Proposta de design para otimização de sistemas de energia solar

Uma nova abordagem para otimizar a eficiência e a confiabilidade dos sistemas solares é o uso de microinversores conectados a cada painel solar.
Equipado com um micro-inversor separado para cada painel solar, o sistema pode adaptar-se às mudanças de condições de carga e tempo, proporcionando uma ótima eficiência de conversão para um único painel e todo o sistema.
  
   
A arquitetura do micro-inversor também simplifica o cabeamento, o que significa menores custos de instalação.
  
   
Ao tornar o sistema de geração de energia solar do consumidor mais eficiente, o tempo que leva para o sistema “retratar” o investimento inicial na tecnologia solar será reduzido.
  
Os inversores de potência são componentes eletrônicos importantes dos sistemas de energia solar. Em aplicações comerciais, esses componentes conectam painéis fotovoltaicos (PV), baterias que armazenam energia elétrica e sistemas locais de distribuição de energia ou redes de serviços públicos.
A Figura 1 mostra um inversor solar típico que converte tensões CC muito baixas da saída do arranjo fotovoltaico em várias tensões, como tensão CC da bateria, tensão da linha CA e tensão da rede de distribuição.
  
   
Em um sistema típico de coleta de energia solar, vários painéis solares são conectados em paralelo a um inversor que converte a saída DC variável de múltiplas células fotovoltaicas em um inversor de onda senoidal de 50 Hz ou 60 Hz.
  
   
  
  
Além disso, deve-se notar que o módulo microcontrolador (MCU) TMS320C2000 ou MSP430 na Figura 1 contém tipicamente periféricos chave no chip, como módulos de modulação por largura de pulso (PWM) e conversores A / D.
  
  
  
   
Figura 1: A arquitetura tradicional de conversão de energia consiste em um inversor solar que recebe uma baixa tensão de saída CC do gerador fotovoltaico e produz uma tensão de linha CA.
  
O principal objetivo do projeto é maximizar a eficiência de conversão.
Este é um processo complexo e interativo envolvendo o MPPT (Maximum Power Point Tracking Algorithm) e um controlador em tempo real que executa os algoritmos associados.
  
   
1 Maximize a eficiência de conversão de energia
  
Os inversores que não usam o algoritmo MPPT simplesmente conectam o módulo fotovoltaico diretamente à bateria, forçando o módulo fotovoltaico a operar com a voltagem da bateria.
  
  
Quase sem exceção, a tensão da bateria não é o valor ideal para coletar a energia solar mais disponível.
  
  
  
A figura 2 ilustra as características típicas de corrente / tensão de um típico módulo fotovoltaico de 75W a uma temperatura da bateria de 25 ° C.
A linha pontilhada mostra a relação de tensão (PV VOLTS) para potência (PV WATTS).
  
A linha contínua indica a relação de tensão para corrente (PV AMPS). Conforme mostrado na Figura 2, em 12V, a potência de saída é de aproximadamente 53W.
Em outras palavras, forçando o módulo fotovoltaico a operar a 12V, a potência de saída é limitada a aproximadamente 53W.
  
Mas com o algoritmo MPPT, a situação mudou radicalmente. Neste exemplo, a tensão na qual o módulo pode atingir a potência de saída máxima é de 17V.
Portanto, o trabalho do algoritmo MPPT é operar o módulo em 17V, de modo que todos os 75W de energia possam ser obtidos a partir do módulo, independentemente da tensão da bateria.
  
O conversor de energia DC / DC de alta eficiência converte a tensão de 17V na entrada do controlador para a tensão da bateria na saída.
Como o conversor CC / CC reduz a tensão de 17V para 12V, neste caso, a corrente de carga da bateria no sistema que suporta a função MPPT é:
  
   
(VMODULE / VBATTERY) × IMODULE, ou (17V / 12V) × 4.45A = 6,30A.
  
   
Assumindo que a eficiência de conversão do conversor CC / CC é de 100%, a corrente de carga aumentará em 1,85A (ou 42%).
  
Embora este exemplo assuma que o inversor processa energia a partir de um único painel solar, os sistemas convencionais normalmente têm um inversor conectado a vários painéis.
Essa topologia tem vantagens e desvantagens, dependendo do aplicativo.
  
   
2 algoritmo MPPT
  
Existem três tipos principais de algoritmos MPPT: observação de perturbação, incremento de condutância e tensão constante.
Os dois primeiros métodos são geralmente chamados de "escalada" porque são baseados nos seguintes fatos:
  
   
No lado esquerdo do MPP, a curva está em ascensão (dP / dV) 0), enquanto no lado direito do MPP, a curva está em baixo (dP / dV “0”).
  
O método de Observação de Distúrbios (P & O) é o mais comumente usado. O algoritmo perturba a tensão de operação em uma determinada direção e as amostras dP / dV. Se dP / dV for positivo, o algoritmo "entende" que estava apenas ajustando a voltagem em direção ao MPP.
Então, sempre ajustará a voltagem nessa direção até que dP / dV se torne negativo.
  
Os algoritmos de P & O são fáceis de implementar, mas na operação estável eles às vezes oscilam em torno do MPP.
E sua velocidade de resposta é lenta, e mesmo em condições climáticas que mudam rapidamente, é possível reverter a direção.
  
O método de Incremento de Condutância (INC) usa o incremento de condutância dI / dV do arranjo fotovoltaico para calcular o positivo e o negativo de dP / dV. A INC pode rastrear exposições à luz que mudam rapidamente com mais precisão do que a P & O. Mas como o P * O, ele também pode oscilar e ser "enganado" ao mudar rapidamente as condições atmosféricas.
Outra desvantagem é que a complexidade adicionada aumenta o tempo de computação e reduz a frequência de amostragem.
  
O terceiro método, “Constant Voltage Method”, baseia-se nos seguintes fatos: Em geral, VMPP / VOC0.76. O problema com este método é que ele requer o ajuste instantâneo da corrente do arranjo fotovoltaico a zero para medir a tensão de circuito aberto do arranjo. Então, a tensão de operação da matriz é ajustada para 76% do valor medido. No entanto, durante a desconexão do array, a energia disponível é desperdiçada.
Verificou-se também que, embora 76% da voltagem de circuito aberto seja uma boa aproximação, nem sempre é consistente com o MPP.
  
Como nenhum algoritmo MPPT pode atender com êxito todos os requisitos comuns de uso, muitos engenheiros de projeto permitem que o sistema primeiro avalie as condições ambientais e, em seguida, selecione o algoritmo que melhor se adapta às condições ambientais atuais.
De fato, existem muitos algoritmos MPPT disponíveis, e não é incomum que os fabricantes de painéis solares forneçam seus próprios algoritmos.
  
   
Para controladores baratos, além das funções normais de controle do MCU, a execução do algoritmo MPPT não é tarefa fácil. O algoritmo requer que esses controladores tenham um poder computacional superior.
  
   
Microcontroladores avançados de 32 bits em tempo real, como a família de plataformas Texas Instruments C2000, são adequados para uma variedade de aplicações solares.
  
   
3 inversor de energia
  
Há muitos benefícios em usar um único inversor, o mais importante deles é a simplicidade e o baixo custo. A eficiência do sistema de inversor único é melhorada com o algoritmo MPPT e outras técnicas, mas apenas até certo ponto. As desvantagens de uma única topologia de inversor podem variar dependendo da aplicação.
O mais proeminente é o problema de confiabilidade: enquanto o inversor falha, a energia gerada por todos os painéis é desperdiçada antes que o inversor seja reparado ou substituído.
  
Mesmo que o inversor esteja funcionando corretamente, uma única topologia de inversor pode ter um impacto negativo na eficiência do sistema. Na maioria dos casos, cada painel solar tem diferentes requisitos de controle para máxima eficiência.
Os fatores que determinam a eficiência de cada painel são: diferenças na fabricação de módulos fotovoltaicos contidos no painel, diferentes temperaturas ambientes, sombras e azimutes de diferentes intensidades de luz (energia solar recebida).
  
Em comparação com o uso de um inversor em todo o sistema, o fornecimento de um micro-inversor para cada painel solar no sistema aumentará novamente a eficiência de conversão de todo o sistema.
O principal benefício da topologia do micro-inversor é que mesmo que um dos inversores falhe, a conversão de energia ainda pode ocorrer.
  
Outros benefícios de usar um micro-inversor incluem a capacidade de ajustar os parâmetros de conversão de cada painel solar usando PWM de alta resolução. Como as nuvens, sombras e shadys alteram a saída de cada painel, fornecendo a cada painel um micro inversor único, permite que o sistema se adapte às condições variáveis de carga.
Isso fornece a melhor eficiência de conversão para cada painel e todo o sistema.
  
A arquitetura do micro-inversor requer que cada painel tenha uma MCU dedicada para gerenciar a conversão de energia.
No entanto, esses MCUs adicionais também podem ser usados para melhorar o monitoramento do sistema e do painel.
  
Por exemplo, grandes parques solares se beneficiam da comunicação entre painéis para ajudar a manter o balanceamento de carga e permitir que os administradores do sistema planejem com antecedência a quantidade de energia disponível e o que fazer com essa energia.
No entanto, para aproveitar ao máximo os benefícios do monitoramento do sistema, o MCU deve integrar periféricos de comunicação no chip (CAN, SPI, UART etc.) para simplificar a interface com outros microinversores no painel solar.
  
Em muitas aplicações, o uso de uma topologia de micro-inversor pode aumentar significativamente a eficiência geral do sistema. No nível do painel, espera-se que a eficiência aumente em 30%.
No entanto, devido à grande variação nas aplicações, a porcentagem “média” de melhorias no nível do sistema não faz muito sentido.
  
   
Análise de Aplicação Ao estimar o valor de um conversor de micro frequência em uma aplicação específica, a topologia deve ser considerada de várias maneiras.
  
Em pequenas aplicações, os painéis podem enfrentar essencialmente as mesmas condições de iluminação, temperatura e sombra.
Portanto, os micro-inversores têm um papel limitado na melhoria da eficiência.
  
Para operar os painéis em diferentes tensões para obter a máxima eficiência energética, é necessário um conversor CC / CC para unificar a tensão de saída de cada painel à tensão de operação da bateria de armazenamento de energia. Para minimizar os custos de fabricação, o conversor DC / DC e o inversor podem ser projetados como um único módulo.
Um conversor CC / CA para a linha de energia local ou para a rede de distribuição também pode ser integrado ao módulo.
  
Os painéis solares devem se comunicar uns com os outros, o que adiciona fios e complexidade.
Esta é outra questão para incluir inversores, conversores DC / DC e painéis solares no módulo.
  
   
O MCU de cada inversor ainda deve ter capacidade suficiente para executar vários algoritmos MPPT para atender diferentes ambientes operacionais.
  
   
O uso de vários MCUs aumentará o custo do material do sistema geral.
  
Toda vez que você considerar mudar a arquitetura, você prestará atenção ao seu custo.
Para atingir a meta de preço do sistema, ter um controlador por painel significa que o custo do controlador deve ser competitivo e pequeno, mas ainda lidar com todas as tarefas de controle, comunicação e computação simultaneamente.
  
A integração dos periféricos de controle corretos no chip e a alta integração analógica são dois elementos fundamentais para garantir baixo custo do sistema.
O alto desempenho também é necessário para implementar algoritmos desenvolvidos para eficiência na otimização da conversão, monitoramento do sistema e armazenamento de energia.
  
Além de atender aos requisitos do próprio microinversor, ele também pode lidar com MCUs que exigem a maior parte do sistema, incluindo conversão CA / CC, conversão DC / DC e comunicação entre painéis, reduzindo o custo de uso de múltiplos MCUs. .
aumentar.
  
   
4 recursos de MCU
  
A avaliação cuidadosa desses requisitos de alto nível é a melhor maneira de determinar quais recursos um MCU precisa. Por exemplo, o controle de balanceamento de carga é necessário quando os painéis de paralelismo. A MCU selecionada deve ser capaz de detectar a corrente de carga e pode aumentar ou diminuir a tensão de saída ligando / desligando o MOSFET de saída.
Isso requer um ADC no chip de alta velocidade para amostrar tensão e corrente.
  
O design do micro-inversor não tem um modo 'inalterado'. Isso significa que os projetistas devem ser capazes e inovadores para adotar novas técnicas e tecnologias, especialmente na comunicação entre painéis e sistemas. O MCU mais apropriado deve suportar uma variedade de protocolos, incluindo alguns que normalmente não são considerados como Comunicações de Linha de Energia (PLC) e Rede de Área de Controlador (CAN). Em particular, a comunicação da linha de energia pode reduzir o custo do sistema porque não são necessárias linhas de comunicação especiais.
Mas isso requer que o MCU tenha PWM de alto desempenho, ADC de alta velocidade e CPU de alto desempenho.
  
Um recurso inesperado, mas valioso, para MCUs projetados para aplicações de inversor solar é o oscilador dual on-chip, que pode ser usado para detecção de falhas de clock para melhorar a confiabilidade.
A capacidade de executar dois relógios do sistema simultaneamente também ajuda a reduzir problemas com a instalação de painéis solares.
  
Devido às muitas inovações no projeto de microinversores solares, talvez o recurso mais importante para os MCUs seja a programação de software.
Esse recurso oferece a maior flexibilidade no design e no controle do circuito de energia.
  
O microcontrolador C2000 é equipado com um avançado núcleo de processamento digital que processa eficientemente operações algorítmicas e um conjunto de periféricos on-chip para controle de conversão de energia, e é amplamente utilizado em topologias tradicionais de inversores de painéis solares. A nova família Piccolo de microcontroladores da série C2000 é econômica. O menor pacote nesta família é de apenas 38 pinos, mas sua arquitetura é mais avançada e os periféricos são aprimorados, trazendo os benefícios do controle em tempo real de 32 bits para requisitos baixos.
Aplicações como micro-inversores para custo total do sistema.
  
Além disso, a família Piccolo MCU integra dois osciladores de 10MHz no chip para comparação de clock, VREG no chip com reinicialização na inicialização e proteção de desligamento automático, vários PWMs de alta resolução de 150ps e um de 12 bits
  
  
Megasample / segundo ADC e interfaces de protocolo de comunicação, como I2C (PMBus), CAN, SPI e UART.
  
  
  
   
Figura 3: O sistema MCU para sistemas baseados em PV com micro-inversor consiste em CPU, memória, energia e relógio, periféricos.
  
O desempenho é uma característica fundamental dos microinversores. Embora a família de dispositivos Piccolo seja menor e menos dispendiosa do que outros MCUs C2000, sua funcionalidade melhorou, como o acelerador de leis de controle de ponto flutuante programável (CLA), que lida com algoritmos complexos de controle de alta velocidade para a CPU.
Isso elimina a necessidade de a CPU manipular loops de E / S e de feedback e pode melhorar o desempenho por um fator de 5 em aplicativos de loop fechado.
  
   
5 desafios da bateria fotovoltaica
  
Uma das desvantagens dos sistemas de geração de energia solar é a eficiência de conversão. Os painéis solares podem extrair uma média de cerca de 1 mW de cada 100 mm2 de células fotovoltaicas. A eficiência típica é de cerca de 10%.
O fator de potência da fonte de energia fotovoltaica (ou seja, a relação entre a energia elétrica média efetivamente produzida pela célula solar e a energia elétrica gerada teoricamente sob a condição de que a luz do sol está sempre iluminada) é de cerca de 15% a 20%.
  
   
Há uma série de razões para isso, incluindo mudanças no próprio sol, como o desaparecimento completo à noite, e mesmo durante o dia, as sombras e as condições climáticas geralmente resultam em luz reduzida.
  
A conversão fotoelétrica introduz mais variáveis no cálculo da eficiência, incluindo a temperatura do painel solar e sua eficiência máxima teórica. Outro problema para os engenheiros de projeto é que a voltagem gerada pela célula fotovoltaica varia em torno de 0,5V irregularmente. Essa alteração pode ter um impacto sério ao escolher uma topologia de conversão de energia.
Por exemplo, para a tecnologia de conversão de energia ineficiente, é possível consumir uma grande parte da energia fotovoltaica coletada.
  
Para acomodar o fato de que o sol não é iluminado 24 horas por dia, os sistemas movidos a energia solar precisam conter baterias e a eletrônica complexa necessária para carregar baterias com eficiência.
Quando a bateria é integrada ao sistema, o carregamento da bateria requer um circuito de conversão CC / CC adicional, exigindo também o gerenciamento e o monitoramento da bateria.
  
Muitos sistemas movidos a energia solar também interagem com a rede, exigindo sincronização de fases e correção do fator de potência. Existem também muitos ambientes que exigem controles complexos. Por exemplo, um mecanismo de aviso de falha deve ser construído para evitar eventos como interrupções de energia na rede pública. Estas são apenas as principais coisas que os engenheiros de projeto devem considerar.