Comparação de topologias de conversores CC-CC flyback com grampeamento ativo para aplicações MPPT

Abstract

Com o aumento no consumo de energia, medida que os países industrializam-se e se desenvolvem, incentiva-se a busca por fontes de energia renováveis, sendo que, no Brasil, a utilização da energia solar cresce ano após ano graças ao seu excelente potencial solar. Os painéis solares são formados por combinações série e paralelo de células fotovoltaicas, cujos arranjos são determinados com o objetivo de atingirem-se os potenciais desejados. Tais módulos são capazes de converter energia luminosa em elétrica, com potência e ponto ótimo de operação que variam de acordo com os níveis de irradiação e temperatura. Desta forma, utilizam-se conversores de corrente contínua para corrente contínua, CC-CC, ou de corrente contínua para corrente alternada, CC-CA, como ponte entre o painel solar e a carga, cuja razão cíclica é controlada por algoritmos de rastreamento de máxima potência para maximizar o aproveitamento da energia disponível. No presente trabalho, inicialmente, estudam-se, projetam-se e simulam-se dois conversores CC-CC ressonantes isolados com o objetivo de comparar seus desempenhos e características em regime permanente (RP). Após a definição do conversor mais adequado à aplicação, realizam-se simulações em malha fechada, onde aplicam-se saltos rápidos no nível de irradiação do painel solar e utilizam-se os algoritmos P&O (Perturbar e Observar) e InC (Condutância Incremental) para rastrear o ponto de máxima potência ou MPP, obtendo-se, assim, suas trajetórias, eficiências e seus comportamentos em torno do MPP. Em seguida, utiliza-se o algoritmo Perturbar e Observar e realizam-se novas simulações, com enfoque nas formas de onda do conversor, para verificar o desempenho do sistema completo sujeito às variações climáticas. Por fim, implementa-se o FBGA com dupla conversão na prática, juntamente com seu circuito de instrumentação e drive das chaves, momento no qual encontram-se dificuldades no ajuste das características ressonantes do conversor, constatando-se perdas indesejadas e operação fora do ponto para o qual o conversor foi projetado.

With the increase in energy consumption, as countries industrialize and develop, the search for renewable energy sources is encouraged. In Brazil, the use of solar energy grows year after year thanks to its excellent solar potential. Solar panels are formed by series and parallel combinations of photovoltaic cells, whose arrangements are determined in order to achieve the desired potentials. Such modules are capable of converting light energy into electrical energy, with optimum power and operating point that vary with irradiation levels and temperature. In this way, direct current to direct current, DC-DC, or direct current to alternating current, DC-AC, converters are used as a bridge between the solar panel and the load, whose cyclic ratio is controlled by maximum power tracking algorithms to maximize the utilization of the available energy. In the present work, initially, we study, design and simulate two isolated resonant DC-DC converters in order to compare their performances and characteristics in steady state. After choosing the most suitable converter for the application, closed-loop simulations are performed, where fast steps on the solar panel irradiation level are applied and the Perturb and Observe, or P&O, and Incremental Conductance, or InC, algorithms are used to track the MPP (Maximum Power Point), obtaining thus their trajectories, efficiencies and their behavior around MPP. Then, the Perturb and Observe algorithm is used and new simulations are performed, focusing on the converter waveforms, to verify the performance of the complete system subject to climate variations. Finally, the double conversion FBGA is implemented in practice together with its instrumentation circuit and driver for the switches. During the open-loop tests of the converter, it can be seen that it is a hard task to adjust the resonant characteristics of the regulator, reason why unwanted losses and operation outside the point can be verified.