Projeto de um sistema fotovoltaico autônomo de suprimento de energia usando técnica MPPT e controle digital
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Resumo
O presente trabalho apresenta o projeto de um carregador de baterias de chumbo ácido para aplicações em sistemas fotovoltaicos autônomos de baixo consumo de energia, a partir de um conversor de potência tipo Buck, com controle digital para o processo de carregamento por meio de um processador digital de sinais TMS320F2812 de Texas Instruments. Para auxiliar o dimensionamento dos componentes do conversor de potência foi simulado o arranjo fotovoltaico, ajustados seus parâmetros ao de um módulo comercial, os resultados obtidos mostraram a concordância das curvas características simuladas e aquelas fornecidas pelo fabricante. Visando maximizar a energia produzida pelos painéis fotovoltaicos é utilizada uma técnica de rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT - maximum power point tracking). Para a escolha da técnica MPPT foi realizado um estudo comparativo das três técnicas mais utilizadas: tensão constante (CV - Constant Voltage), perturbação e observação (P&O - Perturbation and Observation) e condutância incremental (IncCond - Incremental Conductance). A análise foi feita através de simulações que consideraram diversas condições de operação do arranjo fotovoltaico. São propostas baterias eletroquímicas para o armazenamento da energia elétrica convertida pelos painéis fotovoltaicos. Ao analisar as curvas de tensão e de corrente de uma bateria, percebe-se a necessidade de uma elaborada estratégia de controle para providenciar o carregamento. Deseja-se carregar completamente as baterias, dentro de seus limites, o mais rápido possível já que o período diário de geração de energia fotovoltaica é limitado. Para garantir o carregamento completo, rápido e seguro das baterias uma estratégia de controle diferenciada para o conversor Buck é apresentada. Na condição de bateria descarregada, é importante que o arranjo de módulos fotovoltaicos funcione no ponto de máxima potência, para aplicar o maior valor de corrente às baterias visando carregá-las o mais rápido possível. Quando a tensão da bateria atingir o valor máximo permitido pelo fabricante (tensão de equalização), o carregamento deve continuar a tensão constante com limitação de corrente para evitar danos da bateria pela formação excessiva de gás. Para o conversor Buck é apresentada a técnica das variáveis médias no espaço de estado para a obtenção de um modelo linear, válido para pequenas variações em torno do seu ponto de operação no estado permanente. Com esse modelo foram obtidas as funções de transferência necessárias para o projeto dos compensadores analógicos, os quais foram digitalizados através de técnicas de discretização visando manter um desempenho semelhante. Resultados de simulações obtidas com o programa Matlab, bem como resultados experimentais obtidos com um protótipo implementado no laboratório são usados para testar o desempenho do carregador, e seus compensadores.
Abstract
This work presents the design and development of a battery charger aiming at applications in autonomous photovoltaic systems of low energy consumption, using a Buck type converter with digital control for the loading process based on a digital signal processor TMS320F2812 from Texas Instruments. In order help dimensioning the converter components the photovoltaic set was simulated, its parameters were adjusted according to a commercial module and the results showed similarity with the characteristic curves provided by the manufacturer. Aiming at the maximum energy produced by the photovoltaic panels, thus reducing the charging cycle, a maximum power point tracking MPPT technique was used. In order to choose the most adequate approach, a comparative study was carried on with the three most used MPPT techniques: Constant Voltage - CV, Perturbation and Observation P&O and Incremental Conductance IncCond. The analysis was made based on simulations which have taken into account varied operation conditions of the photovoltaic set. Electrochemical batteries are the ones proposed for the converted photovoltaic energy storage. Through the analysis of the voltage and current curves of such batteries, it is clear that one needs an elaborated control strategy in order to provide an adequate charging cycle. It is desired to completely charge the batteries, within its specified limits, as fast as possible, once the daily generation period is limited. In order to guarantee a complete, fast and secure charge of the batteries, a differentiated control strategy for the Buck converter is presented. When starting the charging process with the batteries discharged, it is desired that the photovoltaic modules operate at their maximum power, so that the batteries will charge as fast as possible. When the battery voltage reaches the maximum specified value (equalizing voltage), the charging process must go on with this constant voltage level and with current limitation in order to avoid damages to the battery due to excessive gas production. A linear model for the Buck converter is obtained, based on state space averaged variables, valid for small signal perturbation around a given operating point. With this model, transfer functions were obtained, which were used for the design of the analogical compensators, which were digitalized through appropriate discrete time approaches. Simulation results obtained using Matlab, as well as experimental tests made in a prototype developed in laboratory, were carried on in order to validate the project and test the charger performance.
Assunto
Engenharia elétrica
Palavras-chave
Engenharia elétrica