Nome do Projeto
Conversores Estáticos com Baixas Taxas de Distorção Harmônica, Operando em Altas Frequências
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
04/04/2020 - 04/04/2021
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Engenharias
Resumo
Com o advento da indústria eletrônica, durante as décadas pós-guerra e, mais recentemente, o enorme
incremento do número de computadores e outros equipamentos incorporando retificadores, seguidos por
capacitores de filtro, nas fontes de alimentação, a natureza do problema da correção do fator de potência
das cargas foi alterada. A corrente exigida pelas cargas é tipicamente não-sinusoidal. A forma de onda
distorcida da corrente é a soma de muitas componentes de diferentes frequências, sendo que a única
aproveitada para conduzir energia utilizável pela carga é a componente fundamental. O fator de potência
resultante pode ser tão baixo quanto 50% sob essas condições e, se a potência envolvida for maior que
algumas centenas de watts, as considerações de custo, por si só, tornam imperativa a busca de melhorias
nas fontes de alimentação desses equipamentos.
O projeto objetiva, de uma forma geral, o estudo de conversores estáticos para serem utilizados em
sistemas eletrônicos de processamento de energia, que operem com o máximo rendimento possível, aproveitando o máximo da energia disponível. Esses equipamentos também devem utilizar a energia disponível com o menor impacto possível, sob o ponto de vista da injeção de componentes harmônicas de corrente elétrica, nas fontes distribuidoras, preservando assim a qualidade dessas fontes para outros consumidores/equipamentos.
A utilização de fontes renováveis para geração de energia elétrica vem crescendo muito nos últimos anos, devido ao constante aumento da demanda energética global. Concomitantemente ao aumento da demanda, há a preocupação com os impactos ambientais gerados pela produção de energia proveniente de combustíveis fósseis. Ambos os fatores têm atraído investimentos e pesquisas para fontes de energia limpa, em especial, a energia solar.
Atualmente, o uso de sistemas fotovoltaicos, em âmbito industrial e residencial, ainda é bastante restrito devido ao seu elevado custo e retorno financeiro relativamente longo. Porém, essas limitações vêm sendo superadas com o aumento da eficiência energética e da redução do custo, aliando-se a isso suas características de baixo impacto ambiental e de fonte inesgotável de energia, criando-se, assim, as condições para que o enorme potencial possa ser amplamente explorado.
Como o que se busca é, em última análise, a utilização dos recursos naturais da forma mais eficiente possível, e com baixo impacto nas fontes distribuidoras, minimizando a poluição eletromagnética, a repercussão e os impactos sócio-econômicos, técnico-científicos e ambientais tornam-se bastante visíveis, pois trata-se de utilizar a energia, que é um recurso natural fundamental para o desenvolvimento social, de forma equilibrada e sustentável.
Objetivo Geral
O objetivo geral do projeto é desenvolver um protótipo de um sistema eletrônico de processamento de energia, com conversores chaveados de alto desempenho, operando com alta frequência de comutação e alto rendimento para ser utilizado em sistemas de fontes renováveis de energia (fonte fotovoltaica).
Justificativa
O projeto trata, de uma forma geral, do estudo de conversores estáticos para serem utilizados em sistemas eletrônicos de processamento de energia, que operem com o máximo rendimento possível, aproveitando o máximo da energia disponível. Esses equipamentos também devem utilizar a energia disponível com o menor impacto possível, sob o ponto de vista da injeção de componentes harmônicas de corrente elétrica, nas fontes distribuidoras, preservando assim a qualidade dessas fontes para outros consumidores/equipamentos.
A utilização de fontes renováveis para geração de energia elétrica vem crescendo muito nos últimos anos, devido ao constante aumento da demanda energética global. Concomitantemente ao aumento da demanda, há a preocupação com os impactos ambientais gerados pela produção de energia proveniente de combustíveis fósseis. Ambos os fatores têm atraído investimentos e pesquisas para fontes de energia limpa, em especial, a energia solar.
Atualmente, o uso de sistemas fotovoltaicos, em âmbito industrial e residencial, ainda é bastante restrito devido ao seu elevado custo e retorno financeiro relativamente longo. Porém, essas limitações vêm sendo superadas com o aumento da eficiência energética e da redução do custo, aliando-se a isso suas características de baixo impacto ambiental e de fonte inesgotável de energia, criando-se, assim, as condições para que o enorme potencial possa ser amplamente explorado.
Como o que se busca é, em última análise, a utilização dos recursos naturais da forma mais eficiente possível, e com baixo impacto nas fontes distribuidoras, minimizando a poluição eletromagnética, a repercussão e os impactos sócio-econômicos, técnico-científicos e ambientais tornam-se bastante visíveis, pois trata-se de utilizar a energia, que é um recurso natural fundamental para o desenvolvimento social, de forma equilibrada e sustentável.
A energia solar que incide diariamente sobre a superfície terrestre é superior a demanda energética anual de toda a população mundial, estima-se que a potência instantânea total que incide sobre a terra é da ordem de 1,75 x 1017W, a demanda energética mundial é da ordem de 3,4 x 106 Wh/ano (RÜTHER, 2004). Este dado indica que o aproveitamento da energia solar, inesgotável na escala de tempo terrestre, é uma das alternativas energéticas com o mais alto potencial de utilização para suprir as necessidades energéticas mundiais (PINHO; GALDINO, 2014).
Embora abundante na Terra, a energia fotovoltaica ainda é pouco utilizada em comparação com outras fontes de energia, mas é possível notar que nos últimos anos esse cenário vem mudando, principalmente nos países desenvolvidos, por meio de incentivos concedidos para a instalação de sistemas fotovoltaicos (PINHO; GALDINO, 2014), obtendo crescimentos exponenciais ao longo dos últimos anos. Em 2007 havia 8 GW de potência instalada no mundo inteiro, em 2008 15 GW, 5 anos depois, em 2013, havia 137 GW instalados. No final do ano de 2017 já havia 402 GW instalados, sendo esse um ano marco para a energia solar fotovoltaica, pois o mundo instalou mais capacidade de geração de energia fotovoltaica do que qualquer outro tipo de geração de energia, somente em 2017 foram instalados 98 GW, cerca de 24% de toda potência instalada, isso equivale a cerca de 40.000 painéis solares instalados a cada hora do ano (REN21, 2018).
No Brasil, atualmente, a energia hidráulica é a principal fonte de energia para geração de eletricidade, sendo responsável por 84% da matriz energética brasileira. Apesar de ser considerada uma fonte renovável e limpa, as usinas hidroelétricas produzem impactos ambientais devido ao alagamento de grandes áreas cultiváveis. Nas áreas alagadas ocorre um processo de degradação da matéria orgânica presente, gerando emissão de gases do efeito estufa como o Metano (CH4) (PEREIRA et al., 2006).
O Brasil ainda é um pais emergente na utilização de energia fotovoltaica, porém, com um alto potencial de geração. Os valores de irradiação solar global incidente em qualquer região do território brasileiro (1500-2500 kWh/m2) são superiores aos da maioria dos países europeus, como Alemanha (900-1250 kWh/m2), França (900-1650 kWh/m2) e Espanha (1200- 1850kWh/m2) (PEREIRA et al., 2006). Em contrapartida, a capacidade de geração de energia fotovoltaica já instalada no Brasil é de 1 GW, na Alemanha há 42 GW, 8GW na França e 5,6GW na Espanha (IEA, 2018).
A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) estabelece, a partir da Resolução Normativa No 482, de 2012, as condições gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuída de energia elétrica, criando o sistema de compensação de energia. Nesse sistema, a energia excedente produzida pode ser injetada na rede, sendo esta abatida do consumo da própria unidade ou de outra do mesmo titular (ANEEL, 2012). A Resolução Normativa No 482, de 17.04.2012, que posteriormente foi alterada pela Resolução Normativa No 687, de 24.11.2015 e pela Resolução Normativa No 786, de 17.10.2017, estabelece as normas para a microgeração, minigeração e sistema de compensação de energia.
Um sistema fotovoltaico básico é dividido em três partes: um arranjo ou painel fotovoltaico, um algoritmo de rastreamento e um estágio de potência, geralmente um conversor CC-CC. Portanto, podemos afirmar que o sistema fotovoltaico atua basicamente como um rastreador de ponto de máxima potência com o objetivo de entregar sempre a máxima potência disponível pelo painel à carga, independente da carga que esteja conectada a seus terminais de saída (NETO, 2012).
No território nacional, a maior parte dos sistemas fotovoltaicos são isolados, sendo responsáveis por fornecer energia a pequenos grupos e pequenas cargas, através do uso de baterias (RIBEIRO, 2012). No final do ano de 2015, foi realizada a revisão da normativa 482 da ANEEL, que impôs novas regras, facilitando a instalação desse sistema em residências e indústrias (PORTALSOLAR, 2016).
Independentemente da quantidade de energia elétrica proveniente do painel solar, a carga será sempre alimentada, pois o sistema conectado é alimentado tanto pela rede elétrica pública quanto pelo painel fotovoltaico. Desta forma, a própria rede funciona como um dispositivo acumulador de energia não necessitando do uso de baterias, resultando em uma diminuição significativa no valor de implantação, visto que as baterias correspondem a cerca de 30% do custo do sistema completo autônomo (GAZOLI, 2011).
Quando o sistema conectado gera mais energia elétrica do que a unidade consumidora, o excedente é injetado na rede pública, proporcionando assim um crédito que pode ser utilizado posteriormente. Dessa forma, o sistema não fica dependente apenas da irradiação solar, devido ao fato de que esta sofre variações de acordo com as condições climáticas (GAZOLI, 2011).
Os sistemas fotovoltaicos interligados à rede elétrica necessitam de conversores estáticos para processarem a energia fornecida pelos painéis fotovoltaicos e transformarem a tensão contínua em alternada. Esta conversão pode ser realizada através de sistemas com um ou mais estágios de conversão, sendo eles isolados ou não. Existem várias topologias citadas na literatura para esse fim, sendo essencial a análise de cada tipo para poder escolher a mais adequada ao projeto (OLIVEIRA, 2017).
Portanto, para o processamento de energia, oriunda de fontes renováveis, os conversores estáticos de potência, que representam o objeto central dessa pesquisa, são elementos indispensáveis.
A utilização de fontes renováveis para geração de energia elétrica vem crescendo muito nos últimos anos, devido ao constante aumento da demanda energética global. Concomitantemente ao aumento da demanda, há a preocupação com os impactos ambientais gerados pela produção de energia proveniente de combustíveis fósseis. Ambos os fatores têm atraído investimentos e pesquisas para fontes de energia limpa, em especial, a energia solar.
Atualmente, o uso de sistemas fotovoltaicos, em âmbito industrial e residencial, ainda é bastante restrito devido ao seu elevado custo e retorno financeiro relativamente longo. Porém, essas limitações vêm sendo superadas com o aumento da eficiência energética e da redução do custo, aliando-se a isso suas características de baixo impacto ambiental e de fonte inesgotável de energia, criando-se, assim, as condições para que o enorme potencial possa ser amplamente explorado.
Como o que se busca é, em última análise, a utilização dos recursos naturais da forma mais eficiente possível, e com baixo impacto nas fontes distribuidoras, minimizando a poluição eletromagnética, a repercussão e os impactos sócio-econômicos, técnico-científicos e ambientais tornam-se bastante visíveis, pois trata-se de utilizar a energia, que é um recurso natural fundamental para o desenvolvimento social, de forma equilibrada e sustentável.
A energia solar que incide diariamente sobre a superfície terrestre é superior a demanda energética anual de toda a população mundial, estima-se que a potência instantânea total que incide sobre a terra é da ordem de 1,75 x 1017W, a demanda energética mundial é da ordem de 3,4 x 106 Wh/ano (RÜTHER, 2004). Este dado indica que o aproveitamento da energia solar, inesgotável na escala de tempo terrestre, é uma das alternativas energéticas com o mais alto potencial de utilização para suprir as necessidades energéticas mundiais (PINHO; GALDINO, 2014).
Embora abundante na Terra, a energia fotovoltaica ainda é pouco utilizada em comparação com outras fontes de energia, mas é possível notar que nos últimos anos esse cenário vem mudando, principalmente nos países desenvolvidos, por meio de incentivos concedidos para a instalação de sistemas fotovoltaicos (PINHO; GALDINO, 2014), obtendo crescimentos exponenciais ao longo dos últimos anos. Em 2007 havia 8 GW de potência instalada no mundo inteiro, em 2008 15 GW, 5 anos depois, em 2013, havia 137 GW instalados. No final do ano de 2017 já havia 402 GW instalados, sendo esse um ano marco para a energia solar fotovoltaica, pois o mundo instalou mais capacidade de geração de energia fotovoltaica do que qualquer outro tipo de geração de energia, somente em 2017 foram instalados 98 GW, cerca de 24% de toda potência instalada, isso equivale a cerca de 40.000 painéis solares instalados a cada hora do ano (REN21, 2018).
No Brasil, atualmente, a energia hidráulica é a principal fonte de energia para geração de eletricidade, sendo responsável por 84% da matriz energética brasileira. Apesar de ser considerada uma fonte renovável e limpa, as usinas hidroelétricas produzem impactos ambientais devido ao alagamento de grandes áreas cultiváveis. Nas áreas alagadas ocorre um processo de degradação da matéria orgânica presente, gerando emissão de gases do efeito estufa como o Metano (CH4) (PEREIRA et al., 2006).
O Brasil ainda é um pais emergente na utilização de energia fotovoltaica, porém, com um alto potencial de geração. Os valores de irradiação solar global incidente em qualquer região do território brasileiro (1500-2500 kWh/m2) são superiores aos da maioria dos países europeus, como Alemanha (900-1250 kWh/m2), França (900-1650 kWh/m2) e Espanha (1200- 1850kWh/m2) (PEREIRA et al., 2006). Em contrapartida, a capacidade de geração de energia fotovoltaica já instalada no Brasil é de 1 GW, na Alemanha há 42 GW, 8GW na França e 5,6GW na Espanha (IEA, 2018).
A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) estabelece, a partir da Resolução Normativa No 482, de 2012, as condições gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuída de energia elétrica, criando o sistema de compensação de energia. Nesse sistema, a energia excedente produzida pode ser injetada na rede, sendo esta abatida do consumo da própria unidade ou de outra do mesmo titular (ANEEL, 2012). A Resolução Normativa No 482, de 17.04.2012, que posteriormente foi alterada pela Resolução Normativa No 687, de 24.11.2015 e pela Resolução Normativa No 786, de 17.10.2017, estabelece as normas para a microgeração, minigeração e sistema de compensação de energia.
Um sistema fotovoltaico básico é dividido em três partes: um arranjo ou painel fotovoltaico, um algoritmo de rastreamento e um estágio de potência, geralmente um conversor CC-CC. Portanto, podemos afirmar que o sistema fotovoltaico atua basicamente como um rastreador de ponto de máxima potência com o objetivo de entregar sempre a máxima potência disponível pelo painel à carga, independente da carga que esteja conectada a seus terminais de saída (NETO, 2012).
No território nacional, a maior parte dos sistemas fotovoltaicos são isolados, sendo responsáveis por fornecer energia a pequenos grupos e pequenas cargas, através do uso de baterias (RIBEIRO, 2012). No final do ano de 2015, foi realizada a revisão da normativa 482 da ANEEL, que impôs novas regras, facilitando a instalação desse sistema em residências e indústrias (PORTALSOLAR, 2016).
Independentemente da quantidade de energia elétrica proveniente do painel solar, a carga será sempre alimentada, pois o sistema conectado é alimentado tanto pela rede elétrica pública quanto pelo painel fotovoltaico. Desta forma, a própria rede funciona como um dispositivo acumulador de energia não necessitando do uso de baterias, resultando em uma diminuição significativa no valor de implantação, visto que as baterias correspondem a cerca de 30% do custo do sistema completo autônomo (GAZOLI, 2011).
Quando o sistema conectado gera mais energia elétrica do que a unidade consumidora, o excedente é injetado na rede pública, proporcionando assim um crédito que pode ser utilizado posteriormente. Dessa forma, o sistema não fica dependente apenas da irradiação solar, devido ao fato de que esta sofre variações de acordo com as condições climáticas (GAZOLI, 2011).
Os sistemas fotovoltaicos interligados à rede elétrica necessitam de conversores estáticos para processarem a energia fornecida pelos painéis fotovoltaicos e transformarem a tensão contínua em alternada. Esta conversão pode ser realizada através de sistemas com um ou mais estágios de conversão, sendo eles isolados ou não. Existem várias topologias citadas na literatura para esse fim, sendo essencial a análise de cada tipo para poder escolher a mais adequada ao projeto (OLIVEIRA, 2017).
Portanto, para o processamento de energia, oriunda de fontes renováveis, os conversores estáticos de potência, que representam o objeto central dessa pesquisa, são elementos indispensáveis.
Metodologia
A atividade de pesquisa deverá ser desenvolvida em etapas, que poderão, conforme a necessidade, estar superpostas de forma a se obter os melhores resultados. Essas etapas serão as seguintes:
ETAPA 1: Revisão Bibliográfica.
Nesta etapa será realizada uma revisão bibliográfica no sentido de complementar aquela já existente para que a pesquisa se mantenha atualizada em relação ao estado da arte na área de Conversores Estáticos
e Sistemas Fotovoltaicos.
ETAPA 2: Estudo das técnicas de controle
Tomando como base o referencial teórico analisado devem-se estudar as técnicas de controle disponíveis na literatura (algoritmos de rastreamento de máxima potência - MPPT, controles dos conversores cc-cc e do inversor de tensão), para selecionar quais deveriam ser implementadas. Além das técnicas de controle convencionais, devem-se estudar também as técnicas de Inteligência Artificial (Lógica Fuzzy).
ETAPA 3: Estudo da programação específica do DSP
Nesta etapa devem-se estudar como utilizar o ambiente de programação do Processador Digital de Sinais (TMS320F28335, que é um controlador de sinais de ponto fixo, 32 bits de 150MIPS), através do kit experimental TMSDOCK28335 e como elaborar os programas a serem embarcados.
ETAPA 4: Projeto, simulação e implementação dos sistemas de controle.
Nesta etapa devem-se projetar, simular e implementar os sistemas de controle que utilizam lógica convencional e os que utilizam lógica Fuzzy e comparar os desempenhos para o tipo de aplicação pretendida. Dessa etapa, faz parte todo o desenvolvimento de software para o Processador
Digital de Sinais a ser escolhido, bem como o desenvolvimento e implementação dos circuitos de interface entre a unidade de controle e a etapa de potência e os testes necessários para comprovar o funcionamento.
ETAPA 5: Projeto, simulação e montagem das etapas de potência dos conversores.
Deve-se selecionar a potência a ser gerada, por meio do painel fotovoltaico e, a partir daí, deve-se projetar e simular as etapas de potência dos dos conversores e montar o protótipo a ser ensaiado e testado.
ETAPA 6: Montagem final do sistema.
Após todos os testes de bancada, dos sistemas de controle analisados, monta-se o protótipo completo do sistema de aproveitamento fotovoltaico com interface com a rede elétrica. Esse protótipo dever ser então ensaiado, sob condições de laboratório, para que todos os ajustes de bancada sejam feitos.
ETAPA 7: Divulgação dos resultados.
Devem-se divulgar os resultados conceituais, obtidos com a pesquisa, em congressos e revistas científicas tanto de âmbito nacional quanto internacional. Esta etapa pode ser desenvolvida ao longo da realização do projeto.
ETAPA 8: Relatório técnico final e prestação de contas.
Nesta etapa deve-se preparar o relatório técnico final de todas as atividades desenvolvidas, com todos os resultados obtidos pelo projeto.
ETAPA 1: Revisão Bibliográfica.
Nesta etapa será realizada uma revisão bibliográfica no sentido de complementar aquela já existente para que a pesquisa se mantenha atualizada em relação ao estado da arte na área de Conversores Estáticos
e Sistemas Fotovoltaicos.
ETAPA 2: Estudo das técnicas de controle
Tomando como base o referencial teórico analisado devem-se estudar as técnicas de controle disponíveis na literatura (algoritmos de rastreamento de máxima potência - MPPT, controles dos conversores cc-cc e do inversor de tensão), para selecionar quais deveriam ser implementadas. Além das técnicas de controle convencionais, devem-se estudar também as técnicas de Inteligência Artificial (Lógica Fuzzy).
ETAPA 3: Estudo da programação específica do DSP
Nesta etapa devem-se estudar como utilizar o ambiente de programação do Processador Digital de Sinais (TMS320F28335, que é um controlador de sinais de ponto fixo, 32 bits de 150MIPS), através do kit experimental TMSDOCK28335 e como elaborar os programas a serem embarcados.
ETAPA 4: Projeto, simulação e implementação dos sistemas de controle.
Nesta etapa devem-se projetar, simular e implementar os sistemas de controle que utilizam lógica convencional e os que utilizam lógica Fuzzy e comparar os desempenhos para o tipo de aplicação pretendida. Dessa etapa, faz parte todo o desenvolvimento de software para o Processador
Digital de Sinais a ser escolhido, bem como o desenvolvimento e implementação dos circuitos de interface entre a unidade de controle e a etapa de potência e os testes necessários para comprovar o funcionamento.
ETAPA 5: Projeto, simulação e montagem das etapas de potência dos conversores.
Deve-se selecionar a potência a ser gerada, por meio do painel fotovoltaico e, a partir daí, deve-se projetar e simular as etapas de potência dos dos conversores e montar o protótipo a ser ensaiado e testado.
ETAPA 6: Montagem final do sistema.
Após todos os testes de bancada, dos sistemas de controle analisados, monta-se o protótipo completo do sistema de aproveitamento fotovoltaico com interface com a rede elétrica. Esse protótipo dever ser então ensaiado, sob condições de laboratório, para que todos os ajustes de bancada sejam feitos.
ETAPA 7: Divulgação dos resultados.
Devem-se divulgar os resultados conceituais, obtidos com a pesquisa, em congressos e revistas científicas tanto de âmbito nacional quanto internacional. Esta etapa pode ser desenvolvida ao longo da realização do projeto.
ETAPA 8: Relatório técnico final e prestação de contas.
Nesta etapa deve-se preparar o relatório técnico final de todas as atividades desenvolvidas, com todos os resultados obtidos pelo projeto.
Indicadores, Metas e Resultados
Neste caso, os indicadores se confundem com as próprias metas. As metas, assim como os resultados esperados, estão listadas na sequência:
Simulações do sistema completo funcionando.
Projeto da etapa de potência pronto.
Sistemas de controle com algoritmos embarcados no DSP funcionando.
Etapa de potência montada.
Protótipo montado.
Protótipo experimentado.
Encaminhamento de resultados para publicação.
Simulações do sistema completo funcionando.
Projeto da etapa de potência pronto.
Sistemas de controle com algoritmos embarcados no DSP funcionando.
Etapa de potência montada.
Protótipo montado.
Protótipo experimentado.
Encaminhamento de resultados para publicação.
Equipe do Projeto
| Nome | CH Semanal | Data inicial | Data final |
|---|---|---|---|
| CHRISTIANO MARTINO OTERO AVILA | 2 | ||
| CLÁUDIO MANOEL DA CUNHA DUARTE | 9 | ||
| FELIPE GARCIA DE LEON | |||
| RICARDO LAGES RODRIGUES |