Como é Realizado o MPPT

SOLAR POWER WORLD, 2016.

A figura acima mostra como funciona um esquemático padrão de um Inversor Solar, este texto se atentará em desenvolver apenas o MPPT em si, um artigo posterior descreverá o inversor completo.

A complexidade do circuito eletrônico de um inversor e o modo como são desenvolvidos varia de fabricante para fabricante, e é de se entender, que a função deste artigo é simplificar o modelo, deixando explícito que o circuito é muito mais complexo do que o aqui apresentado.

Dito isto, a corrente e a tensão do painel são medidas por sensores no circuito eletrônico do inversor, esse valor é calculado pelo controlador MPPT (1), que envia a um Conversor Boost (2) um sinal de referência. Um conversor boost, figura abaixo, é por definição um conversor DC-DC que eleva a tensão de saída em relação a tensão de entrada de acordo com a frequência de chaveamento na chave S, também conhecido como Duty Cicle (D).

Kumar, Saurabh & Kumar, Rajat & Singh, Dr. Navdeep. (2017). Performance of closed loop SEPIC converter with DC-DC converter for solar energy system.

Quando aplicado a um inversor, o conversor boost não possui apenas a função de elevar a tensão de saída, mas também de regular a tensão de entrada. Os circuitos operam em malha fechada, portanto o feedback de potência gerada sempre altera os parâmetros de todos os elementos do circuito.

Referenciando uma tensão de saída no Conversor Boost (2) através da variação do valor de referência enviado pelo controlador MPPT (1), o Conversor “forçará” o Arranjo de Módulos Fotovoltaicos (3) a operar na tensão em que o MPP está localizado.

A potência gerada, então, é enviada ao conversor CC-CA, que transforma ela nos parâmetros da rede definidos pela concessionária local.

Técnicas

Para se realizar o MPPT existem algumas técnicas que podem ser empregadas. Essas técnicas visam sempre o mesmo objetivo: fazer a placa operar no MPP. Porém, o modo como cada uma realiza este processo faz com que exista diferença no nível de complexidade, preço e rendimento do projeto total. As técnicas são: tensão constante (TC), condução incremental (IncCond) e perturba e observa (P&O) (SEGUEL, 2009).

Esta técnica baseia-se no conhecimento empírico de que a tensão de potência máxima e tensão de circuito aberto tem uma relação linear, independentemente de qualquer variação de temperatura e radiação. Essa relação linear pode ser descrita através da equação.

Vmin = k1Voc

Tal que:

Vmáx = Tensão de potência máxima;

k1 = Constante de variação;

Voc = Tensão de circuito aberto.

A constante k1 é um valor constante a ser definido empiricamente, pesquisas laboratoriais afirmam que o k1 fica geralmente entre 0,7 e 0,8 se a radiação solar for maior que 300 W/m2, e a temperatura ambiente ficar entre 10ºC e 60ºC, portanto o valor a ser escolhido é um número entre 0,7 e 0,8. 

Para esse sistema funcionar é necessário abrir o circuito e medir a tensão de circuito aberto (Vmáx), após isso deve ser multiplicado pela constante k1 previamente escolhida (Vpa(k)), e o resultado deve ser comparado com o valor atual de tensão nominal (Vpa) e gerar um sinal de erro que irá ajustar a tensão de referência (Vc), conforme mostra o diagrama da figura abaixo.

Fonte: Seguel (2009, p. 84).

Embora não necessite de microcontroladores, barateando o projeto e diminuindo um pouco o nível de complexidade devido a não necessidade de programação, esse sistema apresenta a desvantagem de usar chaves adicionais para fazer a abertura do circuito necessária para medir a tensão de circuito aberto. Outra desvantagem é que não é possível corrigir a tensão de referência automaticamente, pois é necessário esperar a abertura do circuito para medir, e quanto mais medições houverem, menos o painel estará operando, portanto, é necessário achar uma boa frequência de medição, que não afete a eficiência do circuito e nem demonstre um erro muito grande.

Porém, a pior desvantagem desta técnica é que devido à definição do k1 ser fixa, e a variação entre a tensão de potência máxima e tensão de circuito aberto ser variante, sempre haverá, em regime permanente, uma diferença entre a produção e a possibilidade de produção, por menor que ela seja (SEGUEL, 2009).

Condutância Incremental

Esta técnica compara a curva entre potência versus tensão para realizar a busca pelo MPP. Ela permite avaliar em que lado da curva de potência o sistema está, ou seja, se aumentando a tensão a potência irá aumentar ou diminuir, como mostra a figura abaixo. Para o cálculo, é necessário saber se o valor de potência entre o momento atual e o momento anterior aumentou ou diminuiu, ou seja, se a variação de potência foi positiva ou negativa. Junto a isso, é necessário saber se essa variação foi feita em conjunto com que variação de tensão da placa. Sabendo-se que o máximo local de uma função é encontrado quando se deriva a função que descreve a curva e seu resultado é zero, é possível realizar a derivada da potência no tempo e descobrir se é zero (SEGUEL, 2009).

Tal que:

dP = Variação da potência;

dV = Variação da tensão.

Como o sistema lê e realiza operações com a leitura de tensão e corrente é possível reorganizar a equação, através da equação abaixo.

Usando notação de Leibniz:

Reorganizando para o MPP:

Com essa fórmula em mente são possíveis três casos:

, neste caso o sistema está trabalhando no MPP;

, neste caso o sistema está abaixo do MPP, porque a tensão é menor do que a tensão necessária;

,neste caso o sistema está trabalhando acima do MPP, porque a tensão é maior do que a tensão necessária.

A figura abaixo demonstra o funcionamento do MPPT com condutância incremental, é possível perceber que o sistema alcançará o MPP com incrível precisão, porém, para se aplicar esta técnica é necessário um hardware com um maior nível de complexidade, encarecendo o projeto.

Fonte: Seguel (2009, p. 102).

Perturba e Observa (P&O)

É muito usado devido a não apresentar os problemas de interrupção de produção de energia, que o método de tensão constante apresenta, e também não possui a complexidade de hardware da Condutância Incremental. Nesse método a razão cíclica de um conversor CC-CC (Em casos isolados algum outro elemento além da razão cíclica pode ser utilizado, porém, o nível de complexidade do projeto aumenta consideravelmente) é alterado para realizar um MPPT.

A razão cíclica é calculada considerando a tensão de entrada e a tensão de saída de um conversor. Se, a tensão de saída for fixa, a razão cíclica irá controlar a tensão de entrada. Sabendo-se a potência gerada pela placa através de sensores, o software pode reconhecer se a potência está aumentando ou diminuindo comparando o valor atual com o valor da amostra anterior. Tendo em mente esses dois fatos, a técnica P&O irá simular uma tensão de entrada no cálculo da razão cíclica, chamada de tensão de referência. Essa tensão de referência será constantemente alterada tanto positiva quanto negativamente (SEGUEL, 2009).

Fonte: Seguel (2009, p. 102).

Se a variação de potência for positiva, a variação da tensão de referência deve continuar sendo direcionada no mesmo sentido que foi feito na última varredura do software, se a variação de potência for negativa, a variação de sinal deve ser realizada no sentido oposto. A Figura 13 demonstra os quatro casos que podem ocorrer no método P&O. A explicação deles é a seguinte:

  • A potência está diminuindo e a variação de tensão de referência foi negativa, deve-se na próxima varredura variar positivamente a tensão de referência;
  • A potência está aumentando e a variação de tensão de referência foi positiva, deve-se na próxima varredura variar positivamente a tensão de referência;
  • A potência está aumentando e a variação de tensão de referência foi negativa, deve-se na próxima varredura variar negativamente a tensão de referência;
  • A potência está diminuindo e a variação de tensão de referência foi positiva, deve-se na próxima varredura variar negativamente a tensão de referência.

O fluxograma da versão mais básica deste método pode ser observado na figura abaixo:

Fonte: Seguel (2009, p. 93).

Autores

Engenheiro Ezequias Silveira Peruzzo

Ezequias Silveira Peruzzo

Engenheiro Eletricista e Técnico de P&D na Solar Inove.

Engenheiro Guilherme Peters Junior

Guilherme Peters Junior

Engenheiro Eletricista e Analista de Marketing e P&D na Solar Inove.

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