4.1. BİR ESER MEYDANA GETİRME BORCU
4.1.1. Türk Borçlar Kanunu Kapsamında Yüklenicinin Borcu
4.1.2.2. FIDIC İnşaat Şartları Çerçevesinde Asıl Müteahhitlik-Alt
Geralmente o barramento CC de um sistema fotovoltaico utiliza capacitores eletrolíti- cos para garantir uma tensão com mínima ondulação. Esses capacitores são normalmente submetidos a altos ripples de corrente que podem provocar aquecimento e, consequente- mente, modificar sua característica dinâmica (GASPERI, 2005).
Assim, para um efetivo controle da tensão do barramento CC é necessário descrever um modelo que represente a dinâmica desses capacitores. O modelo do capacitor de- pende de vários parâmetros de operação e de algumas não linearidades, que podem ser determinadas pela: i) vida útil, ii) temperatura, iii) frequência de operação e iv) níveis de tensão.
A partir das considerações anteriores torna-se necessário introduzir componentes adi- cionais ao modelo do capacitor (ABDENNADHER et al., 2009) (KIEFERNDORF; FORS- TER; LIPO, 2004). Geralmente estes componentes são uma resistência em série com o capacitor e outra resistência em paralelo. Outros modelos levam também em considera- ção uma indutância em série com o capacitor. Na literatura são encontrados diferentes modelos para o capacitor eletrolítico, como o introduzido por Gasperi (2005) ou o intro- duzido por Braham et al. (2010). Ambos modelos apresentam características peculiares. No entanto, o utilizado pelos fabricantes é o mais abrangente e sua descrição é feita a partir de parâmetros facilmente obtidos na literatura técnica (AELOIZA et al., 2005).
Na Figura 3.8 é apresentado o circuito equivalente para o capacitor eletrolítico se- gundo essa metodologia. Neste modelo, lcé uma indutância proveniente dos terminais do
capacitor, C é a capacitância do componente, rpé a resistência que representa a dinâmica
da descarga do capacitor, a resistência esr descreve as perdas no dielétrico e o diodo Zener
Dzmodela o comportamento de sobretensão e de tensão reversa.
C
c l
esr
rp Dz
Figura 3.8: Modelo completo do capacitor eletrolítico.
em função das condições do sistema. De uma forma geral, observou-se que: a capacitân- cia C diminui com o aumento da frequência e a resistência esr diminui com o aumento da frequência e da temperatura. Já a indutância lcé relativamente independente tanto da
frequência como da temperatura. Porém ele aumenta com o aumento da área dos ter- minais do capacitor. A resistência rp é responsável pela modelagem dinâmica da fuga
de corrente do capacitor, que aumenta com o aumento da capacitância, da temperatura e da tensão. A indutância lc tem valor significativo quando a frequência de chaveamento
supera os 100 kHz. Porém, para aplicações em sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica, essa frequência é normalmente bem inferior a este limite. Por este motivo, lc
pode ser negligenciado. O diodo Zener D também é negligenciado pois ele não afeta o comportamento linear do capacitor. Com base nessas considerações, o circuito equiva- lente apresentado na Figura 3.8 pode ser simplificado e o seu novo diagrama elétrico que é apresentado na Figura 3.9. C esr rp + - vc - vc ic
Figura 3.9: Modelo simplificado do capacitor eletrolítico.
Com base na análise da Figura 3.9, o modelo do capacitor pode ser determinado, calculando-se a sua impedância total, que pode ser dada por:
Zc(s) = 1 sCrp 1 sC+ rp + esr. (3.67) Expandindo-se a Equação 3.67, obtém-se:
Zc(s) =
esr(s +rp1C+esrC1 )
s+r1
pC
. (3.68)
A função de transferência representada pela Equação 3.68 tem um polo que depende dos valores de C e rpe um zero dependendo dos valores de C, rpe esr. Considerando-se
a condição padrão, normalmente encontrada nos capacitores utilizados nos barramentos CC, ou seja, rp>> esr, é possível simplificar ainda mais a Equação 3.68, negligenciando-
representada por: Zc(s) = 1 C s+ 1 rpC . (3.69)
Analisando a Figura 3.1, observa-se que a corrente que flui pelo capacitor é determi- nada pela diferença entre a corrente proveniente do painel fotovoltaico ipv e a corrente
de entrada do conversor CC/CA icc. Quando o sistema está em equilíbrio, significa que
a tensão do capacitor possui valor constante. Ou seja, o valor médio da corrente que flui pelo capacitor é nulo, o que corresponde a ¯ipv= ¯icc. Sendo assim, é possível concluir que
a tensão do barramento CC pode ser controlada por iesd, já que em equilíbrio ¯icc= kconviesd
(em que kconv é uma constante que representa o efeito do ciclo de trabalho do conversor
na síntese das tensões de saída do conversor). Para controlar a tensão do capacitor, é necessário determinar um modelo matemático que descreva o comportamento dinâmico do barramento CC pela corrente iesd. Esse modelo pode ser obtido a partir da Equação 3.69, inserindo-se a dinâmica do conversor representada aqui pela constante kconv. Assim
o modelo resultante pode ser dado por:
Vc(s) Isde (s) = kconvC1 s+r1 pC = bv s+ av , (3.70)
em que bv= kconv/C e av= r1pC. Ainda em relação ao modelo, considera-se que a corrente
ipvé uma perturbação que será compensada pelo controlador.
3.6
Conclusões do Capítulo
Para realizar a implementação de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica torna-se indispensável realizar o projeto de seus componentes e a sua modelagem. O projeto do filtro de conexão apresentado no capítulo leva em consideração a necessidade de que o filtro necessita ser capaz de garantir o fornecimento da potência gerada pelo sistema fotovoltaico e para que sejam realizadas funções de compensação harmônica. O projeto utilizado garante a limitação de componentes de alta frequência geradas pelo inversor de tensão e possibilita ao filtro LCL fornecer a derivada de corrente necessária. O projeto utilizado também pode ser usado para o projeto do filtro L e do filtro LC.
O projeto do indutor usado no conversor boost foi apresentado. Este conversor possui a função de elevar a tensão de saída do array e extrair a máxima potência com o auxilio do algoritmo de MPPT . O projeto utilizado para o indutor garantiu o funcionamento do
conversor no modo de condução contínua para condições normais de operação. O correto projeto tornou-se necessário para que a corrente de saída do conversor boost, fornecida para os capacitores do barramento CC, não possua ripple elevado, ocasionando oscilações na tensão do barramento CC.
O controle das correntes de saída do sistema fotovoltaico utilizado neste trabalho é feito de forma indireta, regulando-se as correntes da rede elétrica. Por este motivo foi ne- cessário obter o modelo que relaciona as correntes da rede elétrica pelas tensões geradas na saída do inversor. Este modelo leva em consideração as impedâncias do filtro LCL e a impedância intrínseca da rede elétrica. Como o comportamento das cargas conectadas no PAC é dependente do tipo de carga que é conectada, a modelagem do conjunto con- versor/filtro LCL/rede elétrica considerou as grandezas que dependem das correntes das cargas como perturbações para simplificar a modelagem. Utilizando o conceito de qua- dripolos, o modelo obtido possui dinâmica de terceira ordem. Dependendo da localização dos polos o modelo pode ser simplificado para um função de transferência de primeira ordem, caso um dos polos possua parte real pelo menos dez vezes menor que a parte real dos outros polos. A simplificação mostrou-se eficaz em um exemplo numérico. A simplificação realizada torna-se interessante para facilitar o projetos dos controladores de corrente.
Os capacitores usados no barramento CC possuem importante função no sistema foto- voltaico interconectado à rede elétrica. Desta forma, para que o controle de sua tensão seja efetiva é necessário que características práticas do sistema seja levadas em consideração. O capacitor utilizado no barramento CC pode ter sua característica dinâmica modificada dependendo das condições do sistema. Por este motivo, a modelagem do barramento CC realizada no capítulo utilizou o modelo descrito por fabricantes, que leva em consideração aspectos reais do capacitor. O modelo obtido relaciona a tensão do barramento CC pela corrente corrente de eixo direto da rede elétrica, para que o controle baseado no balanço da potência do sistema possa ser realizado. Na modelagem foi levado em consideração a relação entre a corrente fornecida pelo barramento CC para o inversor e a corrente de eixo direto da rede elétrica, com o intuito de tornar o modelo o mais próximo do sistema real.
Sistema de Controle
O sistema de controle implementado em um sistema fotovoltaico conectado com a rede elétrica tem a função de garantir a injeção de potência na rede elétrica. Geralmente, este controle possibilita o fornecimento de correntes com baixo teor harmônico para a rede elétrica, garantindo assim a qualidade da energia elétrica entregue para o PAC. O sistema de controle também tem a função de viabilizar o funcionamento do sistema, mesmo diante do comportamento estocástico da geração fotovoltaica e da variação da cargas conectadas a rede elétrica.
Para que a energia fotovoltaica seja adequadamente injetada na rede elétrica, é neces- sário a utilização de um sistema referência, normalmente viabilizado pelo conhecimento do ângulo do vetor tensão, por meio de uma estrutura PLL. O funcionamento e o projeto do PLL utilizado neste trabalho são apresentados no capítulo.
O funcionamento do sistema fotovoltaico, na condição de fornecimento de máxima potência, é viabilizado por um estratégia de MPPT, do tipo direto, implementado com um número mínimo de sensores de tensão e de corrente. O MPPT empregado neste trabalho é baseado na técnica de perturbação e observação (P&O).
A estratégia de controle é composta por duas malhas em cascata, sendo a mais interna utilizada para regulação das correntes de saída e a mais externa é empregada para impo- sição da tensão do barramento CC. Para a malha de tensão do barramento CC é utilizado o controlador DSM-PI, que tem como características principais: rápida atuação durante o transitório e suavização no regime permanente. Para a malha de corrente é utilizado uma técnica de controle repetitivo que garante erro nulo em regime permanente para referên- cias senoidais, utilizando controladores DSCs. Estes controladores são sintonizados para trabalharem na componente fundamental e nos principais harmônicos demandados pela aplicação.
4.1
Controle do Sistema de Geração Fotovoltaico
Na Figura 4.1 é apresentado o diagrama de blocos do esquema de controle proposto para o sistema de geração fotovoltaico. Nesse diagrama, a tensão do barramento CC é regulada pelo controlador DSM-PI. Esse controlador gera a corrente de referência iesd∗ no referencial vetor tensão (síncrono) que determina o balanço de energia do sistema. A tensão do barramento CC é filtrada utilizando um filtro passa-baixa LPF (do inglês, Low-
Pass Filter) de primeira ordem. O ângulo de fase do vetor tensão bθ, é determinado com o uso de um PLL a partir da medição das tensões do PAC[vPAC123]. As correntes da rede elétrica são reguladas em fase com a tensão do PAC. Isso faz com que a rede elétrica forneça, ou consuma, apenas potência ativa. Desta forma, não é necessária a utilização de um controlador para regular a potência reativa fornecida pelo sistema, sendo a corrente
issd∗ igual a iesd∗cos(bθ) e a corrente is∗
sq igual a iesq∗sen(bθ). O controle destas correntes é im-
plementado por controladores DSCs com três graus de liberdade, na configuração modo repetitivo. O controlador DSC1é sintonizado para trabalhar na componente fundamental, o DSC5 para trabalhar no quinto harmônico e DSC7para trabalhar no sétimo harmônico. Os harmônicos escolhidos para a compensação são o quinto e sétimo, pois os mesmos são mais comuns em sistemas trifásicos. Os distúrbios não modelados
h vsl dq0 i e h vssdq0 i são compensados por esses controladores. Estes controladores geram as tensões de referência
h
vsf∗
dq
i
, que são transformadas para o referencial trifásico 123 e sintetizadas pelo inversor de tensão via modulação PWM escalar. Para garantir que o modelo fotovoltaico forneça a máxima potência disponível é utilizado um esquema MPPT P&O implementado a partir da informação de potência gerada pela corrente iesd∗.
vc - LPF - - vc* PLL vpac sds∗ i sqs i
X
sqs∗ i sd i s ne θ cos / PWM VSI+ vf1∗ vf3∗ vf2∗ xdqs S S S isde∗X
isde∗ s DSM-PI DSC fds v i ∗ + + MPPT D LPF 123 1 DSC5 DSC7 S S + + + DSC 1 DSC5 DSC 7 S S + + + x123 fqs v ∗X
X
-1 -1 ^ θ^Figura 4.1: Diagrama de blocos do sistema de controle proposto.
Quando ocorrer a condição de ilhamento, onde a rede elétrica é perdida ou seus níveis de tensão não são aceitáveis o procedimento que poderá ser realizado é a desconexão do sistema fotovoltaico seja desconectado do PAC ou apenas a rede elétrica seja desconec- tada do PAC e o sistema de controle seja alterado para garantir que as cargas conectadas no PAC sejam alimentadas com tensão e frequência nominais, alterando o sistema de con- trole de corrente CCM para controle de tensão VCM. A adaptação do sistema durante a condição de ilhamento não é estudada neste trabalho.