Processamento da Energia Solar Fotovoltaica - UDESC · Processamento da Energia Solar Fotovoltaica Professor: Marcello Mezaroba Dr. Email: [email protected] Maio de 2016

Processamento da Energia Solar

Fotovoltaica

Professor: Marcello Mezaroba Dr.

Email: [email protected]

Maio de 2016

Sumário

I. Características dos Painéis Fotovoltaicos;

II. Associação de PVs

III. Técnicas de Rastreamento de Máxima Potência

IV. Sistemas Fotovoltaicos

V. Conversores para Geração Fotovoltaica

VI. Técnicas de controle de inversores

VII.Normas e Legislação

D

If

Rp

Rs

Id

I

V

+

-

Ip

• If = Corrente de fóton

• Id = Corrente do diodo

• Ip = Corrente do resistor em

paralelo

• I = Corrente de saída

• I = If - Id - Ip

Tensão (V)

Corr

ente

(A

)

(VMP, IMP)

Fonte de

corrente

Fonte de

tensãoPMP

(VOC, 0)

(0, ISC)

Tensão (V)

Po

tên

cia

(W)

(VMP, PMP)

Fonte de

corrente

Fonte de

tensãoPMP

(VOC, 0)(0, 0

)

Modelo real de uma célula fotovoltaica

Associações de células fotovoltaicas



Efeito da Variação da Irradiação sobre os PVs

0

2

4

6

8

Curvas IV a 25°C

0 5 10 15 200

50

100

150

Po

tên

cia

(W)

1000 W/m² @ 25°C

800 W/m² @ 25°C

600 W/m² @ 25°C

400 W/m² @ 25°C

200 W/m² @ 25°C

Co

rren

te (

A)

Tensão (V)

PMP(17,5 ; 130,3)

(16,0 ; 23,7)

1000 W/m² @ 25°C

800 W/m² @ 25°C

600 W/m² @ 25°C

400 W/m² @ 25°C

200 W/m² @ 25°C

PMP(17,5 ; 7,43)

(16,0 ; 1,48)

Curvas I x V e P x V e o efeito da irradiação

Efeito da variação de temperatura sobre os PVs

0

2

4

6

8

Curvas IV a 25°C

0 5 10 15 200

50

100

150

Po

tên

cia

(W)

1000 W/m²

Co

rren

te (

A)

Tensão (V)

PMP(17,5 ; 130,3)

(13,5 ; 98,43)

25 °C

PMP(17,5 ; 7,43)

46 °C

60 °C

80 °C

1000 W/m²

(13,5 ; 7,29)

25 °C

46 °C

60 °C

80 °C

Curvas I x V e P x V e o efeito da temperatura

Associações de painéis fotovoltaicos

I

V

+

-

I

V

+

-

Associação em série

com diodo de by-pass

Associação em paralelo com

diodo de bloqueio

Associações de painéis fotovoltaicos

I

V

+

-

I

V

+

-

Associação mista em

ramosAssociação mista com

redundância

Efeito do sombreamento parcial no MPP

Ia

Va

+

-

I1 I2

V2

+

-

V4

+

-

V1

+

-

V3

+

-

D1 D2

D4D3C

orr

ente

(A

)P

otê

nci

a (W

)

Tensão (V)

Múltiplos pontos de máxima potência

0 5 10 15 20 0

50

100

0,0

2,5

5,0

7,5

10,0

Ponto de inflexão

D3 ativoD3 não ativo

Ia

I2

I1

Pa

P2

P1

Associação mista com

módulo sombreado Curvas I-V e P-V

Técnicas de rastreamento de máxima potência (MPPT)

Principais métodos:

• Tensão Constante (CV)

• Perturba e Observa (P&O)

• Condutância Incremental

(IncCond)

TÉCNICAS DE MPPT

Tensão Constante (CV)

Início

Leitura de Vpv

Cálculo do erro

Erro=Vpv - Vpv(MPP)

D=D+k.Erro

Atualização de D

TÉCNICAS DE MPPT

Perturba e Observa (P&O)

Retorna

Incrementa

Vref

Entradas: V(t), I(t)

P(t)=I(t)·V(t)

P(t)>P(t-Δ)?S

V(t)>V(t-Δ)?

Decrementa

Vref

Decrementa

Vref

Incrementa

Vref

V(t)>V(t-Δ)?

N

S S NN

P(t-Δ)=P(t)

V(t-Δ)=V(t)

• Simples e ocupa poucos recursos

computacionais.

• Versátil e aplicável a maioria dos

sistemas

• Pode resultar em erros de rastreamento

durante mudanças bruscas na

irradiação.

TÉCNICAS DE MPPT

Condutância Incremental (IncCond)

Retorna

Incrementa

Vref

N

S

Entradas: V(t), I(t)

ΔI=I(t)-I(t-Δt)

ΔV=V(t)-V(t-Δt)

ΔV=0?

ΔI=0?ΔI/ΔV=-I/V?

ΔI/ΔV>-I/V? ΔI>0?

Decrementa

Vref

Incrementa

Vref

S

S

S

S

N

NN

N

Decrementa

Vref

Sistemas de Inversores Fotovoltaicos

Sistemas Isolados sem Armazenamento


Sistemas Isolados com Armazenamento


Sistemas Conectados à Rede Elétrica


Sistemas Híbridos

Conversores para Sistemas Conectados

Classificação dos sistemas

Configurações de sistemas fotovoltaicos

Inversor Centralizado

• Faixa de 100kW‐1MW

• Vários ramos de PVs em

paralelo

• Alta eficiência e baixo custo

• Baixa confiabilidade

• Pouca eficiência do MPPT

• Usado em grandes plantas

Configuração String

• Utilizado em aplicações

residenciais (1.5‐15 kW)

• Cada conjunto de painéis em

série (string) tem seu próprio

inversor

• Bom MPPT

• Os conjuntos PV podem operar

em diferentes orientações.


Configuração Multi-string

• Utilizado em aplicações

residenciais (1.5‐15 kW)

• Cada conjunto de painéis em

série (string) tem seu próprio

conversor cc-cc

• MPPT individual por string

• O Link CC pode ser

compartilhado com outras

fontes de energia ou

acumuladores.


Inversores modulares

• Cada modulo opera

independentemente

• Modularidade facilita a

expansão

• Redução do custo de instalação

(instalação CA)

• Permite obter MPPT individual,

melhorando o MPPT global

• Dispensa os diodos de bloqueio

• Custo elevado do inversor.


Conversores para sistemas fotovoltaicos

Controlador de carga

Inversores para sistemas isolados

Carga

Vcc

D1

D2

S1

S2

Lp1

Lp2

Ls

CargaE

S1

S2

S3

S4

D1

D2

D3

D4

E

C1

C2

Carga

S1

S2

D1

D2 Inversor Push-Pull (isolado)

Inversor Meia Ponte

Inversor Ponte Completa

Conversores para sistemas fotovoltaicos

Conversores para sistemas fotovoltaicos conectados

Conversor CC-CC Elevador + Inversor Ponte Completa isolado em Baixa Frequência


Conversor CC-CC Elevador Isolado em alta frequência + Inversor Ponte Completa


Conversor CC-CC Elevador + Inversor Ponte Completa (sem isolação)


Capacitância parasita de módulos fotovoltaicos• Módulos fotovoltaicos possuem grande superfície;

• Uma capacitância parasite se forma entre o quadro

aterrado e as células fotovoltaicas;

• O valor da capacitância depende:

• Da área da superfície do PV

• Da distância entre as células e o quadro

• De condições atmosféricas e da poeira.

Corrente parasita de módulos fotovoltaicos• A carga e descarga da capacitância parasite cria a

circulação de correntes parasitas;

• A corrente põe em perigo a operação humana e

danifica os painéis.

• A amplitude da corrente depende de:

• Valor da capacitância parasita

• Amplitude e frequência da tensão imposta

• É necessário o monitoramento desta corrente por

questões de segurança.


Comparação entre as topologias

Requisitos para o controle de Inversores1 - Funções básicas – comuns a todos os inversores conectados:

Controle da corrente injetada na rede

• Limite da distorção harmônica da corrente (THD) de acordo com as normas vigentes

• Estabilidade para grandes variações de impedância de rede

• Capacidade de se manterem conectados durante distúrbios na rede elétrica

Controle do barramento CC

• Adaptação à variações da tensão da rede

Sincronização com a rede

• Operação com Fator de Potência Unitário

2 - Funções específicas – comuns a todos os inversores conectados

Rastreamento da máxima potência (MPPT)

• Alta eficiência do MPPT em regime permanente (tipicamente >99%)

• Rápido rastreamento após mudanças bruscas na irradiação

• Operação estável sob baixos índices de irradiação.

Requisitos para o controle de Inversores

Detecção de anti ilhamento (de acordo com as normas vigentes)

Monitoramento da rede

• Sincronização

• Rápida detecção de tensão e frequência

Monitoramento da planta

• Diagnóstico dos PVs

• Detecção de sombreamento parcial

3 - Funções auxiliaries

Suporte de rede

• Controle local da tensão

• Compensação de reativos

• Compensação de harmônicos



Diagrama típico de controle de inversores

Principais normas para geração fotovoltaica

RESOLUÇÃO NORMATIVA ANEEL Nº 482 - Estabelece as condições gerais para o

acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia

elétrica, o sistema de compensação de energia elétrica, e dá outras providências.

• ABNT NBR 16149:2013 – Sistemas fotovoltaicos (FV) – Características da interface de

conexão com a rede elétrica de distribuição.

• ABNT NBR 16150:2013 – Sistemas fotovoltaicos (FV) – Características da interface de

conexão com a rede elétrica de distribuição – Procedimentos de ensaio de

conformidade.

• ABNT NBR IEC 62116:2012 - Procedimento de ensaio de anti-ilhamento para

inversores de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica.

• ABNT NBR 16274:2014 - Sistemas fotovoltaicos conectados à rede — Requisitos

mínimos para documentação, ensaios de comissionamento, inspeção e avaliação de

desempenho


A norma NBR 16149 caracteriza a corrente a ser injetada na rede elétrica:


A norma NBR IEC 62116 define como deve ser o teste de detecção de

ilhamento:

Referências:

1) Teodorescu, Remus, Marco Liserre, and Pedro Rodriguez. Grid converters for photovoltaic and wind

power systems. Vol. 29. John Wiley & Sons, 2011.

2) SISTEMAS DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICO Prof.Dr. Eng. José Renes Pinheiro. Notas de aula

3) PhotoVoltaic Power Systems – PVPS Course, Aalborg University 14‐May‐12

4) Romero-Cadaval, Enrique, et al. "Grid-connected photovoltaic generation plants: Components and

operation." Industrial Electronics Magazine, IEEE7.3 (2013): 6-20.

5) Prof. Denizar Cruz Martins, Roberto Francisco Coelho, Walbermark Marques dos Santos. “Técnicas

de rastreamento de máxima potência para sistemas fotovoltaicos: revisão e novas propostas”

6) Lucas Vizzotto Bellinaso. Metodologia de projeto de inversores para redução do custo de sistemas

fotovoltaicos. 2014. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de

Santa Maria

7) Levy Ferreira Costa. Sistema Fotovoltaico Autônomo com Três Estágios de Processamento de

Energia. 2010. Trabalho de Conclusão de Curso. (Graduação em Engenharia Elétrica) -

Universidade Federal do Ceará.

8) Lucas Lapolli Brighenti. inversores não autônomos associados a autotransformadores multipulsos

para geração fotovoltaica. 2014. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade do

Estado de Santa Catarina

9) Farret, Felix A., and Marcelo G. Simõees. Integration of alternative sources of energy. John Wiley &

Sons, 2006.

10) ROGERS DEMONTI. Processamento da Energia Elétrica Proveniente de Módulos Fotovoltaicos.

2003. 150 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Santa Catarina

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