As 7 principais Técnicas de MPPT

Hoje vamos falar sobre técnicas de MPPT. Você sabe o que é isso? Se sua resposta for NÃO, então fique comigo até o final deste artigo para aprender mais sobre esse assunto tão importante na área de sistemas fotovoltaicos. Caso sua resposta seja SIM, fique até o final também, pois eu tenho a certeza que este texto vai te agregar algum conhecimento.

Introdução

Como vimos no artigo anterior, os módulos fotovoltaicos (FV) apresentam, por si só, rendimentos não expressivos, da ordem de 15%. Em termos matemáticos, a eficiência de conversão é dada pela razão entre a máxima potência gerada (PMPP) e a irradiância solar incidente (S) sob a área do módulo.

Considerando como exemplo um módulo Canadian 255P-SD, cujos parâmetros especificados pelo fabricante, sob as condições padrão de teste, são: S = 1000 W/m², A = 1,61 m² e PMPP = 255 W. A eficiência de conversão é dada por:

\eta = \frac{255}{1000\cdot 1,61}\cdot 100\% = 15,84\%  (1)

Além disso, também vimos que a característica de saída dos módulos fotovoltaicos não é linear e varia com a irradiância solar e com a temperatura, conforme ilustra a Figura 1.

Figura 1. Influência de fatores externos no desempenho dos módulos fotovoltaicos: (a) variação da temperatura para uma irradiância constante; e (b) variações na irradiância para uma temperatura fixa.

Dessa forma, objetivando alcançar o melhor desempenho do módulo independentemente da condição de operação, é comum utilizar uma técnica de MPPT (Maximum Power Point Tracking). Essa técnica rastreia constantemente o ponto de máxima potência (MPP), garantindo que o módulo fotovoltaico opere sempre em tal condição, o que melhora significativamente o aproveitamento energético do sistema [1].

Em geral, a técnica de MPPT nada mais é do que um algoritmo implementado no controle do conversor CC-CC que faz a interface entre o módulo fotovoltaico e a carga, no caso de sistemas isolados da rede elétrica (off-grid), ou entre o módulo e o inversor em sistemas conectados à rede (on-grid). Para ficar mais didático, a Figura 2 apresenta o diagrama de blocos simplificado de um sistema fotovoltaico, considerando a técnica de MPPT.

Diagrama de blocos simplificado para implementação da técnica de MPPT em sistemas fotovoltaicos.

Figura 2. Diagrama de blocos simplificado para implementação da técnica de MPPT em sistemas fotovoltaicos off-grid e on-grid.

As Principais Técnicas de MPPT

Atualmente, existem inúmeras técnicas propostas na literatura para extração da máxima potência dos módulos FV [2-4]. Com o surgimento dos microcontroladores e dos processadores digitais de sinais, foi possível o desenvolvimento de técnicas cada vez mais complexas, aplicadas a melhora da velocidade e precisão do rastreamento. Dentre as técnicas de MPPT mais utilizadas na literatura, podemos destacar:

  • Tensão Constante (CV);
  • Fração da Tensão de Circuito Aberto (OC);
  • Fração da Corrente de Curto-Circuito (SC);
  • Perturba e Observa (P&O);
  • Condutância Incremental (IC);
  • Método Beta;
  • Método Baseado na Temperatura;
  • Técnicas Baseadas em Lógica Fuzzy;
  • Técnicas Baseadas em Redes Neurais.

Diante dessa variedade de técnicas de MPPT, uma análise comparativa cuidadosa entre elas, conforme apresentado em [1-4], pode resultar em informações importantes para o projeto desse tipo de sistema. Neste artigo, vou abordar o funcionamento das sete primeiras, tendo em vista que estas são as mais simples de implementar e as mais utilizadas em aplicações industriais.

Razão Cíclica Fixa

A razão cíclica fixa é a técnica mais simples por não necessitar de nenhuma realimentação. Neste método, a resistência aparente da carga é ajustada uma única vez para a potência máxima do módulo e não é ajustada novamente, ou seja, este é um método off-line. Devido à sua ineficiência, este não é um método usual, mas pode ser tomado como referência de pior caso para comparação com os demais métodos [1], [3].

#1 Método da Tensão Constante (CV)

O método da Tensão Constante consiste em definir uma referência de tensão fixa e controlar o conversor CC-CC para que a tensão do módulo FV alcance esse valor. De maneira geral, é utilizada uma malha de controle realimentada, conforme consta na Figura 3, onde a referência (Vref) corresponde à tensão de máxima potência do módulo em questão, a qual é obtida no manual do fabricante para as condições padrão de teste ou definida como um valor entre 70% e 80% da tensão de circuito aberto medida inicialmente no local [3], [4].

Observe na referida figura que os sinais da referência e da tensão medida nos terminais do módulo FV, vFV(t), estão invertidos em comparação à técnica de realimentação negativa convencional. Isso é feito para compensar a relação inversamente proporcional entre a tensão de entrada do conversor e a razão cíclica. Ou seja, para diminuir a tensão é necessário aumentar a razão cíclica e vice-versa.

Técnica de MPPT denominada Tensão Constante.

Figura 3. Diagrama de blocos da técnica de MPPT denominada “Tensão Constante”, onde Vref é a referência de tensão, vFV(t) é a tensão lida nos terminais do módulo FV e d(t) é a razão cíclica resultante da ação do controlador de tensão Cv.

Esse método tem como vantagem a sua fácil implementação e o fato de necessitar apenas do sensoriamento da tensão de saída do módulo FV. No entanto, o seu funcionamento assume que as influências da temperatura e da irradiância solar são insignificantes e, por isso, a tensão de referência escolhida é uma aproximação adequada para o MPP [2].

De fato, para variações na irradiância solar, considerando a temperatura constante, o método não é tão afetado conforme se observa na Figura 4-a. Todavia, a tensão no ponto de máxima potência sofre mudanças significativas para variações na temperatura. Desse modo, se mantermos a referência de tensão fixa, o módulo não fornecerá a máxima eficiência possível em todas as condições de operação [5]. Para compreendermos melhor o exposto, a Figura 4-b mostra como a tensão no MPP diverge da tensão de referência quando a temperatura de operação varia.

Figura 4. Curva característica P x V (a) sob temperatura constante e (b) sob irradiância constante. Comparação entre os pontos de máxima potência e os pontos resultantes da técnica de tensão constante.

#2 Fração da Tensão de Circuito Aberto (OC)

Este método é uma melhoria do método anterior e se baseia no fato da tensão de máxima potência (VMPP) apresentar uma relação linear com a tensão de circuito aberto (VOC), para diferentes condições de irradiância [6]. Sendo assim, podemos calcular facilmente a tensão no MPP de acordo com a equação (2), onde kv é um valor tipicamente usado entre 0,7 e 0,8. A tensão calculada torna-se referência para o controle do conversor CC-CC.

V_{MPP} = k_v\times V_{OC} (2)

É importante notar que nesse tipo de algoritmo é necessário ler a tensão de circuito aberto periodicamente para compensar qualquer variação de temperatura. E isso é feito desconectando-se o conversor do módulo FV por um curto intervalo de tempo [7]. Em muitos casos, todavia, não é desejável interromper regularmente o fornecimento de energia para a carga.

Para implementar esse método, podemos adotar a mesma estrutura da Figura 3. A diferença é que a tensão de referência não será mais fixa e sim dependente da tensão de circuito aberto lida pelo sensor, conforme indicado na equação (2).

#3 Fração da Corrente de Curto-Circuito (SC)

Esta técnica se assemelha a anterior, mas utiliza a relação diretamente proporcional entre a corrente no ponto de máxima potência (IMPP) e a corrente de curto-circuito (ISC) [8], segundo

I_{MPP} = k_i\times I_{SC} (3)

onde ki se situa tipicamente entre 0,9 e 0,98.

O resultado do cálculo corresponde à referência de corrente utilizada na estratégia de controle do conversor CC-CC. Nesse caso, o controle é realizado a partir da corrente e não mais da tensão como demonstrado na Figura 3. Em razão disso, torna-se necessário empregar um sensor de corrente e curto-circuitar a saída do módulo frequentemente para atualizar o valor da referência [9]. Assim como no método anterior, isso pode ser indesejável já que interrompe o funcionamento do sistema e diminui a sua eficiência.

#4 Perturba e Observa (P&O)

O método Perturba e Observa (P&O) é um dos mais utilizados na prática [2]. Como o próprio nome já diz, esse método funciona introduzindo pequenas perturbações no sistema e observando o comportamento da potência gerada, de modo que o ponto de operação seja alterado até alcançar o ponto de máxima potência (MPP) [2], [4].

Analisando a curva P-V mostrada na Figura 5, fica fácil perceber que a potência aumenta quando diminuímos a tensão no lado direito do MPP. O mesmo ocorre quando aumentamos a tensão no lado esquerdo do MPP. Assim, partindo de um certo ponto na curva, se a tensão é perturbada e a potência aumenta em relação a potência medida anteriormente, o sistema de controle continua perturbando no mesmo sentido, caso contrário o sentido de aplicação da perturbação é invertido [2-4].

Figura 5. Curva característica, Potência x Tensão, de um módulo fotovoltaico.

O algoritmo básico do P&O utiliza um passo fixo (ΔV) para aumentar ou diminuir a referência de tensão (Vref). Essa referência é, então, utilizada em uma malha de controle semelhante àquela ilustrada na Figura 3. Sendo assim, podemos dizer que o P&O opera normalmente em conjunto com o método da Tensão Constante, adaptando em tempo real a referência de tensão em vez de mantê-la fixa. A Figura 6 mostra o fluxograma para a implementação desse algoritmo.

Técnica de MPPT denominada Perturba e Observa (P&O).

Figura 6. Fluxograma da técnica de MPPT denominada “Perturba e Observa” (P&O).

Apesar de muito eficiente, esse método pode apresentar grandes oscilações na tensão com baixa irradiância. Além disso, este não responde bem quando a irradiância varia de forma abrupta, podendo escolher inicialmente a direção oposta para atualização do ponto de operação do sistema. O tamanho do passo (ΔV) determina o quão oscilante será o algoritmo no MPP. Quanto menor ΔV, menores serão as oscilações, porém, mais lento será o rastreamento [1-5].

Para melhorar a qualidade do método P&O, alguns trabalhos propuseram adaptar o passo conforme a distância do ponto de máxima potência [10], [11]. Assim, à medida que o ponto de operação se aproxima do MPP, o passo diminui a fim de reduzir as oscilações na tensão. Em contrapartida, o passo aumenta quando o ponto de operação se afasta do MPP, acelerando assim o rastreamento.

#5 Condutância Incremental (IC)

O método da Condutância Incremental se baseia no fato da derivada da potência em relação a tensão \left( \frac{dP}{dV}\right) na curva P-V (ver Figura 3) ser nula no ponto de máxima potência, negativa à direita e positiva à esquerda do MPP [12], conforme

\frac{dP}{dV} = 0, ~~~ \text{no MPP} (4)
\frac{dP}{dV} > 0, ~~~ \text{a esquerda do MPP}
\frac{dP}{dV} < 0, ~~~ \text{a direita do MPP}

Nesse caso, a derivada da potência pode ser escrita da seguinte forma

\frac{dP}{dV} = \frac{d(V\times I)}{dV} = I + V\times\left(\frac{dI}{dV}\right) \approx I + V\times\left(\frac{\Delta I}{\Delta V}\right) (5)

Com base na expressão anterior, podemos estabelecer uma nova relação, segundo

\frac{\Delta I}{\Delta V} = -\frac{I}{V}, ~~~ \text{no MPP} (6)
\frac{\Delta I}{\Delta V} > -\frac{I}{V}, ~~~ \text{a esquerda do MPP}
\frac{\Delta I}{\Delta V} < -\frac{I}{V}, ~~~ \text{a direita do MPP}

Da análise acima, chamamos a parcela ( \Delta I / \Delta V ) de condutância incremental e a parcela (I/V ) de condutância instantânea [12]. Assim sendo, a ideia básica do algoritmo IC é comparar a condutância incremental com a condutância instantânea para determinar se a tensão deve ser incrementada ou decrementada.

O fluxograma para esse método pode ser visto na Figura 7. Em teoria, as oscilações em regime permanente são eliminadas, uma vez que o algoritmo para de incrementar a partir do momento em que o MPP é atingido [2], [3], [12]. No entanto, o cálculo de \Delta I continua sendo feito e quando ocorre uma variação (\Delta I \neq 0 ), o algoritmo de rastreamento volta a funcionar.

Fluxograma da técnica de MPPT denominada Condutância Incremental.

Figura 7. Fluxograma da técnica de MPPT denominada “Condutância Incremental”.

Ademais, destaca-se que o algoritmo IC funciona muito bem para variações rápidas na irradiância, mas ruídos podem impedir que o MPP seja alcançado. Por isso, um condicionamento eficiente deve ser feito nos sinais de tensão e corrente.

Obs.: Os métodos P&O e IC também podem atuar na referência de corrente em vez da tensão. Nesse caso, faríamos o controle a partir da corrente de entrada do conversor. Entretanto, é importante destacar que a corrente sofre muito mais influência das variações da irradiância do que a tensão, o que poderia impactar o desempenho do algoritmo. Existe ainda a possibilidade de atuar diretamente na razão cíclica, sem usar uma malha de controle. Apesar de ser uma estratégia mais simples, não acho muito interessante já que a maioria dos conversores apresentam uma relação não linear entre a potência e a razão cíclica.

#6 Método Beta

O método Beta funciona em duas etapas: a primeiro delas leva o ponto de operação rapidamente para uma condição próxima do ponto de máxima potência, enquanto a segunda implementa alguma das técnica convencionais citadas acima (normalmente a P&O com um passo bem pequeno) para rastrear precisamente o MPP [2],[13].

Durante a primeira etapa, o algoritmo Beta rastreia uma variável intermediária em vez da potência, o que torna o processo muito mais rápido. Essa variável é obtida com base no modelo equivalente do módulo FV, resultando em [13]:

\beta = \text{ln}\left(\frac{I_{FV}}{V_{FV}}\right) - c\times V_{FV} (7)

onde c = q / (\eta \cdot K \cdot T \cdot N_s) é uma constante que depende da carga do elétron (q) dada em Coulombs, do fator de qualidade da junção p-n do módulo (\eta ), da constante de Boltzmann (K), da temperatura (T) em Kelvin e da quantidade de células fotovoltaicas conectadas em série (N_s).

A Figura 8 mostra o fluxograma referente ao método Beta. Quando o valor de \beta está dentro dos limites estipulados (\beta_{min} e \beta_{max}) significa que o sistema entrou em regime permanente, então o algoritmo é comutado para o método P&O a fim de alcançar o MPP com mais precisão. Caso contrário, o valor da razão cíclica é atualizado com base no erro (\beta_g - \beta), em que \beta_g = (\beta_{max} - \beta_{min})/2. Os valores de \beta_{min} e \beta_{max} são obtidos para condições extremas de temperatura e irradiância. Já o ganho N é definido segundo a curva que relaciona \beta com a razão cíclica [13].

Técnica de MPPT denominada Método Beta.

Figura 8. Fluxograma referente ao método Beta.

#7 Método Baseado na Temperatura

Para contornar os problemas relacionados ao método da Tensão Constante, alguns artigos propuseram medir a temperatura com o intuito de corrigir a referência de tensão em tempo real, surgindo assim as técnicas baseadas na temperatura [2], [3], [14], [15]. Dentre estas, aquela proposta em [15] é a mais difundida atualmente e se baseia na seguinte relação:

V_{MPP}(T) = V_{MPP}(T_{ref}) + u_V \times (T - T_{ref}) (8)

onde:

V_{MPP}(T) – é a tensão no ponto de máxima potência para as condições reais de temperatura. Esse valor é usado como referência para a malha de controle da Figura 3;

V_{MPP}(T_{ref})é a tensão no ponto de máxima potência para as condições padrão de teste (informação encontrada no manual do fabricante);

u_V – é o coeficiente de temperatura da tensão V/°C (encontrado no manual do fabricante);

T – é a temperatura mensurada em tempo real;

T_{ref} – é a temperatura de referência, tipicamente 25°C.

Assim, o resultado da expressão (7) pode ser usado como referência para a malha de controle da Figura 3. O controlador utilizado é normalmente do tipo Proporcional-Integral (PI), para garantir erro nulo em regime permanente, mas a sua escolha fica a critério do projetista. Em [15], por exemplo, os autores utilizaram apenas um ganho KP atuando sobre o erro, como podemos verificar na Figura 9.

Figura 9. Fluxograma referente à técnica de MPPT baseada na temperatura.

Em suma, o método baseado na temperatura mantém a simplicidade da técnica de Tensão Constante, ao mesmo tempo que corrige os inconvenientes relacionados às variações térmicas ao utilizar um sensor de temperatura na superfície do módulo fotovoltaico. Entretanto, o sensoriamento dessa grandeza em aplicações reais se torna um problema devido à distribuição irregular da temperatura em um arranjo com vários módulos FV, o que pode ser evitado quando o MPPT é aplicado módulo a módulo (e.g. microinversor ou otimizador fotovoltaico). Além do mais, caso o sensor esteja mal calibrado ou incorretamente fixado na superfície do módulo, o rastreamento do MPP não será eficaz [3].

Resumo das Técnicas de MPPT

Bom, para resumir esse conteúdo, a Tabela 1 traz alguns aspectos comparativos entre as técnicas de MPPT abordadas aqui.  Essa análise foi feita com base nos resultados obtidos em [3] e [16], mas existem outros parâmetros que podem ser usados para aperfeiçoar os critérios de comparação, tais como as medidas típicas de respostas dinâmicas, ondulação na tensão do módulo em regime permanente, precisão, velocidade de convergência, custo computacional, etc. Uma abordagem mais detalhada a este respeito pode ser vista nas referências em questão.

Tabela 1. Principais características das técnicas de MPPT [3], [16].

Método

Dependência do módulo FV

Fator de Rastreamento (Eficiência)

Dificuldade de Implementação

Sensores

Razão cíclica Fixa

Não

Baixo

Muito simples

Nenhum

CV

Sim

Razoável

Simples

Tensão

OC

Sim

Bom

Simples

Tensão

SC

Sim

Bom

Simples

Corrente

P&O

Não

Muito Bom

Simples

Tensão e Corrente

IC

Não

Muito Bom

Médio

Tensão e Corrente

Beta

Sim

Excelente

Médio

Tensão e Corrente

Temperatura

Sim

Excelente

Simples

Tensão e Temperatura

 

Antes de finalizar o artigo, deixo a seguir um vídeo demonstrando o funcionamento do método P&O na prática. Nesse teste, eu utilizei um emulador de módulos fotovoltaicos conectado a uma carga resistiva por meio de um conversor chaveado. Com o intuito de testar a técnica de MPPT frente a condições reais, programei um perfil de insolação diário entre os horários das 6 da manhã às 6 da tarde.

A curva em vermelho no vídeo representa a máxima potência disponível, enquanto a curva em verde representa a potência real extraída pelo conversor, em virtude da atuação do algoritmo de MPPT. Observe como o sistema foi capaz de rastrear corretamente a máxima potência, mesmo diante de variações na temperatura e na irradiância. O fator de rastreamento (eficiência) obtido nesse teste foi de 99,65%.

Não vou entrar em detalhes sobre a implementação desse sistema agora, mas prometo que irei abordar esse assunto em um artigo futuro. Caso não queira esperar, te indico ler o meu trabalho de conclusão de curso, disponível neste link.

Conclusão

Este artigo se propôs a apresentar as sete técnicas de MPPT mais conhecidas e utilizadas na literatura. Dentre elas, a técnica da Tensão Constante se destaca por ser a mais simples de implementar e a mais barata, já que emprega apenas um sensor de tensão. Contudo, esse método não busca efetivamente o ponto de máxima potência, mas sim o grampeamento da tensão de saída do módulo fotovoltaico nas proximidades desse ponto. O grande inconveniente dessa abordagem é que a tensão sofre uma grande influência das variações térmicas, o que acaba prejudicando o desempenho do método em questão.

Em contrapartida, o método Beta se apresenta como uma boa solução quando procuramos alto fator de rastreamento, baixa ondulação de tensão em regime permanente, bom desempenho transitório e complexidade média de implementação, conforme observado em [3]. No entanto, essa técnica depende de parâmetros específicos do módulo fotovoltaico.

As técnicas P&O e IC também merecem ser mencionadas como alternativas de alto desempenho, com a vantagem de não dependerem das características do módulo FV. Essas técnicas possuem fatores de rastreamento bem parecidos na maioria dos casos, entretanto o método IC tende a ser mais rápido e apresenta menores oscilações no MPP, ao mesmo tempo que exige um processamento computacional muito maior devido aos cálculos de divisão. Vale destacar que existem soluções adaptadas desses métodos com desempenhos ainda melhores.

Por fim, quando o objetivo é reduzir o custo, sem afetar o aproveitamento energético do sistema, o método baseado na temperatura é uma opção interessante. Para evitar o uso do sensor de temperatura, podemos optar pelo método OC que, apesar de ter uma eficiência menor, apresenta as mesmas características de baixo custo e simplicidade do método CV, com a vantagem de compensar as variações térmicas do módulo fotovoltaico.

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Referências

[1] M. A. G. de Brito. “Inversores Integrados Monofásicos e Trifásicos para Aplicações Fotovoltaicas: Técnicas para obtenção de MPPT, detecção e proteção de ilhamento, sincronização e paralelismo com a rede de distribuição de energia elétrica“. (Tese de Doutorado), Universidade Estadual Paulista – UNESP, Ilha Solteira, 2013.

[2] N. Karami, N. Moubayed, and R. Outbib. “General review and classification of different MPPT Techniques.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 68 (2017): 1-18.

[3] M. A. G. de Brito. et al. “Evaluation of the Main MPPT Techniques for Photovoltaic Applications” in IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 60, n. 3, p. 1156-1167, Mar. 2013.

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[5] R. F. Coelho. “Estudos dos Conversores Buck e Boost aplicados ao Rastreamento de Máxima Potência de Sistemas Solares Fotovoltaicos”. 2008, 198p. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2008.

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[14] M. Park and I.K. Yu, “A Study on Optimal Voltage for MPPT Obtained by Surface Temperature of Solar Cell,” in Proc. IECON, pp. 2040-2045, 2004.

[15] R. F. Coelho, F. M. Concer and D. C. Martins. “A MPPT approach based on temperature measurements applied in PV systems.” IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies (ICSET). IEEE, 2010.

[16] P. Joshi and S. Arora. “Maximum power point tracking methodologies for solar PV systems – A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 70, pp. 1154-1177, 2017.

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