Revista Eletrônica de Potência (Brazilian Journal of Power Electronics)

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

Resumo

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.

Title: Pso-based Mppt Technique Applied To A Grid-tied Pv System With Active Power Line Conditioning Using A Feed-forward Dc-bus Control Loop

Keywords: Active Power-Line Conditioning, Feed-Forward Control Loop, MPPT Techniques, Photovoltaic System, PSO

Abstract

This paper presents a double-stage conversion single-phase grid-tied photovoltaic (PV) system implementation, which is not affected to problems associated to mismatching phenomena, such as partial shading. Usually, conventional maximum power point tracking (MPPT) techniques, such as perturb & observe (P&O), do not track the global maximum power point (GMPP) when the PV array is operating under partial shading. As result, the overall PV system performance decreases. This paper uses particle swarm optimization (PSO) algorithm to track the GMPP, increasing the PV system performance. Simultaneously, the PV system is controlled to carry out the active conditioning, suppressing load harmonic currents and compensating reactive power. In addition, as main contribution of this paper, a feed-forward control loop is proposed to reduce sudden variations of the DC-bus voltage, in occurrence of solar radiation and/or temperature transients. Such variations can influence the performance of the PV system and can also cause damage in the switching devices. The static and dynamic PV system performances are evaluated by means of experimental results.

[1] 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, vol. 19, no. 1, pp. 81-89, Fev. 2014. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2014.1.081089.
[2] 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, vol. 12, no 2, pp. 129-136, Julho 2007. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2007.2.129136.
[3] 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, vol. 18, no 4, pp. 1149-1160, Novembro 2013. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2013.4.11491160.
[4] 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, vol. 20, no 3, pp. 254-262, Agosto 2015. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2015.3.2539.http://dx.doi.org/10.18618/REP.2015.3.2539
[5] 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, vol. 20, no 4, pp. 364-372, Novembro 2015. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2015.4.2553
[6] 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, vol. 20, no 2, pp. 151-159, Maio 2015. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2015.2.151159.
[7] 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, vol. 17, no 2, pp. 546-554, Março 2012. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2012.2.546554.
[8] 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, vol. 17, no 3, pp. 592-600, Agosto 2012. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2012.3.592600.
[9] R. F. Coelho, W. M. Santos, D. C. Martins, “Influence of Power Converters on PV Maximum Power Point Tracking Efficiency”, Eletrônica de Potência, vol. 19, no 1, pp. 73-80, Fevereiro 2014. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2014.1.073080.
[10] 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, vol. 20, no 4, pp. 383-394, Novembro 2015. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2015.4.2560
[11] 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. http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2005.850975
[12] 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. http://dx.doi.org/10.1049/iet-rpg.2009.0006
[13] 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. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.02.008
[14] 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. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2014.08.038
[15] 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. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2015.03.080
[16] 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. http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2012.2185713
[17] 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, Fevereiro 2015. http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2014.2336600
[18] 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. http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2015.2426652
[19] 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. http://dx.doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0406
[20] 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. http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2014.2312980
[21] 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, vol. 20, no 3, pp. 272-282, Agosto 2015. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2015.3.2542
[22] 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/Agosto 2005. http://dx.doi.org/10.1109/TIA.2005.851035
[23] 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, vol. 20, no 1, pp. 8-18, Fevereiro 2015. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2015.1.008018.
[24] 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, vol. 18, no 4, pp. 1206-1214, Novembro 2013. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2013.4.12061214.
[25] 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, vol. 18, no 4, pp. 1180-1187, Novembro 2014. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2013.4.11801187.
[26] 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, vol. 18, no 4, pp. 1257-1265, Setembro 2013. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2013.4.12571265.
[27] L. B. G. Campanhol, S. A. O. Silva, A. Goedtel, “Filtro Ativo de Potência Aplicado em Sistema Trifásicos a Quatro-Fios”, Eletrônica de Potência, vol. 18, no 1, pp. 782-792, Fevereiro 2013. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2013.1.782792.
[28] 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. http://dx.doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0789
[29] 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, vol. 19, no 4, pp. 377-385, Novembro 2014. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2014.4.377385.
[30] IEEE Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions, IEEE Std. 1459-2010, 2010. http://dx.doi.org/10.1109/IEEESTD.2010.5439063
[31] 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 on Industrial Electronics, vol. 62, no 2, pp. 1047-1058, Fevereiro 2015. http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2014.2336600
[32] M. M. Casaro, D. C. Martins, “Modelo de Arranjo Fotovoltaico Destinado a Análises em Eletrônica de Potência via Simulação”, Eletrônica de Potência, vol. 13, no 3, pp. 141-146, Agosto 2008. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2008.3.141146.
[33] S. Buso, P. Mattavelli, Digital Control in Power Electronics, Lincoln: Morgan & Claypool Publishers, USA, 2006. http://dx.doi.org/10.2200/S00047ED1V01Y200609PEL002
[34] 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. http://dx.doi.org/10.1109/28.924772
[35] 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, Setembro 2011. http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2011.2123921
[36] 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, vol. 18, no 1, pp. 907-915, Maio 2013. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2013.2.908916.
[37] 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. http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2009.2029589
[38] 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. http://dx.doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0728
[39] J. Kennedy, R. Eberhart, “Particle Swarm Optimization,” in Proc. IEEE International Conference on Neural Networks, pp. 1942-1948, 1995. http://dx.doi.org/10.1109/ICNN.1995.488968
[40] N. Nedjah, L. Mourelle, L, Swarm Intelligent Systems, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-540-33869-7
[41] 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. http://dx.doi.org/10.1016/j.cor.2004.08.012
[42] IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems, IEEE Std. 929-2000, 2000. http://dx.doi.org/10.1109/IEEESTD.2000.91304