sistema de gerenciamento de carga e descarga baterias pb

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


4 Execuo e resultados experimentais ............................................... 65

4.1 Materiais utilizados ...................................................................... 65

4.2 Resultados experimentais .......................................................... 70


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.

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.

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


tenso nos terminais do PV durante alterao da irradiao

bruscamente em 0,3 s ..........................................................................

59


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


tenso terminal do sistema PV durante a variao da irradiao ........

63


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

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

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]

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.


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.


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.

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

sistema de gerenciamento de carga e descarga baterias pb

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