................................................
59
Figura 3.19. Potncia de referncia gerada pelo algoritmo MPPT,
potncia produzida pelos painis e potncia total consumida .............
60
Figura 3.20. Rendimento do sistema entre 80% e 90% ....................... 60
Figura 3.21. Irradiao solar incidente sobre o painel .......................... 61
Figura 3.22. Corrente de carga da bateria durante alterao da
irradiao ..............................................................................................
61
Figura 3.23. Tenso no barramento CC com diminuio da irradiao
em rampa .............................................................................................
62
Figura 3.24. Tenso de referncia gerada pelo algoritmo MPPT e
tenso terminal do sistema PV durante a variao da irradiao ........
63
Figura 3.25. Potncia de referncia gerada pelo algoritmo MPPT,
potncia produzida pelos painis e potncia total consumida .............
63
Figura 3.26. Rendimento do sistema .................................................... 64
Figura 4.1. Diagrama do sistema ......................................................... 65
Figura 4.2. Diagrama da placa de condicionamento de sinais por
canal .....................................................................................................
66
Figura 4.3. DSP Texas instruments eZdsp TMS320F28335 . 66
Figura 4.4. Mdulo conversor Semikron Modelo SKS 21F
B6U+E1CIF + B6CI ..............................................................................
67
Figura 4.5. Fonte emuladora de painis Agilent ................................... 67
Figura 4.6. Curva V x I a quatros parmetros do emulador ............... 68
Figura 4.7. Bateria Moura Clean para sistemas estticos .................... 68
Figura 4.8. Sistema construdo ............................................................. 69
Figura 4.9. Prottipo construdo ........................................................... 69
Figura 4.10. Osciloscpio Tektronix usado para extrao dos
ix
resultados ............................................................................................. 70
Figura 4.11. Inicializao do sistema, onde a corrente de carga se
ajusta a energia produzida, o ponto de mximo ( ,
) alcanado em menos de 10 interaes do MPPT e a tenso
se estabiliza em 120 V ....................................................................
72
Figura 4.12. Corrente de carga do banco de baterias em funo da
poro da energia gerada ....................................................................
72
Figura 4.13. Zoom durante o regime permanente ................................ 73
Figura 4.14. Adequao do sistema durante uma reduo da
irradiao incidente seguido de um aumento da irradiao .................
74
Figura 4.15 . Adequao do sistema durante uma queda de
irradiao muito acentuada, seguido de uma recuperao ..................
75
Figura 4.16. Funcionamento do sistema em caso de desconexo dos
painis ..................................................................................................
76
Figura 4.17. Funcionamento durante reduo da tenso de mxima
potncia de 40 V para 38 V ..................................................................
77
Figura 4.18. Curva V x I para um painel fotovoltaico com irradiao
constante, variando a temperatura das placas .....................................
77
Figura 4.19. Funcionamento durante uma elevao da tenso de
mxima potncia de 38 para 40 V.........................................................
78
Figura 4.20. Funcionamento do sistema durante inverso forada da
corrente ................................................................................................
79
Figura 4.21. Situaes de carga durante inverso de corrente............. 79
Figura 4.22. Inverso de corrente na bateria de -2 A para 2 A ............ 80
Figura 4.23. Inverso de corrente na bateria de 2 A para -2 A ............ 80
Figura 4.24. Simulao do sistema de carga de baterias da seo 3.2
com os ganhos iguais aos do prottipo ................................................
81
Figura 4.25. Inverso de corrente na bateria e efeitos sobre a tenso
da bateria ..............................................................................................
81
Figura 4.26. Mudana da varivel de controle durante o processo de
carga .....................................................................................................
82
Figura 4.27. Situaes de Fluxo durante o clculo do rendimento do
sistema .................................................................................................
83
x
Figura 4.28. LCD 16x2 monocromtico indicando o SOC em
porcentagem e em Ah alm da potncia instantnea sendo produzida
pelos painis .........................................................................................
84
Figura 5.1. Sistema proposto para trabalhos futuros ........................... 88
xi
Lista de tabelas
Tabela 2.1 Caractersticas dos diversos tipos de baterias ..................... 7
Tabela 2.2 Caracterstica dos mtodos de carga ................................... 15
Tabela 2.3 Rendimento dos diferentes tipos de clulas fotovoltaicas .... 19
Tabela 2.4 Regras do controlador fuzzy ................................................. 36
Tabela 2.5 Especificaes eltricas do mdulo solar KC 130TM .......... 38
Tabela 2.6 Parmetros do modelo ajustado do conjunto fotovoltaico
formado por dois mdulos KC 130TM conectados em srie ..................
38
Tabela 2.7 Parmetros do conversor elevador de tenso ...................... 38
Tabela 4.1 Rendimento do sistema experimental na situao 1 ............ 83
Tabela 4.2 Rendimento do sistema experimental na situao 2 ............ 83
xii
xiii
Siglas e abreviaturas
A/D Conversor analgico para digital CC Corrente contnua CA Corrente alternada DSP Digital signal processor FA Fonte alternativa GD Gerao distribuida MPPT Maximum power point tracking P&O Perturbao e observao PWM Pulse width modulation RNA Rede neural artificial SOC State of Charge Estado de Carga PV Painel fotovoltaico
xiv
xv
Lista de smbolos por ordem de apario
C Capacidade da bateria [Ah] Instante inicial a carga da bateria [s] Carga da bateria no instante inicial [Ah] Corrente de carga da bateria [A] Constante de rendimento de carga [%]
Tenso de sobre tenso [V] Tenso de flutuao [V]
Tenso mnima de trabalho [V] Corrente mnima de carga [A] Corrente mxima de carga [A] Corrente de flutuao [A]
Diodo de recombinao de portadoras Diodo de recombinao de portadoras G Irradiao solar incidente [w/m] Corrente induzida pela luz [A]
Resistncia paralela equivalente do painel []
Resistncia srie equivalente do painel [] Tenso trmica do painel [V] Corrente de saturao dos diodos [A] Fator de idealidade do diodo Corrente de sada do painel [A] Nmero de clulas fotovoltaicas em srie Constante de Boltzmann [1.3806503x j/K] Temperatura do painel [K] Carga do eltron [1.60217646x C] Relao de transformao Tenso do circuito equivalente do painel [V]
Resistncia equivalente do painel []
Tenso no capacitor do barramento CC [V] Tenso da bateria [V] Indutncia do conversor Buck-Boost [H] Resistncia da indutncia [] Capacitncia do conversor na baixa tenso [F] Capacitncia do conversor na alta tenso [F] Ganho do sensor de tenso Ganho do sensor de corrente Ciclo de trabalho do conversor Resistncia de conduo da chave [] Corrente da indutncia [A] Tenso na capacitncia [V] Carga do circuito [] Corrente de mxima potncia [A]
Tenso de mxima potncia [V]
xvi
1
1- Introduo
1.1 Motivao do trabalho
Com a 1 revoluo industrial e a descoberta do carvo que proporcionou o
desenvolvimento das mquinas a vapor e, posteriormente, a utilizao de petrleo,
foi possvel obter um rpido desenvolvimento tecnolgico. Tal fato gerou uma total
dependncia de combustveis fsseis por parte da sociedade de forma que a mesma
no poderia mais se privar deles. Com o passar dos anos, a evoluo tecnolgica e
o desenvolvimento das sociedades, novas formas de fontes de energia esto sendo
buscadas como soluo para os constates problemas mundiais de produo de
bens de consumo (produo de eletricidade), o que resultou em investimento e
esforo no desenvolvimento de fontes alternativas de energia (MOAMBIQUE,
2012).
Como resumo dessa anlise, a Figura 1.1 descreve a distribuio global da
energia produzida pelas principais fontes. Entretanto, com o atual panorama de
aquecimento global, o esforo para reduzir tal dependncia vem aumentando,
gradativamente, em busca de novas fontes de energia limpa, revelando indcios de
uma nova reestruturao.
Figura 1.1 Distribuio das fontes primrias de energia (REN21, 2011).
2
Existem diversas tecnologias para a produo de eletricidade via fontes de
energia alternativa, dentre elas possvel citar a gerao por meio de centrais
hidreltrica, mars, turbinas elicas, clula de combustvel, painis fotovoltaicos etc.
Cada uma com suas particularidades, nichos de aplicao e limitaes de
funcionamento. Porm a gerao de energia atravs de painis fotovoltaicos tem se
destacado, apresentando um crescimento elevado se comparado s outras fontes
de energia, como pode ser visto pela Figura 1.2. Este crescimento se deve em
grande parte a reduo significativa dos custos de produo da energia solar, que
esto na faixa de 4 USD/W a 6 USD/W com tendncia de queda (MOAMBIQUE,
2012). Outro fator que impulsiona o crescimento da produo da energia solar a
disponibilidade e abundncia do combustvel, o sol. Na Figura 1.3 possvel
observar a quantidade de energia solar incidente sobre a terra em comparao com
as reservas dos demais combustveis utilizados atualmente.
Figura 1.2 Crescimento das fontes alternativas (REN21, 2011).
Outra vantagem clara da energia solar em relao s outras formas de
produo de eletricidade, que tais sistemas podem ser construdos em pequenos
mdulos, ou seja, no h a necessidade de criar grandes usinas ou uso de grandes
reas alagadas como no caso de usinas hidreltricas.
3
Figura 1.3 - Comparao entre as reservas de combustveis fsseis atuais e o potencial de gerao de energia a partir do sol (EPIA, 2008).
Entretanto, a energia solar no uma energia que est disponvel durante
todo o dia, Figura 1.4, que mostra a incidncia solar mdia em um dia, alm disso, o
perodo do dia no qual sua utilizao necessria , justamente, durante o horrio
de pico de demanda que ocorre das 18 horas s 21 horas. Porm, nesse perodo
do dia que a energia solar gerada quase nula. Logo, um sistema de
armazenamento se torna imprescindvel fazendo com que se possa armazenar o
excesso de energia durante o pico de gerao para suprir a demanda durante o pico
do consumo (CNDIDO, 2010).
Figura 1.4 Irradiao solar durante um dia, onde os picos de irradiao ocorrem entre 11 e 13 horas (SOUZA, SILVA e CEBALLOS, 2008).
Na literatura so encontrados sistemas de armazenamento atravs de banco
de baterias e/ou armazenamento com ultra capacitores (FAKHAM, LU e FRANCOIS,
2011). O sistema de baterias apresenta uma densidade de energia maior, da ordem
de algumas dezenas de Wh/kg enquanto que os ultra capacitores possuem
densidade de alguns Wh/kg (BURKE, 2007), alm de vantagens econmicas em
relao aos ultra capacitores, que possuem elevado custo (milhares de dlares).
4
Entretanto, devido alta densidade de potncia dos ultra capacitores, estes podem
entregar uma corrente muito mais elevada que as bateria (BURKE, 2007), cujas
correntes elevadas reduzem a vida til e aumentam as perdas.
Em gerao distribuda, sistemas de armazenamento se tornam uma
ferramenta extremamente importante em um cenrio no qual as tarifas energticas
so determinadas pelo horrio assim, pode-se maximizar os ganhos econmicos
armazenando a maior quantidade possvel de energia em horrios em que a tarifa
reduzida, sendo esta energia vendida em horrio de ponta, quando a tarifa possui
maior valor agregado.
A Figura 1.5 representa o sistema estudado nesta dissertao, sendo formado
por um conjunto de painis fotovoltaicos acoplados a um banco de baterias atravs
de um barramento CC comum e conectado a rede de distribuio atravs de um
inversor. Para o gerenciamento da energia gerada pelos painis, o sistema de
armazenamento controlado por um conversor CC-CC bidirecional, com capacidade
de controlar tanto a carga quanto a descarga do banco a qualquer momento. A
conexo com a rede funciona como uma rota de fuga para a energia disponvel,
dando a capacidade ao sistema de armazenar a energia gerada nos painis e injet-
la na rede em momentos economicamente viveis.
Figura 1.5 - Fluxo de potncia do sistema, onde a potncia da bateria pode ser
positiva ou negativa.
As equaes do balano de potncia do sistema so apresentadas a seguir, e
relacionam as potncias geradas ou drenadas com a estabilidade da tenso do
barramento CC.
5
(1)
(2)
Em um sistema no qual a corrente de carga ou descarga das baterias
( ) controlada em valores fixos determinados pelo algoritmo de carga, a
Equao (2) nos diz que se deve controlar a corrente injetada para a rede eltrica de
modo a equilibrar a potncia gerada ( ) a energia consumida pelo sistema, para
que a tenso se mantenha estvel em um valor fixo definido (CNDIDO, 2010).
Afundamentos na tenso so decorrentes de um consumo ( ) maior
que a gerao, assim como sobre-tenses advm de um consumo inferior ao que
gerado, logo nota-se que o sistema deve se adaptar a todo o momento devido
inconstncia na potncia gerada pelo conjunto de painis.
1.2 Objetivos
Este trabalho tem o objetivo desenvolver um sistema de controle que seja
capaz de gerenciar a operao dos painis fotovoltaicos e das baterias de chumbo-
cido junto ao ponto de mxima potncia gerada e mxima eficincia,
respectivamente, alm do controle da tenso do barramento CC atravs do fluxo de
potncia do sistema.
Objetivos especficos:
Implementar algoritmos por perturbao e observao (P&O) para a
busca do ponto de mxima potncia (MPPT);
Minimizar as oscilaes sobre a tenso do barramento CC,
independentemente, do modo de operao do sistema de carga e
descarga das baterias;
Projetar controladores fuzzy de forma a melhorar a resposta dinmica
dos conversores CC-CC utilizados como interface nas baterias e nos
painis fotovoltaicos.
6
1.3 Organizao do texto
- Captulo 2- Aspectos Gerais, nos quais sero apresentados os modelos e anlises
do sistema, caracterizao do sistema, anlise do fluxo de potncia do sistema e
projeto dos controladores.
- Captulo 3 - Estudo de casos, neste captulo sero apresentadas as simulaes
dos modelos da bateria, painel fotovoltaico e controladores do sistema, com intuito
de verificar o desempenho dos mesmos para diversas situaes de teste.
- Captulo 4 - Execuo, nesse captulo ser apresentada a proposta de execuo
do prottipo, os materiais e mtodos utilizados.
- Captulo 5 - Concluses gerais e sugestes para trabalhos futuros.
7
2 Aspectos gerais 2.1 Baterias
A tabela 2.1 mostra uma rpida comparao entre os tipos mais comuns de
baterias presentes no mercado, destacando os principais atributos de desempenho e
operacionais de cada uma.
Tabela 2.1 Caractersticas dos diversos tipos de baterias (CNDIDO, 2010).
Chumbo-cido Ni-Cad NiMh Lithium-ion
Custo inicial Baixo Mdio Mdio Baixo
Custo a longo prazo Alto Mdio Mdio Baixo
Segurana Boa Boa Boa Boa
Impacto ambiental Alto Alto Mdio/Alto Mdio/Baixo
Ciclos 200* 250 400-500 400-600
Tenso nominal (V) 2 1.2 1.2 3.4
Densidade de
energia (Wh/Kg)
35 41 80 120
Densidade de
energia volumtrica
(Wh/m)
80
120
200
280
Autodescarga por
ms (%)
8
alteraes em sua composio, que constituda, basicamente, de chumbo e cido
sulfrico.
A bateria um elemento que armazena energia eltrica na forma
eletroqumica. Uma bateria no produz energia, somente armazena (COELHO,
2001). Em baterias recarregveis, o processo de carga e descarga pode ser repetido
por algumas centenas de vezes, nos quais para uma bateria de chumbo-cido o
nmero de ciclos de carga e descarga inversamente proporcional profundidade
da descarga, ou seja, o quanto a bateria descarregada antes de ser carregada
novamente (Figura 2.1). A situao de operao mais danosa para uma bateria de
chumbo-cido quando a mesma opera sob temperaturas elevadas, o que reduz
sua vida til (Figura 2.2) e aumenta sua capacidade de armazenamento (Figura 2.3)
(MOURA, 2011; YUASA, 1999).
Figura 2.1 Desgaste de uma bateria de chumbo-cido em funo da profundidade
da carga (MOURA, 2011).
Figura 2.2 Efeito da temperatura na vida til da bateria de chumbo-cido (MOURA,
2011).
9
Figura 2.3- Efeito da temperatura na capacidade disponvel (YUASA, 1999).
At recentemente, o foco dos fabricantes era a reduo do custo de produo
em vez do aumento do desempenho, pois suas aplicaes eram limitadas a
sistemas de ignio de automveis. Atualmente, o surgimento de novas tecnologias
de baterias de chumbo-cido vem crescendo para atender a nova gama de
aplicaes como: baterias para sistemas fotovoltaicos isolados da rede, sistemas de
energia emergencial, sistemas de telecomunicao e etc.
Entretanto, as baterias de chumbo-cido apresentam algumas desvantagens,
tais como a dificuldade de determinar com preciso o SOC (State of Charge ou
estado de carga, que a quantidade de carga presente na bateria em relao a
carga mxima), principalmente com o sistema em funcionamento (com carga ou
descarga em andamento) e a baixa densidade de energia em relao aos outros
tipos de bateria. Por outro lado, a durabilidade de uma bateria de chumbo-cido
relativa, uma vez que a mesma depende do regime de carga e descarga e da
temperatura de operao (COELHO, 2001).
As baterias no so 100% eficientes, sendo este rendimento proporcional
corrente drenada ou injetada, pois uma parte da energia perdida na forma de calor
nas resistncias parasitas (internas bateria). O rendimento tpico de uma bateria
de chumbo-cido de 85% e de uma bateria de nquel-cdmio de 65% (COELHO,
2001).
10
2.1.2 Aspectos construtivos
A principal diferena construtiva em relao s baterias reside no tipo de meio
no qual as placas esto imersas, uma vez que existem baterias cujo meio slido,
lquido ou gel (COELHO, 2001).
Baterias de gel contm um cido que obtido atravs da adio de slica gel,
tornando o meio no qual as reaes qumicas so realizadas gelatinoso. Esta
caracterstica vantajosa no que diz respeito segurana, pois torna quase
improvvel o derramamento do cido em caso de acidentes. Entretanto, ela possui a
desvantagem de ser pouco tolerante a altas correntes, as quais produzem a
formao de gases e podem danific-las (COELHO, 2001).
Por outro lado, as baterias em meio slido possuem os eletrodos imersos em
material semelhante l de vidro, entretanto suas caractersticas so semelhantes
s baterias de gel, ou seja, so pouco tolerantes a correntes elevadas e, por
conseguinte, a altas temperaturas (COELHO, 2001).
J as baterias de meio lquido possuem pequenas vlvulas que tm como
funo a regulao da presso interna, que se altera devido formao de gases.
Caso sejam recarregadas constantemente, a quantidade de gua se reduz devido
ao aquecimento, bem como sua vida til (COELHO, 2001).
2.1.3 Caractersticas eltricas
Uma bateria tpica de chumbo-cido fornece em seus terminais
aproximadamente 2,14 V por clula se, completamente, carregada (AYLOR,
THIEME e JOHNSO, 1992), porm se no utilizada por algum tempo sua
capacidade reduzida devido auto descarga. Assim uma tenso de flutuao deve
ser imposta nos terminais da bateria quando a mesma no est em operao, valor
este em torno de 2,2 V por clula (COELHO, 2001).
Por outro lado, um dos parmetros mais importantes para avaliar uma bateria
o SOC, ele informa quanto de carga existe, o que evita sobrecargas ou
descarregamentos excessivos, alm disso, atravs desse parmetro possvel o
gerenciamento do processo de carga e descarga com mais preciso. O SOC pode
ser determinado medindo-se as tenses em circuito aberto nos terminais das
baterias (no caso de baterias chumbo-cido) ou atravs da medio da acidez do
11
eletrlito o que muito difcil, pois as baterias so seladas (NG, MOO, et al., 2008).
A tenso de circuito aberto de uma bateria de chumbo-cido quando est
completamente carregada, est em torno de 2,12 a 2,15 V por clula ou 12,7 a 12,9
V por bateria. A 50% de carga ela possui 2,03 V por clula e 1,95 V quando,
totalmente, descarregada (0% de carga) (COELHO, 2001), ver Figura 2.4.
Figura 2.4- Estado de carga x tenso de circuito aberto para uma bateria de chumbo-cido (NG, MOO, et al., 2008).
Outro parmetro indispensvel para a estimao do SOC o tempo de
descanso ao qual a bateria deve ser submetida antes de ser realizada a medio da
tenso terminal, pois assim que ela desconectada do circuito de carga a tenso
tende a se estabilizar, entretanto, esta estabilizao depende de um equilbrio
qumico interno que no instantneo, como pode ser visto na Figura 2.5. O tempo
de descanso est em torno de 2 h para uma bateria de chumbo-cido e a partir
deste tempo a queda de tenso pode ser considerada como tenso de auto-
descarga (NG, MOO, et al., 2008).
12
Figura 2.5 Tempo de estabilizao (NG, MOO, et al., 2008).
A tenso terminal dinmica, que medida nos terminais da bateria durante o
processo de carga ou descarga, no pode ser utilizada como parmetro para
medio do SOC, pois ela varia proporcionalmente corrente injetada ou drenada,
ou seja, quanto maior corrente drenada mais rpido a tenso decresce (Figura 2.6)
(NG, MOO, et al., 2008; DEEPTI e RAMANARAYANAN, 2006).
Logo, durante o processo de carga ou descarga a tenso nos terminais da
bateria no fornece subsdios para determinar o SOC, servindo apenas de limitante
(NG, MOO, et al., 2008). Alm disso, a tenso terminal no pode ultrapassar certos
patamares para que a vida til no seja comprometida, desta forma, indispensvel
uma metodologia para estimar o SOC durante o processo de carga ou descarga
(que ser chamado de SOC interativo).
Figura 2.6Tenso dinmica da bateria durante descarga, C/20 representa descarga em regime de 20 horas (MOURA, 2011).
13
2.1.4 Estado de carga interativo (SOC interativo)
Visto que a tenso terminal em circuito aberto pode fornecer o SOC para uma
bateria em repouso e que a tenso terminal instantnea no fornece tais
informaes sobre o SOC para bateria de chumbo-cido, a soluo para a
estimao do SOC interativo reside em um mtodo misto que utiliza a tenso
terminal de circuito aberto, juntamente com um mtodo de integrao da corrente
injetada ou drenada da bateria (DEEPTI e RAMANARAYANAN, 2006). O mtodo
pode ser resumido pela equao (3) a seguir.
(3)
Onde representa o estado inicial, definido pela tenso de circuito aberto
da bateria no instante inicial. A capacidade mxima expressa em Ah e uma
caracterstica prpria de cada bateria. A integral representa toda a energia que flui
para dentro ou para fora da bateria. Logo, o mtodo se baseia em determinar o
ponto inicial no qual a bateria se encontra e incrementar ou decrementar toda
energia que flui atravs dela. Entretanto, este mtodo no leva em considerao as
perdas inerentes bateria, assim o mesmo pode ser melhorado adicionando-se uma
constante de perdas integral, fazendo com que a equao (3) resulte na equao
(4) (DEEPTI e RAMANARAYANAN, 2006).
(4)
Sendo uma constante de eficincia de carga que , inversamente
proporcional corrente, ou seja, quanto maior a corrente menor a eficincia. Outro
ponto a se destacar o estado inicial , pois a resoluo do mtodo est ligada
identificao do ponto inicial, assim o seu clculo merece tanta ateno quando a
integrao da corrente de carga (DEEPTI e RAMANARAYANAN, 2006).
14
O mtodo de estimao definido pela equao (4) no perfeito mesmo
includo uma constante de eficincia, ou seja, ele opera, adequadamente, para
pequenos intervalos de tempo, pois medida que o tempo de integrao aumenta
os erros acumulados, tambm aumentam. Logo, recomendado aferir o valor do
SOC atravs da medio da tenso de circuito aberto em intervalos nos quais
ocorrem paradas do processo de carga (NG, MOO, et al., 2008).
2.1.5 Mtodos de carga
Os fatores mais importantes para a carga de uma bateria so o tempo de
carga disponvel e o rendimento que se deve maximizar, porm ambos esto
atrelados, uma vez que uma carga mais rpida requer uma corrente mais elevada, o
que resulta em um rendimento menor, com isso, ambos devem ser tratados de forma
a se obter um equilbrio. Os limitantes do processo de carga so: a tenso terminal e
a temperatura, j que tenses e temperaturas elevadas danificam e reduzem a vida
til da bateria (COELHO, 2001).
Os mtodos vistos na literatura so cinco: corrente e tenso constante,
potncia constante, corrente pulsada e mtodos mistos nos quais existem estgios
de alternncia entre os outros mtodos (COELHO, 2001; ALVAREZ, MARCOS, et
al., 2003; YIFENG e LIMIN, 2010; FENT, 1994).
Na Tabela 2.2 so apresentadas as caractersticas dos mtodos de carga,
sendo o mtodo de corrente constante o que apresenta os melhores resultados,
pois, o mesmo, injeta uma corrente controlada evitando aquecimento. Porm, a
tenso deve ser gerenciada durante todo o processo para evitar que a bateria fique
exposta a tenses elevadas (valores maiores que os limites mximos permitidos pelo
fabricante) e se deteriore (COELHO, 2001).
J o mtodo de tenso constante deve ser utilizado somente para pequenos
intervalos de tempo, uma vez que a corrente tende a alcanar valores elevados, o
que faz com que a temperatura deva ser observada para evitar aquecimento
excessivo (COELHO, 2001).
15
Tabela 2.2 Caractersticas dos mtodos de carga (COELHO, 2001).
De acordo com o exposto acima, o mtodo de potncia constante deve ser
utilizado somente para curtos intervalos de tempo associado superviso da
temperatura. Entretanto, diferentemente do mtodo de tenso constante, no qual a
potncia injetada diminui com o carregamento, neste mtodo esta reduo no
ocorre, fazendo com que as perdas hmicas sejam superiores em relao ao
mtodo de tenso constante, devido injeo de uma potncia mais elevada
durante todo o processo (COELHO, 2001).
Dos mtodos mistos utilizados destaca-se o mtodo a dois nveis de tenso.
Este mtodo se baseia na unio das caractersticas dos mtodos de corrente
constante e do mtodo de tenso constante, alternados de forma a utilizar as
melhores caractersticas de cada um (COELHO, 2001; FENT, 1994), veja Figura 2.7
e Figura 2.8.
16
Figura 2.7 Mtodo a dois nveis de tenso (COELHO, 2001).
Supondo-se a bateria descarregada ento aplicado, ao primeiro estgio,
uma corrente mnima controlada evitando com isso, picos de corrente e
formao excessiva de gases. Esta etapa mantida at que a bateria atinja uma
tenso mnima de trabalho .
Ao ser alcanado , a bateria inicia o processo de carga na segunda etapa,
injetando a corrente de carga desejada . Com a injeo de uma corrente de
carga elevada, a tenso tende a subir a uma taxa proporcional corrente, no
momento em que ela atinge o valor mximo permitido pela bateria , a terceira
etapa iniciada fixando-se este valor de sobre tenso na bateria.
A terceira etapa tem a funo de reduzir o tempo de carga por meio da
regulao de uma sobre tenso . Como a tenso fixa, a corrente de carga inicia
um processo de queda medida que a bateria se aproxima da carga completa.
Ao ser atingida a carga completa, inicia-se a quarta etapa que tem a funo
de compensar a auto descarga da bateria aplicando-se uma tenso de flutuao ,
uma vez que a bateria est carregada e no est em operao. Aps o uso da
bateria, caso o processo de carga se inicie com uma carga diferente de zero, o
processo necessita ser reiniciado a partir da segunda etapa.
Na Figura 2.8 mostrada a representao do mtodo a dois nveis de tenso.
Nota-se que este mtodo alia as melhores caractersticas do mtodo de corrente
constante e do mtodo de tenso constante, pois limita a corrente no incio do
carregamento evitando aquecimento e a tenso ao final do processo no permitindo
sobre tenses (FENT, 1994). Devido a essas caractersticas, este o mtodo
aplicado no desenvolvimento deste trabalho.
17
Figura 2.8 Tenso e corrente, mtodo dois nveis (COELHO, 2001).
2.2 Descrio do sistema
Nesta seo descrito o sistema fotovoltaico, o sistema de carga e descarga
das baterias quando acoplado ao painel fotovoltaico, as dificuldades deste tipo de
conexo na busca do ponto de mximo utilizando o algoritmo MPPT por perturbao
e observao (P&O), alm da modelagem do conversor bidirecional empregado no
gerenciamento das baterias.
Os primeiros trabalhos de sistemas fotovoltaicos com potncias considerveis
(acima de 10 kW) conectados rede eltrica, comearam a aparecer no incio da
dcada de oitenta e como exemplo possvel ser citado (MCCARTHY e WRIXON,
1987). Este trabalho realizado em 1987 considerado como projeto piloto, descreve
um sistema fotovoltaico de 50 kW de pico, montado em um propriedade rural no
norte da Europa. O prottipo contava com um sistema de armazenamento com
baterias de chumbo-cido (600 Ah) e com cargas locais sendo conectado rede
eltrica atravs de inversores de frequncia com uma estrutura muito semelhante
estrutura que utilizada hoje em dia como em (FAKHAM, LU e FRANCOIS, 2011;
SUN, ZHANG, et al., 2011) e a estrutura adotada nesta dissertao de mestrado,
Figura 1.5.
2.2.1 Painel fotovoltaico e modelo generalizado
O efeito fotovoltaico foi descoberto por Alexandre-Edmond Becquerel em
1839 que constatou a presena de uma diferena de potencial nos terminais de um
18
semicondutor quando exposto a luz (CEPEL, 2006). Sendo que a origem deste
fenmeno est embasada no efeito fotoeltrico, que ocorre quando ftons atingem a
superfcie de um metal com energia suficiente para permitir a liberao dos eltrons.
A clula fotovoltaica basicamente uma juno p-n de um semicondutor
(normalmente de silcio) que quando exposto luz libera eltrons em torno de um
circuito eltrico fechado (RODRIGUEZ e AMARATUNGA, 2007). A taxa de eltrons
gerados depende do fluxo de luz incidente e da capacidade de absoro do
semicondutor (VILLALVA, GAZOLI e FILHO, 2009).
Quanto tecnologia utilizada, as clulas fotovoltaicas so classificadas como
de primeira, segunda ou terceira gerao (EPIA, 2011). Na primeira gerao esto
as clulas de silcio cristalino (c-Si) feitas a partir de fatias finas retiradas de um
nico cristal ou bloco de silcio. Fazem parte deste grupo as clulas mono e
policristalinas de silcio (mc-Si e pc-Si), respectivamente. As monocristalinas so,
entre todas, as clulas fotovoltaicas as mais eficientes, no entanto, requerem um
custo maior na produo.
As clulas da segunda gerao baseiam-se na tecnologia de filme fino (thin
film), construdas atravs da deposio de camadas finssimas de material
fotossensvel sobre um suporte de baixo custo, tais como vidro, ao inoxidvel ou
plstico. Dentre as mais comuns esto s clulas de silcio amorfo (a-Si) e de
telureto de cdmio (CdTe) (MOAMBIQUE, 2012).
Recentemente, as tecnologias da terceira gerao, as quais se incluem:
concentradores fotovoltaicos, clulas termo fotovoltaicas e clulas fotovoltaicas
orgnicas. Os concentradores fotovoltaicos de silcio ou da multijuno de outros
semicondutores concentram mediante lentes a irradiao direta da luz solar para as
clulas fotovoltaicas, necessitando de um sistema de rastreamento contnuo em
relao ao sol. Por outro lado, as clulas termo fotovoltaicas so usadas em
sistemas hbridos (trmico e eltrico), j as clulas fotovoltaicas orgnicas, so
constitudas por cadeias de polmeros semicondutores de baixo custo, mas ainda
com baixa eficincia, inferior a 10 % (MAYER, SCULLY, et al., 2007; YUAN, WANYI,
et al., 2010) (Tabela 2.3).
19
Tabela - 2.3 Rendimento dos diferentes tipos de clulas fotovoltaicas (EPIA, 2011).
Tecnologia
Silcio Cristalino Filme Fino Concentrador Orgnica
Efi
ci
ncia
(%)
(mc - Si) (PC-Si) (a-Si) CdTe Multijuno
Clula 16-22 14-18 4-8 10-11 30-38
20
a corrente induzida pela luz, a corrente de saturao do diodo, a o
fator de idealidade do diodo, a resistncia srie equivalente do mdulo e a
resistncia equivalente em paralelo do mdulo, t sV N kT q a tenso trmica do
painel com clulas conectadas em srie, a constante de Boltzmann
[1,3806x10-23 ], a temperatura da juno p-n, a carga elementar do
eltron [1,602176x10-19 ]. A corrente depende tanto do nvel de irradiao (G),
quanto da temperatura (T) do painel, enquanto que depende apenas de T
(MOAMBIQUE, 2012; VILLALVA, GAZOLI e FILHO, 2009).
A Figura 2.10 mostra a relao no linear entre corrente e tenso sendo que o
ponto no qual a potncia extrada do painel mxima est identificado por .
nesse local que o algoritmo MPPT deve operar. A Figura 2.11 mostra a relao entre
potncia e tenso, da mesma forma que os pontos marcados indicam os pontos de
mxima potncia (MOAMBIQUE, 2012).
Figura 2.10 Curva caracterstica corrente x tenso de um mdulo KC130TM, para diferentes nveis de irradiao (MOAMBIQUE, 2012).
21
Figura 2.11 Curva potncia x tenso, mdulo KC130TM, para diferentes nveis de irradiao (MOAMBIQUE, 2012).
Logo, nota-se que manipulando a tenso terminal possvel controlar a
potncia de sada e o rendimento do painel. Entretanto, para modificar o valor da
tenso nos terminais de um painel fotovoltaico necessria a utilizao de um
circuito conversor, no qual alterando o valor da resistncia equivalente vista pelo
painel, varia-se assim, a tenso terminal. Na Figura 2.12, mostrado o circuito
responsvel pela manipulao da tenso terminal do painel (tenso entre os pontos
A e B), sendo este circuito programado para buscar a mxima potncia de sada
utilizando um algoritmo MPPT.
Para analisar esse circuito, utilizada a analogia com transformadores, cuja
carga referida do secundrio para o primrio, dessa forma, a mesma pode ser
escrita como uma funo da varivel (relao de transformao do conversor), ou
seja, controlando o ponto de operao do conversor controla-se a carga vista pelo
painel, consequentemente, a tenso em seus terminais (Equao 6). Logo, em
termos de teoria de circuitos, o algoritmo de busca da mxima potncia MPPT
trabalha de forma a igualar a impedncia vista pelo painel ( ) impedncia srie
equivalente ( ) do prprio painel.
(6)
Onde e so os equivalentes do circuito Thvenin do painel linearizado
em torno do ponto de interesse.
22
Figura 2.12 Circuito de controle da tenso terminal e circuito equivalente com a carga do secundrio referida ao primrio.
2.2.2 MPPT P&O
O algoritmo MPPT por P&O um mtodo de busca do ponto de mxima
potncia e se baseia no procedimento mostrado na Figura 2.13, podendo ser
resumido da seguinte forma: a tenso nos terminais do painel perturbada em um
determinado sentido (aumentada ou reduzida) e a potncia analisada. Se ocorrer
um aumento da potncia o sentido da perturbao mantido, caso contrrio, o
sentido da perturbao invertido (MOAMBIQUE, 2012).
Esse procedimento de perturbao e observao mantido at que o ponto
de mxima potncia seja alcanado. Como consequncia do mtodo P&O, a
potncia e a tenso de sada so oscilantes em torno do ponto de mxima potncia
(Figura 2.14), reduzindo sua eficincia. Estas oscilaes podem ser minimizadas
reduzindo o tamanho do passo ( ), entretanto a diminuio do passo interfere
diretamente no tempo de convergncia do mtodo. Como soluo a essas limitaes
so empregados os algoritmos de passo varivel, nos quais o passo reduzido
medida que o ponto de mxima potncia se aproxima (MOAMBIQUE, 2012;
VILLALVA, 2010; FEMIA, PETRONE, et al., 2005).
23
Figura 2.13 - Algoritmo MPPT por P&O (MOAMBIQUE, 2012).
Figura 2.14 Comportamento da tenso e da potncia, durante o regime permanente utilizando algoritmo MPPT por P&O com passo fixo.
2.2.3 Conversor CC-CC bidirecional
Para o sistema de gerenciamento de carga e descarga do banco de baterias,
busca-se um conversor com a capacidade de se ter fluxo de potncia em ambas
direes, ou seja, com capacidade tanto de carregar quanto descarregar o banco de
baterias. Na literatura so apresentadas algumas topologias de conversores CC-CC
bidirecionais, isoladas e no isoladas, como:Cuk bidirecional, Cuk isolado e o
24
circuito em dupla ponte completa isolada (Dual Full-bridge) mostrados nas Figura
2.15 e Figura 2.16, respectivamente (MIURA, KAGA, et al., 2010; ABOULNAGA e
EMADI, 2004).
Figura 2.15 - Cuk Bidirecional e Cuk Bidirecional Isolado.
Figura 2.16 Dual Full Bridge.
Entretanto, estes conversores apresentam um nmero elevado de
componentes armazenadores de energia como o Cuk ou elevado nmero de
dispositivos semicondutores como no caso do conversor Dual Full-Bridge. Alm
disso, circuitos isolados no so indicados para sistemas de alta potncia, pois
elevam o custo, o volume e o peso do sistema, tornando esta opo invivel. Desta
forma, o circuito ideal para aplicaes de potncia mais elevada deve conter nmero
reduzido de semicondutores e poucos componentes armazenadores de energia.
Tais imposies fazem do conversor Buck-Boost bidirecional uma soluo adequada
para ser aplicado em sistemas com potncias elevadas (na ordem de dezenas ou
centenas de kW), Figura 2.17. Neste circuito, o modo de operao depende do
sentido para o qual a energia est fluindo, como pode ser visto na Figura 2.18, ou
seja, o circuito entra no modo Boost quando a energia flui do lado de baixa tenso
rumo ao lado de alta tenso e no modo Buck, quando a energia faz o caminho
inverso (NORTHCOTT, FILIZADEH e CHEVREFILS, 2009).
25
Figura 2.17- Conversor Buck-Boost bidirecional.
Figura 2.18 Modos de operao.
No entanto, para que o circuito funcione adequadamente, preciso que no
modo Boost a chave 1 fique no estado de alta impedncia enquanto a chave 2
recebe os pulsos do mdulo PWM. Analogamente para o modo Buck, a chave 2
que precisa ser colocada no modo de alta impedncia e a modulao PWM aplicada
a chave 1, Figura 2.19.
Para se obter uma representao matemtica do comportamento do
conversor eletrnico adotado o seguinte procedimento: inicialmente o mesmo
modelado operando como um conversor Step-Up e depois como Step-Down.
Figura 2.19 Conversor Buck-Boost Bidirecional com controle.
26
2.2.4 Modelo do conversor no modo Boost (Step-Up)
Para representar o sistema nas condies reais so consideradas as
resistncias parasitas na indutncia ( ) e a resistncia de conduo das chaves
( ).
Considerando o conversor operando no modo de conduo contnua, o
sistema apresenta dois estados para cada modo de funcionamento, que so
apresentados nas Figuras 2.20, 2.21, 2.22 e 2.23. Aplicando a lei de Kirchhoff das
tenses ao conversor para ambas as situaes, so obtidas as seguintes equaes
de estado representadas na forma matricial (ERICKSON e MAKSIMOVIC, 2000).
Modo Boost Chave fechada
Figura 2.20 Boost chave fechada.
(7)
(8)
(9)
Na forma matricial, as equaes (7), (8) e (9) podem ser escritas da forma
, e durante o intervalo que a chave se encontra fechada .
(10)
27
(11)
Modo Boost Chave aberta
Figura 2.21 Boost chave aberta
(12)
(13)
(14)
Na forma matricial, as equaes (12), (13) e (14) podem ser escritas da forma
e durante o intervalo .
(15)
(16)
2.2.5 Modelo do conversor no modo Buck (Step-down)
Modo Buck Chave fechada
Figura 2.22 Buck com chave fechada.
28
(17)
(18)
(19)
Semelhante ao que foi feito para (7), (8) e (9); (17), (18) e (19) podem,
tambm, serem escritas da forma , e durante o intervalo no
qual a chave se encontra fechada .
(20)
(21)
Modo Buck Chave aberta
Figura 2.23 Buck com chave aberta.
(22)
(23)
(24)
Na forma matricial (22), (23) e (24) podem ser escritas como e
durante o intervalo .
(25)
29
(26)
2.2.6 Modelo de pequenos sinais para os conversores
Para obter uma representao de pequenos sinais em torno do ponto de
operao dos conversores em um intervalo de chaveamento preciso ponderar as
matrizes de estado no tempo (ERICKSON e MAKSIMOVIC, 2000), conforme a
equao a seguir:
(27)
Para o Boost:
Para o Buck:
Introduzindo uma pequena perturbao em (27) para separao das
componentes CC e CA, as variveis se decompem da seguinte forma:
(28)
i
d D
Em (28), o termo X representa a parte contnua (valor mdio) e o termo a
componente alternada do sinal (perturbaes). Quando desconsiderando
perturbao no sinal de entrada tem-se uma representao da seguinte forma:
= (29)
Onde
e (30)
30
O comportamento em regime permanente pode ser obtido fazendo nulos os
termos variveis de (29):
(31)
Fazendo a equao (29) apenas para as componentes alternadas, ou seja,
analisando o sistema oscilando em torno do ponto mdio de funcionamento
encontrado:
= (32)
Analogamente possvel usar o mesmo procedimento para a sada:
(33)
Inserindo as perturbaes e utilizando apenas a parte alternada tem-se:
(34)
Para se obter a funo de transferncia aplicada a transformada de Laplace
nas equaes (32) e (34), conforme mostrado a seguir.
-
(35)
(36)
Substituindo (35) em (36) tem-se:
-
(37)
(38)
31
Onde
Vale ressaltar que esta funo de transferncia representa apenas as
variaes em torno de um ponto mdio de funcionamento, no sendo possvel
simular o funcionamento do circuito com esta planta. A principal funcionalidade deste
modelo no domnio da frequncia fornecer informaes necessrias ao projeto de
controladores clssicos (ERICKSON e MAKSIMOVIC, 2000). O ponto mdio em
torno do qual a planta representa seu funcionamento definido pelo valor da
varivel X, que corresponde aos valores mdios de regime permanente das
variveis de estado, sendo o mesmo escrito em funo das entradas CC, dos
elementos do circuito e da largura de pulso mdia, como visto em (30) e (31).
2.2.7 Projeto do controlador Fuzzy P+I
Para o projeto dos ganhos do controlador fuzzy tomado como base um
controlador clssico PI, que projetado utilizando a funo transferncia G(s) da
equao (38) da seo anterior, considerando os seguintes parmetros escolhidos
de forma a minimizar as oscilaes de corrente na indutncia e tenso no painel.
Os valores da resistncia de carga ( ), tenso de entrada ( ) e o ciclo de
trabalho mdio ( ), so escolhidos de modo a gerar um valor de regime permanente
das variveis de estado nos valores nominais, que so:
32
Ou seja, em regime permanente deseja-se 120 V no barramento CC com uma
tenso de entrada de aproximadamente 36 V e uma corrente de descarga das
baterias de no mximo 10% da capacidade das baterias, que um pouco abaixo de
4 A.
Utilizando a ferramenta de sintonia Sisotool presente no MatLab so obtidos
os seguintes ganhos normalizados para o controlador PI.
(39)
Na Figura 2.24 so mostrados os diagramas de Bode para a malha aberta de
G(s) compensada e no compensada, enquanto que na Figura 2.25 tem-se o
diagrama para a malha fechada compensado. Observa-se que o controlador PI
reduz a frequncia de corte do sistema de aproximadamente 2 kHz para
aproximadamente 400 Hz, ou seja, abaixo de uma dcada da frequncia de
chaveamento utilizada (10 kHz), como recomendado em (MACHADO, 2005).
Figura 2.24- Diagrama de Bode em malha aberta para a planta G(s) Boost no
compensada e compensada com controlador PI.
33
Figura 2.25 Diagrama de Bode em malha fechada para planta G(s) Boost
compensada e no compensada com controlador PI.
De posse do projeto do controlador clssico para um conversor Boost, o
mesmo usado como critrio para a obteno do ganho integral do controlador
fuzzy P+I, proposto logo em seguida, dando dessa forma uma ideia dos valores a
serem usados, uma vez que para este tipo de controlador no existe uma
metodologia especfica de sintonia.
Com o intuito de controlar a corrente de carga, descarga e a tenso nos
terminais da bateria, apresentada uma estratgia de controle de forma a se ter
mnimo sobre sinal e mnimo erro em regime permanente. Entretanto,
diferentemente do que ocorre em outros sistemas nos quais a planta e a varivel a
ser controlada pouco se alteram, o sistema de carga e descarga das baterias um
sistema dinmico, variando sua planta medida que o processo avana. Esta
alterao na planta se d devido inverso do sentido do fluxo de energia do
conversor bidirecional, que altera o circuito do conversor Boost para Buck, alm da
mudana da varivel de controle que alterada de corrente para tenso, durante a
carga e descarga das baterias, caso o mtodo de carga a dois nveis de tenso seja
utilizando (seo 2.1.6).
Visto que a planta e a varivel de controle do sistema se alteram durante o
processo de carga e descarga da bateria, um controlador clssico dificilmente
satisfaria os requisitos dinmicos da planta (mnimo sobre sinal, tempo de resposta,
34
etc), a menos que fosse usada uma estratgia chaveada, alterando o compensador
para cada modo de operao. Desta forma, proposto um controlador do tipo fuzzy
P+I para que este possa atuar em qualquer situao do conversor bidirecional,
facilitando as aes de controle, operao e reduzindo a complexidade do
controlador quando este comparado ao controlador clssico chaveado. A Figura
2.26 mostra a estrutura do controlador fuzzy P+I, bem como, o sistema de carga e
descarga das baterias a ser controlado.
Neste tipo de controlador, o bloco fuzzy funciona como um bloco proporcional,
agindo sobre o erro de regime transitrio, enquanto o bloco integral trabalha para
zerar o erro de regime permanente, logo uma constante integral grande, reduz o
tempo de estabilizao aumentando o sobre sinal. Uma constante integral pequena
reduz o sobre sinal, mas eleva o tempo de acomodao.
Na execuo deste projeto o ganho integral ajustado com o valor
determinado pela metodologia clssica de sintonia do PI descrita no incio desta
seo. J o clculo da resposta fuzzy substitudo por uma tabela contendo as
sadas correspondentes para cada entrada, dentro de um universo de discurso da
entrada normalizada, logo a reduo do nmero de entradas reduz,
exponencialmente, o tamanho desta tabela, alm disso, o aumento do nmero de
entradas pode no se traduzir em aumento de eficincia.
Figura 2.26 Sistema de controle proposto fuzzy P+I.
35
Na Figura 2.27, apresentada uma superfcie fuzzy com duas entradas, erro
e derivada do erro, para o controle de um conversor Boost usado em
(MOAMBIQUE, 2012). Nota-se que para diferentes valores de a sada em
funo do erro quase no se modifica, isso mostra que em determinadas situaes o
aumento da complexidade no se traduz em aumento da eficincia.
Figura 2.27 Superfcie fuzzy de um controlador fuzzy PD+I, contendo duas entradas (MOAMBIQUE, 2012).
Com o intuito de simplificar o sistema fuzzy, apenas o erro utilizado como
entrada, visto que para este tipo de aplicao a derivada do erro no acrescenta
informaes adicionais com o aumento da complexidade.
Calculando o erro, este normalizado em funo da referncia, ou seja, um
erro igual referncia equivale a 100% de erro ou igual a 1. Isso feito, pois o
sistema altera a varivel de controle durante o processo, assim esta normalizao
permite que o universo de discurso das entradas esteja sempre entre 0 e 1, tornando
o bloco fuzzy compatvel com qualquer uma das entradas, tenso ou corrente.
Para gerar a superfcie do sistema fuzzy so utilizadas apenas funes de
pertinncia triangulares devido simplicidade e eficincia. Como operador de
composio utilizado o MAX-MIN, operador Mandani para implicao, MAX para
agregao e o mtodo do centroide para defuzzyficao.
A construo das regras que relaciona a entrada com a sada fuzzy definida
pelo conhecimento da dinmica do sistema. Baseando-se neste conhecimento, a
Tabela 2.4 construda com o intuito de mostrar a base de regras para o controlador
do conversor bidirecional.
36
Tabela 2.4 Regras do controlador fuzzy.
A Tabela 2.4 relaciona as funes de pertinncia de entrada e sada,
representadas pelas Figuras 2.28 e 2.29, que so ajustadas manualmente. Aps
defuzzificadas atravs do mtodo do centroide que fornece a superfcie da Figura
2.30.
Figura 2.28 Funes de pertinncia de entrada ajustadas manualmente.
Figura 2.29 Funes de pertinncia de sada ajustadas manualmente.
37
Figura 2.30 Superfcie fuzzy obtida pela defuzzyficao pelo mtodo do centroide.
Na implementao do sistema fuzzy em hardware, a superfcie da Figura 2.30
inserida em forma de uma tabela, na qual cada entrada produzir uma nica sada.
A insero de uma tabela torna o clculo da resposta fuzzy muito mais rpido em
comparao com o clculo pelo mtodo fuzzy clssico, que envolve muitas
operaes com vetores e clculos que exigem pesado processamento, como no
caso do clculo do centro de rea. Vale ressaltar que assim como o mtodo
tabelado, o mtodo fuzzy clssico depende, tambm, de valores discretos, pois suas
funes de pertinncia utilizadas no clculo da resposta fuzzy so discretizadas.
Assim, dependendo da discretizao utilizada o mtodo tabelado pode apresentar
melhor resultado alm de maior velocidade de processamento. Entretanto, caso o
sistema fuzzy tenha mais de uma entrada, o mtodo tabelado torna-se questionvel
devido quantidade de dados que precisam ser armazenados.
2.2.8 Modelo linearizado do painel fotovoltaico
O sistema fotovoltaico no linear e variante no tempo devido s
caractersticas eltricas dos painis fotovoltaicos que associados ao efeito do
chaveamento, resultam em equaes diferenciais complexas. No entanto, pode-se
linearizar o modelo do painel em torno de determinados pontos de funcionamento
(neste caso ser em torno do ponto de mxima potncia) considerando pequenas
perturbaes (MOAMBIQUE, 2012).
Abaixo se tem as tabelas 2.5, 2.6 e 2.7 que mostram as especificaes de
placa de um conjunto de 2 painis Kyocera (KC130TM), os parmetros ajustados
38
para o modelo generalizado formado pelos dois painis e os parmetros do
conversor elevador que usado na busca do ponto de mxima potncia.
Tabela 2.5 Especificaes eltricas do mdulo solar KC130TM
Smbolo Parmetro Valor Unidade
Potncia Mxima 260,1 W Tenso em 35,2 V Corrente em 7,39 A Tenso de circuito aberto 43,8 V Corrente de curto circuito 8,02 A Coeficiente de temperatura de -8.21x
V/C
Coeficiente de temperatura de -3.18x A/C
Tenso mxima do sistema 600 V
Tabela 2.6 Parmetros do modelo ajustado do conjunto fotovoltaico formado por
dois mdulos KC130TM conectados em srie.
Smbolo Parmetro Valor Unidade
Corrente gerada pela luz 8,0378 A Corrente de saturao do diodo 3,598 nA Fator de idealidade do diodo 1,1 Resistncia Shunt Equivalente 176,27
Resistncia srie equivalente 0,180
Tabela 2.7 Parmetros do conversor elevador de tenso.
Smbolo Parmetro Valor Unidade
C Capacitor de entrada 1 mF
L Indutor 5 mH
Resistncia srie do indutor 0,3 D Razo cclica nominal 0,7
Tenso nominal de sada 120 V
Abaixo apresentada a equao caracterstica (5) que representa o modelo
do painel fotovoltaico.
A linearizao feita em torno do ponto de mxima potncia, que o ponto
de interesse, como mostrado na Figura 2.31.
39
Figura 2.31 Linearizao em torno do ponto de mxima potncia (PMP) para o mdulo fotovoltaico KC130TM.
O modelo linear determinado pela reta tangente no PMP dado por
(MOAMBIQUE, 2012; VILLALVA, 2010) pode ser escrito como:
(40)
Tal que
(41)
Onde a resistncia dinmica da clula que depende da irradiao e
temperatura da clula e, portanto, possui comportamento variante no tempo
(MOAMBIQUE, 2012). Utilizando a equao (40) determina-se o circuito
equivalente nas vizinhanas do PMP como na Figura 2.32, sendo e
, (VILLALVA, 2010).
Figura 2.32 Circuito linear equivalente no ponto de mxima potncia.
Utilizando os parmetros das tabelas 2.5 e 2.6, e com o painel linearizado no
PMP, obtm-se e .
40
2.2.9 Modelo do conversor Boost acoplado ao modelo linearizado do painel
Considerando o capacitor de sada, suficientemente, grande e a presena de
um regulador de tenso no barramento CC, tem-se o modelo linearizado do painel
acoplado ao conversor elevador Boost e ao barramento CC, Figura 2.33.
Figura 2.33 Modelo do painel linearizado acoplado ao conversor Boost.
Para o projeto do controlador PI que aplicado na busca do ponto de mxima
potncia, utilizada a mesma metodologia para obteno da funo de transferncia
mdia aplicado no conversor Buck-Boost bidirecional, gerando as matrizes de
estado e ponderando-as no tempo. Considerando o conversor operando no modo de
conduo contnua, o sistema apresenta dois estados que so apresentados nas
Figuras 2.34, 2.35.
Modelo com chave fechada
Figura 2.34- Modelo linearizado do painel acoplado ao Boost com chave ligada.
(42)
(43)
41
Na forma matricial tem-se:
(44)
(45)
Modelo com chave aberta
Figura 2.35- Modelo linearizado do painel acoplado ao Boost com chave desligada.
(46)
(47)
Na forma matricial tem-se
(48)
(49)
Utilizando a equao (37) e as matrizes (44), (45), (48) e (49) do modelo
obtm-se a funo de transferncia
que usada no projeto do
controlador PI da tenso de sada do painel, alm do diagrama de bode da planta do
sistema, apresentado na Figura 2.36.
(50)
42
Figura 2.36 - Diagrama de Bode para o modelo linearizado do painel acoplado ao conversor Boost.
Utilizando o sisoTool do Matlab para sintonia do PI com uma largura de banda
de 1000 Hz e 80 de margem de fase, obtm-se os ganhos para o controle da
tenso de sada do painel, Figura 2.37.
(51)
Figura 2.37 Sistema de controle do painel fotovoltaico.
43
2.3- Sistema de injeo de potncia na rede
Nas simulaes e na execuo deste trabalho, o sistema de injeo de
potncia na rede eltrica considerado como uma carga controlvel cujo fluxo de
potncia drenado poder ser controlado (Figura 2.38), uma vez que o interesse
deste trabalho est na influncia do controle do fluxo de potncia sobre a tenso
comum no barramento CC e no na gerao de tenses sincronizadas e
balanceadas com a rede. Este sistema garantir a estabilizao da tenso comum
no barramento CC atravs do equilbrio entre a potncia gerada e potncia
consumida, estabelecido pela Equao (2).
Figura 2.38 sistema de injeo trifsico e equivalente.
A proximidade entre o sistema trifsico de injeo e a simplificao pode ser
vista pela Figura 2.39, que mostra as formas de onda de corrente drenada para cada
uma das topologias da Figura 2.38. Ambas as correntes tem uma caracterstica
pulsada na frequncia do chaveamento, entretanto a corrente drenada pelo inversor
trifsico possui outra componente pulsada com uma frequncia de seis vezes a
frequncia fundamental gerada pelo inversor. Desta forma, quando se est
simplificando o sistema de injeo baseado em um inversor trifsico de seis pulsos
por uma carga controlada chaveada, do ponto de vista do barramento CC, est se
eliminando a componente harmnica de sexta ordem da corrente drenada, fazendo
com que esta simplificao seja vlida para os fins desejados neste estudo.
44
Figura 2.39 - Corrente drenada do barramento CC para um inversor trifsico e para o
sistema simplificado considerado na Figura 2.38.
Para o controle da tenso do barramento CC utilizada uma estrutura
idntica estrutura para o controle do conversor bidirecional, definida na seo 2.3
com mnimas diferenas que so: a inverso de sinal na sada do compensador e o
valor do ganho integral. A inverso na sada do compensador necessria, pois a
lgica de controle invertida, ou seja, se o erro positivo (tenso abaixo da
referncia) preciso realizar uma ao de controle com uma atuao negativa
(reduzir a potncia drenada). Logo, a sada do compensador precisa ser invertida,
como mostra a Figura 2.40. Por outro lado, o valor do ganho integral precisa ser
ajustado de acordo com a dinmica deste sistema, que diferente da dinmica do
conversor bidirecional.
Figura 2.40- Sistema de controle fuzzy P+I, aplicado no controle da tenso do barramento CC.
45
2.4 - Consideraes finais
Neste captulo descrito o sistema de carga e descarga das baterias, no qual
so mostradas as principais caractersticas das baterias de chumbo-cido, os
mtodos de carga empregados, assim como o mtodo a dois nveis de tenso que
utilizado na execuo deste trabalho. Outro ponto importante discutido o mtodo
de estimao do SOC interativo, que permitir estimar durante o processo de carga
ou descarga o estado de carga das baterias, facilitando a operao do sistema.
Para o controle da planta preciso equilibrar a potncia gerada potncia
consumida para que a tenso comum do barramento CC se estabilize, uma vez que
o algoritmo de busca da mxima potncia d uma caracterstica de fonte de potncia
aos painis.
Alm disso, foram descritos os modelos em espao de estado e a
metodologia para obteno das funes de transferncias em torno de um ponto
mdio, que so usadas no projeto de controladores clssicos para o conversor
bidirecional e painel fotovoltaico.
O projeto do controlador para o circuito bidirecional desenvolvido usando
um controlador do tipo fuzzy P+I devido necessidade de um controlador adaptado
as alteraes da planta. J o bloco fuzzy executado em hardware atravs de uma
tabela, pois a metodologia clssica de clculo da resposta fuzzy onera
processamento e apresenta resultados semelhantes ao fuzzy tabelado.
O projeto do controlador PI para o conversor elevador responsvel pela
execuo do MPPT feito levando em considerao a linearizao do modelo do
painel em torno do ponto de mxima potncia, assim possvel obter uma planta
deste sistema e a sintonizao do PI em questo.
mostrada, tambm, a simplificao feita no modelo do sistema de injeo
de energia na rede, uma vez que o interesse deste projeto no efeito do controle do
fluxo de potncia e no na gerao de tenses e correntes sincronizadas com a
rede. Assim, um modelo mais simples facilita a simulao e o entendimento da
dinmica do sistema.
46
47
3-Estudo de casos
Neste captulo so mostradas as simulaes envolvendo os modelos das
baterias, painel fotovoltaico, algoritmo de busca MPPT e as metodologias de
controle apresentadas no captulo anterior que incluem simulaes do sistema de
estimao do SOC, controle de corrente da bateria, inverso de corrente do circuito
bidirecional, controle da tenso no barramento CC durante a inverso de corrente,
controle da tenso no barramento CC durante queda da irradiao, alm do
comportamento do algoritmo de busca durante todas estas situaes.
Todas as simulaes so executadas levando em considerao a
discretizao realizada pelo processador que utilizado na montagem do prottipo.
Isso feito para que a simulao seja o mais fiel possvel ao sistema real evitando,
portanto, fenmenos no previstos na execuo do projeto.
3.1 Estimador de SOC.
Para simular a estimao do SOC de uma bateria de chumbo-cido utilizado
o modelo da bateria e istente no Simulink (MatLab) mostrado na Figura 3.1.
Figura 3.1 Bloco da bateria e modelo.
48
Este modelo leva em conta o comportamento no linear da tenso durante a
carga ou descarga, alm das perdas hmicas devido resistncia interna.
criada uma forma de onda chaveada com uma frequncia de 5 kHz e
atravs da equao (3) estima-se o SOC da bateria, comparando com o SOC que
fornecido pelo prprio bloco do Matlab. Na Figura 3.2, o
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