Sistema Fotovoltaico com Condicionamento Ativo de Energia Usando Mppt Baseado em Pso e Malha Feed-forward de Controle de Tensão do Barramento Cc

Sérgio A. Oliveira da Silva; Leonardo P. Sampaio; Fernando M. de Oliveira; Fábio R. Durand

doi:10.18618/REP.2016.2.2615

Authors

Sérgio A. Oliveira da Silva Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Cornélio Procópio – PR, Brasil
Leonardo P. Sampaio Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Cornélio Procópio – PR, Brasil
Fernando M. de Oliveira Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Cornélio Procópio – PR, Brasil
Fábio R. Durand Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Cornélio Procópio – PR, Brasil

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2016.2.2615

Keywords:

Condicionamento Ativo de Energia, Malha de Controle Feed-Forward, PSO, Sistema Fotovoltaico, Técnicas de MPPT

Abstract

Este artigo apresenta a implementação de um sistema fotovoltaico (PV) monofásico conectado à rede elétrica com duplo estágio de conversão de energia, o qual não é afetado por problemas associados a sombreamentos parciais. Técnicas convencionais de rastreamento de máxima potência (MPPT), tais como perturba e observa (P&O), não rastreia o ponto de máxima potência global (GMPP) quando o arranjo PV opera sob condições de sombreamento parcial. Como resultado, o desempenho geral do sistema diminui. Este trabalho usa o método de otimização por enxame de partículas (PSO) para rastrear o GMPP, aumentando o desempenho do sistema PV. Simultaneamente, o sistema fotovoltaico é controlado para realizar o condicionamento ativo de potência, realizando supressão das correntes harmônicas e compensação da potência reativa da carga. Além disso, como principal contribuição deste trabalho, é proposta uma malha de controle feed-forward para reduzir variações bruscas de tensão do barramento CC, na ocorrência de transientes de radiação solar e/ou temperatura. Tais variações podem influenciar no desempenho do sistema PV bem como ocasionar danos às chaves de potência. Os desempenhos estático e dinâmico do sistema PV são avaliados por meio de resultados experimentais.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Sérgio A. Oliveira da Silva, Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Cornélio Procópio – PR, Brasil

é engenheiro eletricista (1987) e mestre em engenharia elétrica (1989) pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC); e doutor em engenharia elétrica (2001) pela Universidade Federal de Minas Gerais. É professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR-CP) desde 1993. É coordenador do Laboratório de Eletrônica de Potência, Qualidade de Energia e Energias Renováveis (LEPQER). Suas áreas de interesse são: sistemas de energia ininterrupta, condicionadores de energia, sistemas de controle empregando DSP, qualidade de energia e sistemas de energia renováveis. É membro da SOBRAEP e IEEE PES.

Leonardo P. Sampaio, Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Cornélio Procópio – PR, Brasil

é engenheiro eletricista (2008), mestre em engenharia elétrica (2010) e doutor em engenharia elétrica (2013) pela Universidade Estadual Paulista (UNESP/IS). É professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR-CP) desde 2012. É membro do Laboratório de Eletrônica de Potência, Qualidade de Energia e Energias Renováveis (LEPQER). Seus principais interesses são: aproveitamento de energias alternativas e renováveis, aplicações fotovoltaicas, qualidade de energia, modelagem e controle de conversores estáticos empregando DSP. É membro da SOBRAEP.

Fernando M. de Oliveira, Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Cornélio Procópio – PR, Brasil

é engenheiro eletricista (2013) e mestre em engenharia elétrica (2015) pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR-CP). É membro do Laboratório de Eletrônica de Potência, Qualidade de Energia e Energias Renováveis (LEPQER). Suas principais áreas de interesse são: técnicas de MPPT em sistemas fotovoltaicos, sistemas inteligentes, sistemas de controle embarcado e qualidade de energia.

Fábio R. Durand, Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Cornélio Procópio – PR, Brasil

é engenheiro eletricista (2000) pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (UFMS); mestre em engenharia elétrica (2002) pela Universidade de São Paulo (EESC- USP); e doutor em engenharia elétrica (2007) pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). É professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR-CP) desde 2010. Suas áreas de interesse são: Otimização e alocação de recursos em redes de comunicação, redes industriais e sistemas de energias renováveis.

References

M. A. G. de Brito, L. P. Sampaio, M. G. Alves, C. A. Canesin, "Inversor Buck-Boost Tri-State Integrado Trifásico para Aplicações Fotovoltaicas", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 19, nº. 1, pp. 81-89, Fev. 2014. https://doi.org/10.18618/REP.2014.1.081089 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2014.1.081089

K. C. A. Souza, R. F. Coelho, D. C. Martins, "Proposta de um Sistema Fotovoltaico de Dois Estágios Conectado à Rede Elétrica Comercial", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 12, nº 2, pp. 129-136, Julho 2007. https://doi.org/10.18618/REP.2007.2.129136 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2007.2.129136

P. M. Almeida, P. G. Barbosa, A. A. Ferreira, H. A. C. Braga, P. F. Ribeiro, "Controle e Redução das Correntes Harmônicas de um Sistema de Geração Fotovoltaico Interligado à Rede Elétrica sem Filtros Passivos", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 18, nº 4, pp. 1149-1160, Novembro 2013. https://doi.org/10.18618/REP.2013.4.11491160 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2013.4.11491160

P. V. Silva, R. F. Pinheiro, A. O. Salazar, L. P. Santos Jr, J. D. Fernandes, "Um Novo Sistema para Controle de Velocidade em Aerogeradores Utilizando o Regulador Eletromagnético de Frequência", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 20, nº 3, pp. 254-262, Agosto2015. https://doi.org/10.18618/REP.2015.3.2539 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2015.3.2539

C. M. V. Barros, W. S. Mota, P. R. Barros, L. S. Barros, "MPPT de Sistemas de Conversão de Energia Eólica Baseados em PMSG Usando Controle Preditivo", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 20, nº 4, pp. 364-372, Novembro 2015. https://doi.org/10.18618/REP.2015.4.2553 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2015.4.2553

C. E. Capovilla, A. J. Sguarezi Filho, R. V. Jacomini, A. L. L. F. Murari, J. A. T. Altuna, "A State Feedback DFIG Power Control for Wind Generation", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 20, nº 2, pp. 151-159, Maio 2015. https://doi.org/10.18618/REP.2015.2.151159 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2015.2.151159

G. M. S. Azevedo, M. C. Cavalcanti, F. A. S. Neves, F. Bradaschia, "A Fast Fault Detection Scheme for Power Converters in Distributed Generation Systems", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 17, nº 2, pp. 546-554, Março 2012. https://doi.org/10.18618/REP.2012.2.546554 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2012.2.546554

M. A. G. de Brito, L. P. Sampaio, G. A. Melo, C. A. Canesin, "Contribuição ao Estudo dos Principais Algoritmos de Extração da Máxima Potência dos Painéis Fotovoltaicos", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 17, nº 3, pp. 592-600, Agosto 2012. https://doi.org/10.18618/REP.2012.3.592600 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2012.3.592600

R. F. Coelho, W. M. Santos, D. C. Martins, "Influence of Power Converters on PV Maximum Power Point Tracking Efficiency", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 19, nº 1, pp. 73-80, Fevereiro 2014. https://doi.org/10.18618/REP.2014.1.073080 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2014.1.073080

E. N. Chaves, L. S. Vilefort, H. T. M. Carvalho, E. A. A. Coelho, L. C. G. Freitas, J. B. Vieira Jr, L. C. Freitas, "Projeto de Controlador Baseado no Modelo Interno Utilizado em P&O-MPPT e Conversor CC-CC Boost Quadrático", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 20, nº 4, pp. 383-394, Novembro 2015. https://doi.org/10.18618/REP.2015.4.2560 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2015.4.2560

N. Femia, G. Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli, "Optimization of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 20, nº 4, pp. 963-973, Julho 2005. https://doi.org/10.1109/TPEL.2005.850975 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2005.850975

L. Piegari, R. Rizzo, "Adaptive Perturb and Observe Algorithm for Photovoltaic Maximum Power Point Tracking", IET Renewable Power Generation, vol. 4, nº 4, pp. 317-328, Julho 2010. https://doi.org/10.1049/iet-rpg.2009.0006 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-rpg.2009.0006

Z. Salam, J. Ahmed, B. S Merugu, "The Application of Soft Computing Methods for MPPT of PV System: a Technological and Status Review", Applied Energy, vol. 107, pp. 135-148, Julho 2013. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.02.008 DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.02.008

Y.-H. Liu, J.-H. Chen, J.-W. Huang, "A Review of Maximum Power Point Tracking Techniques for Use in Partially Shaded Conditions", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 41, pp. 436-453, Janeiro 2015. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.08.038 DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.08.038

J. Ahmed, Z. Salam, "A Critical Evaluation on Maximum Power Point Tracking Methods for Partial Shading in PV Systems", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 47, pp. 933-953, Julho 2015. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.03.080 DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.03.080

K. Ishaque, Z. Salam, M. Amiad, S. Mekhilef, "An Improved Particle Swarm Optimization (PSO)-Based MPPT for PV with Reduced Steady-State Oscillation", IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 27, nº 8, pp. 3627-3638, Agosto 2012. https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2185713 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2185713

H. Renaudineau, F. Donatantonio, J. Fontchastagner, G. Petrone, G. Spagnuolo, J.-P. Martin, S. Pierfederici,"A PSO-Based Global MPPT Technique for Distributed PV Power Generation", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, nº 2, pp. 1047-1058, Fevereiro2015. https://doi.org/10.1109/TIE.2014.2336600

S. M. Reza Touse, M. H. Moradi, N. S. Basir, M. Nemati, "A Function-Based Maximum Power Point Tracking Method for Photovoltaic Systems", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, nº 3, pp. 2120-2128, Março 2016. https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2426652 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2426652

J. D. B. Rodriguez, E. Franco, G. Petrone, C. A. R. Paja, G. Spagnuolo, "Maximum Power Point Tracking Architectures for Photovoltaic Systems in Mismatching Conditions: a Review", IET Power Electronics, vol. 7, nº 6, pp. 1396-1413, Março 2014. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0406 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0406

C. Olalla, C. Deline, D. Clement, Y. Levron, M. Rodriguez, D. Maksimovic, "Performance of Power-Limited Differential Power Processing Architectures in Mismatched PV Systems", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, nº 2, pp. 618-631, Fevereiro 2015. https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2312980 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2312980

C. H. G. dos Santos, P. F. Donoso-Garcia, S. I. Seleme Jr, A. P. Magalhães, "Cascaded Cell String Current Diverter for Improvement of Photovoltaic Solar Array Under Partial Shading Problems", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 20, nº 3, pp. 272-282, Agosto2015. https://doi.org/10.18618/REP.2015.3.2542 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2015.3.2542

T. -Fu Wu, H.-S. Nien, C.-L. Shen, T.-M. Chen, "A Single-Phase Inverter System for PV Power Injection and Active Power Filtering with Nonlinear Inductor Consideration", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 41, nº 4, pp. 1292-1306, Julho/Agosto2005. https://doi.org/10.1109/TIA.2005.851035 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2005.851035

S. A. O. Silva, L. B. G. Campanhol, V. D. Bacon, L. P. Sampaio, "Single-Phase Grid-Connected Photovoltaic System with Active Power Line Conditioning", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 20, nº 1, pp. 8-18, Fevereiro 2015. https://doi.org/10.18618/REP.2015.1.008018 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2015.1.008018

D. I. Brandão, F. P. Marafão, F. A. S. Gonçalves, M. G. Villalva, J. R. Gazoli, "Estratégia de Controle Multifuncional para Sistemas Fotovoltaicos de Geração de Energia Elétrica", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 18, nº 4, pp. 1206-1214, Novembro2013. https://doi.org/10.18618/REP.2013.4.12061214 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2013.4.12061214

D. C. Martins, M. F. Schonardie, R. F. Coelho, L. Schmitz, "Active and Reactive Power Control in a Three-Phase Grid-Connected PV Power System Using dq0 Transformation", Eletrônica de Potência-Eletrôn. Potên., Campo Grande, v. 21, n.2, p. 105-116, mar./jun. 2016. SOBRAEP, vol. 18, nº 4, pp. 1180-1187, Novembro2014. DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2013.4.11801187

D. I. Brandão, F. P. Marafão, F. A. Farret, M. G. Simões, "Proposta de Metodologia para o Gerenciamento Automático de Sistemas Fotovoltaicos de Geração Distribuída", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 18, nº 4, pp. 1257-1265, Setembro 2013. https://doi.org/10.18618/REP.2013.4.12571265 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2013.4.12571265

L. B. G. Campanhol, S. A. O. Silva, A. Goedtel, "Filtro Ativo de Potência Aplicado em Sistema Trifásicos a Quatro-Fios", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 18, nº 1, pp. 782-792, Fevereiro 2013. https://doi.org/10.18618/REP.2013.1.782792 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2013.1.782792

B. A. Angélico, L. B. G. Campanhol, S. A. O. Silva, "Proportional-Integral/Proportional-Integral-Derivative Tuning Procedure of a Single-Phase Shunt Active Power Filter Using Bode Diagram", IET Power Electronics, vol. 7, nº 10, pp. 2647-2659, Agosto 2014. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0789 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0789

S. C. Ferreira, R. R. Pereira, R. B. Gonzatti, C. H. Silva, L. E. B. Silva, G. Lambert-Torres, "Filtros Adaptativos Aplicados em Condicionadores de Energia", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 19, nº 4, pp. 377-385, Novembro 2014. https://doi.org/10.18618/REP.2014.4.377385 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2014.4.377385

IEEE Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions, IEEE Std. 1459-2010, 2010.

H. Renaudineau, F. Donatantonio, J. Fontchastagner, G. Spagnuolo, J.-P. Martin, S. Pierfederici, "A PSO-Based Global MPPT Technique for Distributed PV Power Generation", IEEE Transactions onIndustrial Electronics, vol. 62, nº 2, pp.1047-1058, Fevereiro 2015. https://doi.org/10.1109/TIE.2014.2336600 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2014.2336600

M. M. Casaro, D. C. Martins, "Modelo de Arranjo Fotovoltaico Destinado a Análises em Eletrônica de Potência via Simulação", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 13, nº 3, pp. 141-146, Agosto 2008. https://doi.org/10.18618/REP.2008.3.141146 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2008.3.141146

S. Buso, P. Mattavelli, Digital Control in Power Electronics, Lincoln: Morgan & Claypool Publishers, USA, 2006. https://doi.org/10.1007/978-3-031-02495-5 DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-02495-5

S. Fukuda, T. Yoda, "A Novel Current-Tracking Method for Active Filters Based on a Sinusoidal Internal Model", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 37, nº 3, pp. 888-895, Maio/Junho 2001. https://doi.org/10.1109/28.924772 DOI: https://doi.org/10.1109/28.924772

V.-T. Phan, H-H. Lee, "Control Strategy for Harmonic Elimination in Stand-Alone DFIG Applications with Nonlinear Loads", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, nº 9, pp. 2662-2675, Setembro2011. https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2123921 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2123921

J. R. Gazoli, M. G. Villalva, D. I. Brandão, F. P. Marafão, E. Ruppert,"Microinversor Integrado ao Módulo Fotovoltaico para Sistemas Conectados à Rede Elétrica Utilizando Controlador Ressonante", Eletrônica de Potência-SOBRAEP, vol. 18, nº 1, pp. 907-915, Maio 2013. https://doi.org/10.18618/REP.2013.2.908916 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2013.2.908916

N. Femia, G. Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli, "A Technique for Improving P&O MPPT Performances of Double-Stage Grid-Connected Photovoltaic Systems",IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, nº 11, pp. 4473-4482, Novembro 2009. https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2029589 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2029589

V. D. Bacon, S. A. O. da Silva, L. B. G. Campanhol, B. A. Angélico, "Analysis and Performance Evaluation of a Single-Phase Phase-Locked Loop Algorithm Using a Non-Autonomous Adaptive Filter", IET Power Electronics, vol. 7, nº 8, pp. 2081-2092, Agosto 2014. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0728 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0728

J. Kennedy, R. Eberhart, "Particle Swarm Optimization," in Proc. IEEE International Conference on Neural Networks, pp. 1942-1948, 1995. https://doi.org/10.1109/ICNN.1995.488968 DOI: https://doi.org/10.1109/ICNN.1995.488968

N. Nedjah, L. Mourelle, L, Swarm Intelligent Systems, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006. https://doi.org/10.1007/978-3-540-33869-7 DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-33869-7

A. Chatterjee, P. Siarry, "Nonlinear Inertia Weight Variation for Dynamic Adaptation in Particle Swarm Optimization", Computers & Operations Research, vol. 33, nº 3, pp. 859-871, Março 2006. https://doi.org/10.1016/j.cor.2004.08.012 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cor.2004.08.012