O SEGREDO POR TRÁS DAS TÉCNICAS DE MPPT

nesse vídeo eu vou te ensinar para que serve e como implementar um algoritmo de mppt em Sistemas fotovoltaicos se você ficou curioso me acompanha até o final do vídeo para ver isso funcionando na prática Bora [Música] lá bom pessoal dando continuidade então ao assunto de sistemas fotovoltaicos no vídeo de hoje vamos falar sobre mppt se você não sabe o que significa mppt é Maximum PowerPoint tracking ou seja em português rastreamento do ponto de máxima potência e porque a gente precisa disso em sistema fotovoltaicos existem basicamente dois motivos principais pra gente utilizar o mppt o primeiro

deles é que os módulos fotovoltaicos por si só não apresenta um rendimento expressivo Ou seja a eficiência é muito baixa em torno de 15% para vocês terem uma noção se a gente considerar esse módulo modelo CS6 P 250 da canadia ele possui uma potência máxima de 250 w e segundo os fabricantes a eficiência é de 15,54 por. se vocês não sabem essa eficiência é calculada dividindo a potência máxima pela irradiância no Nas condições de teste padrão que é de 1000 w por m qu vezes a área total do módulo isso Vai resultar Então nesse valor

de 15,54 Por que é uma eficiência relativamente baixa né então um dos motivos da gente utilizar o mppt é pra gente tentar extrair o máximo de potência que o módulo consegue fornecer pra gente não desperdiçar mais energia já que a eficiência por si só é baixa e o segundo motivo é que o módulo possui uma característica de saída não linear quando a gente relaciona a tensão e a corrente do módulo a gente tem uma característica totalmente não linear o que quero dizer com isso nessa simulação aqui eu estou considerando uma fonte de tensão não Ideal

com uma resistência interna aqui de 0,5 e na saída estou considerando uma corrente que varia de 0 a 9 A então essa corrente está emulando uma carga conectada nos terminais de saída da fonte nesse gráfico eu relacionei aqui no eixo Y A corrente com a tensão no eixo X e notem que quando a gente não tem uma corrente na ída Ou seja a gente não tem nenhuma carga drenando potência dessa fonte a tensão é os 30 V né da tensão interna aqui e a medida que a gente vai aumentando essa corrente a tensão tende a

diminuir devido essa resistência interna que vai oferecer aqui uma queda de tensão nos terminais de saída da fonte se a gente aumentar essa fonte pro infinito obviamente que a tensão vai tender a zero já que a gente tá emulando aqui uma um curto circuito na saída da fonte mas uma fonte de bancada comercial a gente teria uma proteção aí e consequentemente a corrente não tenderia ao infinito ela seria travada ali né em um valor constante de acordo com a proteção mas que eu quero mostrar para vocês aqui que quando a gente considera essa fonte de

tensão a gente tem uma relação linear entre a corrente e a tensão embora seja inversamente proporcional né Mas se a gente considerar agora o módulo fotovoltaico esse modelo eu encontrei na internet e variar a corrente na saída do módulo também de 0 A9 a a relação que a gente vai obter na saída né da corrente com a tensão vai ter Esse aspecto aqui totalmente diferente daquele que a gente observou ou seja não tem nenhuma relação linear aqui entre a tensão e a corrente na verdade existe aqui três regiões de operação que fica mais fácil de

entender através desse slide aqui nota que nessa região aqui a gente tem uma corrente constante que é aquela corrente informada pelos fabricantes a corrente de curto circuito então durante essa região o módulo fotovoltaico opera como se fosse uma fonte de corrente fornecendo uma corrente uma corrente constante né pra carga nessa outra região aqui em verde a gente tem uma característica parecida com com aquela da simulação da fonte de tensão onde a tensão ela vai diminuindo conforme a corrente aumenta e a gente tem aqui uma praticamente uma reta né uma relação linear entre essas duas grandezas

então a gente chama essa região de fonte de tensão onde o módulo funciona como se fosse uma fonte de tensão né E nessa outra região aqui em vermelho a gente tem uma característica totalmente não linear e é exatamente essa região que nos interessa por quê se a gente relacionar agora a potência com a tensão e não a corrente com a tensão observem que existe um ponto onde a potência É máxima e esse ponto ocorre exatamente nessa região onde a relação entre a corrente e a tensão não é linear e através dessas curvas características que relaciona

a corrente e tensão do módulo a gente consegue extrair alguns parâmetros que são fornecidos pelos fabricantes vocês já devem ter ouvido falar sobre tensão de circuito aberto corrente de curto circuito tensão e corrente no ponto de máxima potência isso tudo está relacionado com essa curva aqui a tensão de circuito aberto é a tensão máxima que o módulo a botar consegue gerar quando não tem corrente na saída dele ou seja quando ele está funcionando em circuito aberto de fato não tem nenhuma carga drenando corrente do módulo Então essa corrente nesse essa tensão nesse ponto aqui a

corrente de curto circuito ocorre quando a gente curto circuito a saída do módulo vai ser a máxima corrente que ele consegue fornecer está relacionada a esse ponto aqui já o ponto do joelho da curva onde a gente consegue extrair a máxima potência do módulo né conforme essa outra curva a gente chama de ponto de máxima potência o mpp Então a gente tem relacionado a esse ponto uma tensão e uma corrente que a gente chama de corrente e tensão no ponto de máxima potência bom então com isso fica claro que a potência que é gerada pelo

módulo fotovoltaico vai depender da carga que é enxergada por ele né a carga que a gente conecta na saída para extrair essa energia gerada Então se a gente considerar quatro resistores Com valores diferentes dependendo do resistor que a gente conectar aqui na saída do módulo fotovoltaico Ele vai operar em um ponto diferente daquela curva Então se nesse primeiro caso a gente teria o módulo operando nessa região aqui para o segundo resistor o módulo operando nessa região para o terceiro o módulo operando lá no ponto de máxima potência e assim por diante e a gente consegue

emular esses resistores a partir de um conversor chaveado conectando o conversor chaveado na saída do módulo fotovoltaico e a saída desse conversor conectado a uma carga Digamos que resistiva né então o módulo está fornecendo uma energia para o conversor e o conversor processa essa energia e entrega paraa carga resistiva Então olha que interessante interessante esse módulo fotovoltaico vai enxergar o conversor como se fosse uma carga resistiva variável onde o seu valor vai depender da Razão cíclica de operação do resistor e do valor dessa carga conectada na saída do conversor essa tabela reúne aqui algumas topologias

básicas de conversores cccc a gente tem o conversor Buck o Boost Buck Boost Chuck cpic Z nesse outro lado da tabela a gente tem o valor da carga né da da Resistência que é enxergada pelo módulo fotovoltaico Observe que essas resistências vão depender do valor da resistência da carga e da raç cíclica Como Eu mencionei então a forma mais simples da gente colocar o sistema para operar no ponto de máxima potência seria ajustando essa razão cíclica Com base no valor da carga de modo que a carga a resistência enxergada pelo módulo seja tal que o

módulo fica operando no ponto de máxima potência né então a gente precisaria basicamente fazer um cálculo ali manualmente ajustar a razão cíclica e deixar o sistema operando e boa só que na prática não é bem isso que acontece a curva de operação do módulo fotovoltaico ela varia conforme as condições climáticas nesse caso aqui eu estou emulando o módulo fotovoltaico para diferentes irradiâncias solar mantendo a temperatura constante e observem como a irradiância afeta a corrente gerada pelo módulo então a corrente aqui de curto circuito ela varia conforme a irradiância aumenta ou diminui quanto maior a radiância

maior a corrente né de curto circuito e obviamente maior vai ser a potência no ponto de máxima potência né e por outro lado se a gente manter a radiância constante e variar a temperatura a gente tem uma curva que que afeta principalmente a tensão de circuito aberto e a tensão no ponto de máxima potência obviamente né então a corrente de curto circuito é praticamente a mesma só que a tensão Varia muito com a a mudança na temperatura quanto maior a temperatura menor vai ser a tensão então a solução para isso é a gente implementar o

que a gente chama de mppt que é uma algoritmo normalmente é adicionado ao controle do conversor cccc então dependente se a gente tem um sistema offgrid o conversor cccc pode alimentar diretamente uma carga em corrente contínua ou se a gente tiver um sistema conectado à rede a gente vai ter um segundo estágio que vai ser o inversor responsável por converter essa tensão contínua em uma tensão alternada mas normalmente o algoritmo de mppt é implementado junto ao controlador do estágio cccc e hoje em dia existem diversas técnicas de mppt que já foram propostas na literatura e

basicamente elas são divididas em três categorias as técnicas offline que como eu falei naquele caso da razon CC constante a gente ajusta um determinado parâmetro uma vez só e coloca o sistema para operar então alguns exemplos dessas técnicas é a técnica de tensão constante tensão de circuito aberto corrente de curto circuito ou a técnica de lookup table também temos as técnicas online que diferente das offline fica o tempo todo tentando rastrear o ponto de máxima potência as técnicas mais famosas nesse caso é a perturba e observa condutância incremental a técnica Beta e as técnicas baseadas

em Temperatura por fim temos as técnicas inteligentes que utilizam normalmente Inteligência Artificial pode ser lógica fuz redes neurais artificiais ou até mesmo otimização de enxame de partículas já são técnicas bem mais avançadas normalmente implementadas para reduzir os problemas de sombreamento parciais dentre essas a técnica mais simples de implementar que já possui uma eficiência de rastreamento relativamente boa é a técnica de tensão constante que ela consiste basicamente em forçar a tensão do módulo fotovoltaico para operar no ponto de máxima potência então a gente precisaria aqui de uma malha de controle realimentada com uma realimentação negativa onde

a gente lê a tensão do módulo fotovoltaico nesse caso seria a tensão de entrada do conversor cccc compara ela com uma referência essa referência vai ser exatamente a tensão no ponto de máxima potência e aí um controlador vai ajustar a razão cíclica do conversor para levar esse erro a zero e notem que a comparação aqui tem os sinais Trocados em relação à técnica convencional que normalmente a referência é positiva e a realimentação é negativa E por que isso porque o o conversor ele apresenta uma relação inversamente proporcional entre a tensão de entrada e a razão

cíclica pra gente diminuir essa tensão na entrada do conversor a gente precisa aumentar a razão cíclica com isso a gente vai drenar mais corrente e quando a gente dren mais corrente a gente tende a afundar a tensão na entrada do conversor E se a gente quiser aumentar a tensão a gente precisa reduzir a razão cíclica drenar menos corrente consequentemente E aí a tensão vai aumentar então devido a essa relação inversamente proporcional entre essas duas grandezas a gente precisa inverter esses sinais aqui mas embora essa técnica seja bem simples e utiliza apenas um sensor de tensão

ela tem um grande problema porque ela considera que as condições climáticas não afetam a o ponto de operação do conversor mas na verdade a gente já observou que a irradiância e a temperatura alteram muito a curva de operação do módulo fotovoltaico quando a gente considera uma temperatura constante e varia apenas a irradiância solar o ponto de máxima potência ele não altera muito então se a gente considerasse aqui uma tensão fixa basicamente o sistema ia operar sempre no ponto de máxima potência ou muito próximo dele então a gente não teria grandes problemas para variações na irradiância

solar por outro lado quando a gente tem uma variação na temperatura aqui eu estou considerando uma irradiância solar constante de 1w por m qu à medida que a gente varia a temperatura como eu falei a tensão é muito afetada E se a gente mantesse Aquela tensão constante Olha que ia acontecer a gente ia sair totalmente do ponto de máxima potência e nesse último caso a gente não ia nem gerar energia porque o sistema ia operar aqui em em circuito aberto né então uma solução para isso é a gente tentar atualizar a referência de tensão em

vez de mantê-la fixa E para isso a gente pode considerar a relação linear que existe entre a tensão no ponto de máxima potência e a tensão no de circuito aberto e essa relação é dada por essa equação onde o k define essa proporcionalidade entre essas duas grandezas e normalmente ele varia entre 0,7 e 0,8 dependendo do modelo do módulo fotovoltáico então basta você entrar lá no datashet e relacionar a tensão do do ponto de máxima potência com a tensão de circuito aberto fornecida pelo fabricante a vai ter o valor do dessa constante k Mas qual

que é o problema dessa técnica a gente precisa atualizar essa tensão de referência periodicamente então para isso a gente precisa desconectar o conversor do módulo fotovoltaico ler a tensão de circuito aberto calcular a tensão no ponto de máxima potência né através dessa multiplicação e aí conectar o conversor novamente e continuar ali eh com aquela malha de de controle e esse gráfico mostra exatamente o que aconteceria na prática né que eu estou emulando um dia de geração fotovoltaica que normalmente apresenta essa curva né de manhã tem uma geração mínima aí vai aumentando lá pelo meio-dia tem

a geração máxima e depois vai diminuindo até 6 horas da tarde então em vermelho seria a curva ideal da potência que o módulo conseguiria gerar e em azul É de fato potência extraída do módulo e notem como periodicamente essa potência vai quase a zero né porque a gente fica desconectando módulo lê a tensão de circuito aberto e conecta de novo isso como vocês podem imaginar causa perdas de energia no sistema porque a gente fica um certo período sem gerar nada Lógico que não tem não vai impactar tanto na eficiência mas a gente vai ter uma

certa perda da da eficiência então uma situação ideal seria a gente ajustar essa tensão de referência conforme as variações climáticas mas sem a necessidade de desconectar o conversor do módulo fotovoltaico para ler a tensão de circuito aberto e um método muito utilizado para esse caso seria o método perturba e observa que é um método online como eu havia falado para vocês e ele fica o tempo todo tentando rastrear o ponto de máxima potência o Seu funcionamento é bem simples se a gente analisar essa curva que relaciona a potência com a tensão fica claro que do

lado direito aqui do módulo fotovoltaico se a gente diminuir a tensão Olha o que acontece aqui seria a tensão de circuito aberto e à medida que a gente vai diminuindo a tensão a curva o ponto de operação vai se aproximando do ponto de máxima potência já do lado esquerdo do ponto de máxima potência se a gente continuar diminuindo essa tensão a potência diminui também então não é isso que a gente quer então do lado esquerdo do ponto de máxima potência a gente precisa aumentar a tensão para o ponto de operação se aproximar do mpp então

é basicamente assim que funciona esse método e como o nome já diz ele perturba ele fica perturbando a tensão E observa o comportamento da potência para ver se está se aproximando ou não do mpp e como que a gente faz isso utilizando um fluxograma bem simples como esse aqui então basicamente a gente precisa ler a tensão e a corrente do módulo fotovoltaico então no nosso circuito prático a gente precisa de um sensor de tensão e um sensor de corrente então a gente lê a tensão e a corrente calcula a potência multiplicando essas duas grandezas E

aí a gente verifica se a potência calculada Ela é maior ou não do que a potência armazenada anteriormente ou seja esse algoritmo ele vai ficar funcionando periodicamente conforme uma frequência de amostragem que a gente vai utilizar né se for 100 hz 20 hz não precisa ser uma frequência muito rápida e aí a gente armazena a variável atual né da potência e também armazena a variável anterior que a gente leu na amostragem anterior passada né e a gente compara essas duas grandezas se a potência atual for maior do que a potência anterior quer dizer que a

gente tá ainda se aproximando do ponto de máxima potência então a gente vem para esse lado aqui só que a gente precisa saber em qual lado da curva a gente tá porque se a gente tá do lado direito a potência tá aumentando quer dizer que a gente tem que diminuir a tensão E se a gente tá do lado esquerdo e a potência tá aumentando quer dizer que a gente tem que aumentar a referência de tensão então a gente precisa verificar em qual lado a gente tá se a tensão atual for maior do que a tensão

anterior quer dizer que a gente tá aumentando a tensão e a potência também está aumentando então a gente tá no lado esquerdo do mpp Então o que a gente precisa fazer continuar aumentando a referência de tensão a partir de um passo aqui que a gente que eu chamei de Delta V por outro lado se a tensão atual for menor do que a tensão anterior quer dizer que a gente está diminuindo a tensão e a potência está aumentando Ou seja a gente tá do lado direito do mpp então a gente precisa na verdade continuar diminuindo essa

referência até se aproximar desse ponto aqui e o mesmo é Vado para outra condição se a potência atual for menor do que a potência anterior quer dizer que ou a gente está diminuindo a tensão do lado esquerdo do mpp e a potência vai cair consequentemente ou a gente está aumentando a tensão do lado direito do mpp então a gente precisa ajustar isso aí E como que implementa isso na prática Será que é difícil não é bem simples olha Olha só esse código que eu vou mostrar para vocês isso aqui eu utilizei no meu no meu

TCC se você não assistiu o vídeo anterior expliquei mais ou menos do que que se tratava o meu TCC né E aqui basicamente o que que eu faço eu tenho uma variável potência que eu calculo ela multiplicando a tensão e a corrente lida aqui eu estou utilizando ponto fixo por isso eu utilizei essa função q15 multiplier né então é uma é um formato em q15 E aí eu multiplico as duas grandezas obtenho uma potência em vez de eu comparar a tensão anterior com a atual eu eu calculo um del V simplesmente eu subtraio a tensão

atual do da anterior se o Del V for positivo quer dizer que a tensão atual é maior do que anterior se for negativo quer dizer que a a tensão atual é menor do que a anterior né então aqui eu verifico se a potência atual é maior do que a anterior então a gente tá aqui é maior é então vamos entrar aqui o Del V é positivo é então estou aqui incremento a minha referência de tensão com esse passo que eu chamei de mppt step esse aqui eu defini lá em cima no código né se a

o delta V for negativo eu tô aqui então eu decremento a referência e aqui por outro lado se a potência atuar for menor do que anterior a gente vem para esse lado aqui se o delta V é positivo quer dizer que eu eu estou desse lado eu preciso decrementar a referência Então tá aqui ó decrement e se for negativo eu vem para cá precisa incrementar simplesmente isso pra gente implementar um mppt perturba e observa Por fim eu só saturei aqui a referência de tensão entre dois extremos aí de operação pra gente não incrementar demais ou

decrementar demais essa referência e depois eu atualizo os valores eh passados né com armazenando os valores presentes e ainda tem uma outra sacada muito interessante que eu utilizei no código final do meu TCC para agilizar né para deixar esse esse algoritmo mais rápido que é o qu em vez de eu deixar ele funcionando por si só no começo eu pego a referência de tensão e decremento ela com um passo muito alto então normalmente o sistema come começa operando com o módulo fotovoltaico lá na tensão de circuito aberto então a gente sabe que a gente precisa

diminuir a tensão até chegar próxima do mppt então o que que eu faço é exatamente isso eu vou diminuindo a referência de tensão já com passo muito grande e quando ele chega em certo valor ali de tensão eu paro de de decrementar com esse passo e deixo o meu mppt funcionando por si só então isso acelera né o início do algoritmo e depois ele fica operando ali sozinho no para rastrear o ponto de máxima potência e aqui só para confirmar que isso funciona de fato eu vou mostrar o protótipo funcionando esse aqui é o protótipo

do meu TCC aqui é o conversor Boost quadrático que seria o conversor cccc lá do primeiro estágio então é aqui nesse no controle desse conversor que eu implementei o mppt e nesse teste como eu estava testando apenas o mppt eu não tinha o inversor operando ainda então simplesmente eu conectei né uma fonte de tensão que emula o módulo fotovoltaico na entrada do conversor cccc do Boost quadrático e na saída do conversor eu con que tem uma carga resistiva apenas né e a placa desse conversor Boost quadrado que eu desenvolvi aqui no Timo Esse é o

esquemático do conversor Então a gente tem aqui a parte de potência a parte do GATE driver para acionar o mosfet os circuitos de sensoreamento da tensão de entrada tensão de saída aqui da corrente eu utilizei um resistor chant se você não sabe o aum é um dos softwares de layout de perceb mais utilizados na indústria Esses dias eu tava pesquisando vaga para desenvolvimento de hardware e a maioria exige o conhecimento de Aum então se você pretende trabalhar com desenvolvimento de hardware layout de PCB é importantíssimo aprender a utilizar esse software então para isso eu vou

deixar aqui embaixo na descrição um link de um curso muito bacana com preço bem acessível se você tiver interesse D uma olhadinha lá então aqui a gente tem o conversor cccc ó essa é a fonte de tensão que emula o módulo fotovoltaico em cima dela tem uma carga resistiva Esse é um software que eu utilizei para controlar a a fonte de tensão né que emula o módulo fotovoltaico e olha que interessante eu consegui configurar aqui um padrão como se f fosse o módulo fotovoltaico operando durante um dia né que é aquela curva característica que ele

começa gerando menos energia ao longo do dia chega lá por volta de meio dia tem a potência máxima e depois vai diminuindo novamente então em vermelho seria a potência ideal máxima fornecida pela fonte e em verde é a potência que está sendo de fato extraída pelo conversor é cccc então vamos ver isso aqui operando Então ela começa lá com a potência mais baixa o conversor já rastreou aumentou a potência novamente o mppt rastreou E aí ele vai seguindo conforme a potência vai aumentando ou diminuindo o mppt vai alterando o ponto de operação do conversor para

seguir essa curva em vermelho ó chegou na potência máxima e começou a diminuir até Até chegar na potência mínima e o conversor sempre seguindo essa curva em vermelho que seria a referência de potência né ao final aqui o esse software ele gera o fator de rastreamento que seria basicamente uma eficiência quanto de potência conversor conseguiu extrair do módulo fotovoltaico dividido pela potência máxima e aí a gente tem aqui uma rastreamento de 99,77 por Ou seja a gente conseguiu extrair praticamente toda a potência gerada pelo módulo né pela a fonte que emula o módulo fotovoltaico e

a Apesar dessa técnica apresentar um fator de rastreamento muito bom e não depender dos parâmetros do módulo fotovoltaico ela apresenta um problema que é o fato de ficar perturbando constantemente a tensão do módulo fotovoltaico e dependendo do valor daquele passo que é incrementado ou decrementado na referencia de tensão a gente pode ter uma oscilação muito grande ou não então se a gente tiver um passo maior a gente melhora a dinâmica do do mppt né a gente consegue rastrear o ponto de máxima potência com uma velocidade maior porém a oscilação lá no ponto de máxima potência

também vai ser maior e se a gente diminuir aquele passo a ponto de não ter uma oscilação significativa a gente acaba deixando o algoritmo mais lento né então para melhorar essa questão do método perturb observa alguns trabalhos propuseram ajustar o passo de incremento conforme a distância né do ponto de máxima potência então se a tiver muito distante do do ponto de máxima potência Esse passo ele é aumentado né de forma que a resposta fica mais rápida e à medida que a gente vai se aproximando do mpp o passo de incremento é diminuído para diminuir as

oscilações lá no ponto de máxima potência né as oscilações na tensão do módulo fotovoltaico e uma outra solução é a gente optar por outros métodos que não apresente essa oscilação como o método da condutância incremental o método de Beta ou o método baseado em Temperatura se você quer aprender mais sobre esses outros métodos de mppt vou deixar o link de um artigo que eu escrevi lá no blog eletrônica de potência Onde eu comparo os sete principais métodos de mppt e esse foi o vídeo de hoje pessoal se você gostou se você aprendeu com esse conteúdo

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