Os 3 Tipos de Microinversores Fotovoltaicos

Os microinversores fotovoltaicos (FV) operam na faixa de 200 W a 500 W e possuem diversas vantagens em relação às outras topologias de inversores FV, como maior segurança na instalação, maior vida útil e garantia, custo de instalação flexível e rastreamento do ponto de máxima potência individual de cada módulo (o que aumenta a eficiência global do sistema) [1]-[9].

Além disso, podemos destacar a simplicidade e a flexibilidade da instalação uma vez que os microinversores operam com apenas um módulo fotovoltaico e não exigem cabos associados ao lado CC. Isso viabiliza a característica de modularidade e facilita a expansão do sistema. Contudo, existe um maior custo associado a esses dispositivos, em virtude do grande número de componentes eletrônicos.

No artigo de hoje, vamos entrar mais a fundo no mundo dos microinversores. Então, se você ficou curioso para saber mais sobre esse assunto, me acompanhe até o final. Bora lá!

Outros artigos sobre sistemas fotovoltaicos pra você ler aqui no blog:

• Célula Fotovoltaica: Tudo que você queria saber.
• Uma Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos.
• As 7 Principais Técnicas de MPPT.
• Microinversor Solar: Como funciona a Estratégia de Controle.

Classificação dos Microinversores FV

Pelo fato de os microinversores operarem com apenas um módulo fotovoltaico, eles devem proporcionar um ganho de tensão considerável, entre 10 e 20 vezes, além de realizar a conversão de corrente contínua para corrente alternada [5],[10]. Atualmente, isso pode ser feito por meio de uma das três topologias de microinversores, as quais são classificadas pela existência ou não de um barramento CC.

#1 Microinversor de duplo estágio

O barramento CC é o ponto de conexão comum entre dois ou mais estágios de conversão, que normalmente é feito através de um banco de capacitores. Então, a topologia mais intuitiva de se pensar para essa aplicação é a de dois estágios (ver Figura 1), onde o primeiro estágio, composto por um conversor CC-CC, tem o papel de elevar a tensão do módulo fotovoltaico para um nível acima do valor de pico da rede, enquanto o segundo estágio, composto por um conversor CC-CA, fica encarregado de converter a tensão contínua em uma tensão alternada.

Vantagens

A grande vantagem das topologias de dois estágios é a flexibilidade na escolha dos conversores e na estratégia de controle, já que os estágios funcionam de forma independente [7]. Com isso, podemos utilizar diferentes tipos de conversores CC-CC no primeiro estágio e diferentes tipos de inversores no segundo estágio. Um exemplo típico de microinversor de dois estágios considera um conversor boost interleaved isolado com dobrador de tensão no primeiro estágio, seguido por um inversor ponte completa. A ST Microelectronics^®, em seu application note número AN4070 [12], propõe usar o inversor com uma técnica de modulação mista, segundo o esquema da Figura 2-a. Nessa configuração, os interruptores S₃ e S₄ operam em alta frequência, enquanto os interruptores S₅ e S₆ operam na frequência da rede. A Figura 2-b mostra uma fotografia do microinversor implementado pela STMicroelectronics^®.

Outro ponto positivo das topologias de dois estágios é o fato de o capacitor de desacoplamento ser inserido no barramento CC, onde a tensão é mais elevada. Por isso, a capacitância resultante costuma ser bem menor do que nas outras topologias, já que seu valor é inversamente proporcional à tensão. Isso permite utilizar capacitores de filme em vez de capacitores eletrolíticos e, assim, aumentar a vida útil do equipamento [1]-[3].

Desvantagens

Em contrapartida, os microinversores de dois estágios utilizam mais componentes, o que pode comprometer a eficiência e a densidade de potência, além de aumentar o custo do conversor e a complexidade do hardware [2].

#2 Microinversores de estágio único

Se eliminarmos o barramento CC, juntando as duas estruturas em um único conversor, passamos para a topologia de estágio único (ver Figura 3). Nessa configuração, o microinversor deve ser capaz de amplificar a tensão do módulo FV e a converter em alternada utilizando uma única estrutura de potência.

Vantagens

A redução de um estágio de processamento diminui o número de componentes e, consequentemente, reduz o custo e a complexidade do conversor. Outra justificativa para a redução de um estágio está no aumento da eficiência.

Desvantagens

A principal desvantagem desses microinversores é fato de o capacitor de desacoplamento ser inserido em paralelo com o módulo FV, resultando em capacitâncias significativamente elevadas devido à baixa tensão do módulo. Por isso, torna-se necessário adotar capacitores eletrolíticos, o que diminui a vida útil do conversor e aumenta os custos com manutenção [1], [2]. Além disso, nem sempre a redução dos componentes leva ao aumento da eficiência, pois isso depende dos esforços de corrente e tensão sobre os semicondutores de potência. E, normalmente, as topologias de estágio único apresentam maiores esforços [13].

Apesar de os microinversores de estágio único não serem utilizados comercialmente, você pode encontrar uma revisão super detalhada das topologias propostas na literatura consultando a referência [3].

#3 Microinversores com pseudo barramento CC (unfolding voltage)

Por fim, temos a topologia com pseudo barramento CC. Conforme ilustrado na Figura 4, essa técnica consiste na geração de uma forma de onda senoidal retificada a partir do primeiro estágio e, subsequente, desdobramento da tensão por meio do segundo estágio [11]. Embora essa estrutura possua dois estágios de conversão, não há necessidade de valores muito elevados de capacitância entre eles, por isso é conhecida como pseudo barramento CC.

A estrutura mais comum de microinversor com pseudo barramento CC utiliza um conversor flyback interleaved no estágio primário, seguido por um inversor ponte completa, como ilustrado na Figura 5-a. Segundo [2], o modelo comercial M250 da empresa Enphase^®, destacado na Figura 5-b, utiliza exatamente essa estrutura.

Vantagens

Cabe ressaltar que as perdas por comutação nos microinversores com pseudo barramento CC são minimizadas em relação aos microinversores de dois estágios, uma vez que o inversor realiza apenas o desdobramento de tensão, em baixa frequência [11]. E isso possibilita a utilização de tiristores para reduzir a complexidade do sistema. O microinversor apresentado pela Texas Instruments^® em seu Application Report SPRABT0 é um exemplo disso [14]. A Figura 6 mostra o esquemático do estágio de potência.

Desvantagens

A desvantagem do microinversor com pseudo barramento CC convencional está na necessidade de capacitores de desacoplamento em paralelo com o módulo fotovoltaico, da mesma maneira que o conversor de estágio único prevê. Porém, dependendo da topologia adotada, é possível reduzir a ondulação de 120 Hz na entrada, sem a necessidade de etapas de potência adicionais, maximizando assim o seu rendimento, minimizando os valores destas capacitâncias e propiciando a longevidade do equipamento.

Isolação Galvânica em Microinversores FV

Um ponto a se adicionar é que cada uma das três topologias citadas pode ser isolada ou não-isolada. E essa isolação é feita em alta frequência para diminuir o volume do conversor. Inicialmente, o uso de isolação galvânica era obrigatório em diversos países por questão de segurança, mas hoje em dia apenas alguns países ainda exigem a isolação [5].

Acontece que o uso do transformador facilita a elevação da tensão através de sua relação de espiras e minimiza problemas relacionados à tensão de modo comum, por permitir o aterramento funcional do módulo fotovoltaico conectado ao equipamento [1], [3]. No entanto, os transformadores tendem a piorar o rendimento, reduzir a vida útil e aumentar o custo dos microinversores [1]. Por isso, a utilização de conversores não isolados tem se mostrado a solução mais adequada para a maioria dos sistemas fotovoltaicos [10], [15], [16]. Mas alguns cuidados adicionais com a proteção devem ser tomados, como veremos em um artigo futuro.

Conclusão

Este artigo trouxe uma breve revisão dos requisitos técnicos e das principais topologias de microinversores presentes no mercado hoje em dia. Como você pôde ver, a escolha da topologia não é uma tarefa simples. Atualmente, existem microinversores de ambos os tipos apresentando rendimentos muito próximos. Por exemplo, o microinversor da ABB^®, modelo MICRO 0.25, utiliza dois estágios e apresenta uma eficiência de pico de 96,5%. Já o microinversor M250 da empresa Enphase^® utiliza uma topologia baseada em pseudo barramento CC, mas apresenta uma eficiência similar. A diferença está no custo: enquanto o microinversor de dois estágios da ABB possui um custo em torno de $0,65/W, o da Enphase custa cerca de $0,55/W.

Se você tem interesse em aprender mais sobre microinversores, recomendo assistir ao vídeo lá do início. Nos próximos artigos irei abordar as estratégias de controle mais utilizadas, as técnicas de sincronismo com a rede elétrica, entre outros assuntos. Até lá!

Referências

[1] HASAN, R., et al. “Grid-connected isolated PV microinverters: A review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017.

[2] YUAN, J., et al. “An overview of photovoltaic microinverters: Topology, efficiency, and reliability.” IEEE 13th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering, 2019.

[3] ALLUHAYBI, K.; BATARSEH, I.; HU, H. “Comprehensive review and comparison of single-phase grid-tied photovoltaic microinverters.” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2019.

[4] ZEB, K., et al. “A comprehensive review on inverter topologies and control strategies for grid connected photovoltaic system.” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018.

[5] KNABBEN, G. C. “Microinversor Fotovoltaico não Isolado de Dois Estágios”. Dissertação de Mestrado – Universidade Federal de Santa Cataria, 2017.

[6] BRITO, M. A. G. “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, 2013.

[7] GALOTTO JUNIOR, L. “Inversores Integrados Monofásicos Aplicados em Sistemas Fotovoltaicos com Conexão à Rede de Distribuição de Energia Elétrica”. Tese de Doutorado – Universidade Estadual Paulista, 2011.

[8] MORAES, C. G. S. “Projeto e implementação de um microinversor grid-tied com Boost Quadrático para desacoplamento de potência e controle de MPPT.” Monografia – Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, 2017.

[9] MORAES, C. G. S., et al. “Microinversor grid-tied com boost quadratico para desacoplamento de potência usando controle digital embarcado.” XXII Congresso Brasileiro de Automática, 2018.

[10] SCHMITZ, L. “Conversores CC-CC não-isolados de alto ganho e de alto rendimento destinados a aplicações fotovoltaicas e baseados no conversor Boost com células de ganho”. Dissertação de Mestrado – Universidade Federal de Santa Catarina, 2015.

[11] – LI. Q; WOLFS, P. “A review of the single phase photovoltaic module integrated converter topologies with three different DC link configurations.” IEEE Transactions on power electronics, 2018.

[12] ATTANASIO, R. “250 W grid connected microinverter.” Application Note, STMicroelectronics^®, 2012.

[13] TRIPATHI, P. R., et al. “25 Years of Single-Stage Buck-Boost Inverters: Development and Challenges.” IEEE Industrial Electronics Magazine, 2021.

[14] TAO, J.; XUE, V. “Grid-Connected Micro Solar Inverter Implement Using a C2000 MCU.” Application Rerport, Texas Instrument^®, 2013.

[15] LI, W.; HE, X. “Review of Nonisolated High-Step-Up DC/DC Converters in Photovoltaic Grid Connected Applications”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011.

[16] ALVES, M. G.; BRITO, M. A. G.; CANESIN, C. A. “Análise de estruturas inversoras não isoladas monofásicas para geração distribuída fotovoltaica”. Revista Eletrônica de Potência (SOBRAEP), 2017.