TEKNISKE, METEOROLOGISKE OG ANDRE UNDERSØKELSER KNYTTET TIL RUTE WF 933 MELLOM BERLEVÅG OG MEHAMN,
11. MEDISINSKE/HELSEMESSIGE FORHOLD
11.6 Kommisjonens undersøkelser .1 Innledning.1Innledning
A simulação do conversor CA-CC bidirecional foi efetuada em duas partes. Na primeira foi simulado o comportamento do sistema em modo retificador, e de seguida foi simulado o comportamento do sistema em modo inversor.
Na Figura 4.21 encontram-se as formas de onda típicas para o conversor CA-CC em modo retificador. Observando o gráfico da potência instantânea, é fácil perceber que o condensador do barramento CC armazena energia quando a potência instantânea (pCA ) é superior ao valor médio
dessa potência (P ), e liberta-a quando é inferior.
A equação (4.2) dá o valor da potência instantânea do conversor CA-CC,
𝑝𝐶𝐴 = 1
2 𝑉𝐶𝐴 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝐼𝐶𝐴 𝑝𝑖𝑐𝑜 [1 − 𝑐𝑜𝑠(2𝜔𝑡)] (4.2)
Como o condensador apenas precisa de armazenar a energia durante 1/4 da frequência da rede, a potência nesse intervalo de tempo é dada por [110],
𝑝𝐶𝐴 = 𝑇∆𝐸 8
⁄ = 4 𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒 𝐶 (𝑉𝐶𝐶
2− (𝑉
𝐶𝐶 − ∆𝑉𝐶𝐶)2) (4.3)
Para o dimensionamento do condensador do barramento CC utiliza-se a equação (4.3), obtendo-se,
𝐶 = 𝑃
4 𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒(𝑉𝐶𝐶2− (𝑉𝐶𝐶− ∆𝑉𝐶𝐶)2) (4.4)
Em que,
P é a potência nominal do conversor [W]; frede é a frequência da rede elétrica [Hz];
VCC é a tensão nominal no barramento CC [V];
∆VCC é o ripple pretendido da tensão no barramento CC [V].
Figura 4.21 - Tensão (vCA ) e corrente (iCA ) na rede, potência instantânea na rede (pCA ) e valor médio da potência
(P), valor médio da tensão no barramento CC (VCC ) e ripple da tensão no barramento CC (∆vCC ).
Tal como já foi referido a potência nominal do conversor é de 3,7 kW, a tensão nominal no barramento é de 400 V e pretende-se um ripple de 5 V, logo o valor da capacidade necessária é,
𝐶 = 3700
4 × 50 × (4002− (400 − 5)2) = 4,654 𝑚𝐹
O valor de capacidade mínimo é de 4,654 mF, na prática foi utilizado um condensador de 5 mF.
O valor escolhido para a indutância utilizada prende-se com os valores disponíveis no laboratório. Energia armazenada no condensador Energia fornecida pelo condensador vCA iCA P VCC ∆vCC pCA
Conversor CA-CC em Modo Retificador. 4.6.1.
Na Figura 4.22 encontra-se a implementação em PSIM do conversor CA-CC em modo retificador. O conversor foi dimensionado para uma potência de 3,7 kW, pelo que foi utilizada uma resistência de carga de 43 Ω.
Pretende-se que a corrente consumida pelo conversor, ou seja a corrente que passa na bobina (iL ) seja sinusoidal e em fase com a corrente, e que a tensão no barramento CC (vCC )
seja sempre de 400 V contínuos.
Figura 4.22 – Implementação em PSIM do conversor CA-CC em modo retificador.
Na Figura 4.23 encontra-se as formas de onda em regime permanente da tensão da rede (vi ) a corrente da rede (iL) e a corrente de referência na indutância (iL_ref ). Como é fácil de
observar, a corrente de entrada do conversor encontra-se em fase com a tensão da rede. O SIMVIEW, a ferramenta de visualização de gráficos do PSIM, indica que entre vi e iL o
cos φ = 0,9946 e que iL tem uma distorção harmónica THD = 0,903 %. O valor eficaz IL é de
16 A, pelo que a potência consumida pelo conversor é de 3,7 kW.
Na Figura 4.24 encontram-se as formas de onda da tensão no barramento CC (vCC ) e da
corrente consumida pela resistência de carga (icarga ). Quando a simulação é iniciada, o
barramento CC encontra-se pré-carregado com 400 V. Observa-se que a tensão do barramento em regime permanente é aproximadamente 400 V com um ripple de pico-a-pico de 6 V, enquanto a corrente de saída é aproximadamente 9,3 A com um ripple de pico-a-pico de 0,15 A. Como é fácil de constatar a potência fornecida à carga é de aproximadamente 3,7 kW.
Figura 4.23 – Tensão da rede (vi ), corrente na bobina (iL ) e corrente de referência na bobina (iL_ref ) no modo
retificador.
Figura 4.24 – Tensão no barramento CC (vCC ) e corrente de saída do conversor (icarga ) no modo retificador.
Conversor CA-CC em Modo VSI 4.6.2.
Na Figura 4.25 encontra-se a implementação em PSIM do conversor CA-CC em modo VSI, a fonte de tensão contínua representa o barramento CC com 400 V. Neste modo de funcionamento pretende-se que a corrente iL seja sinusoidal com valor eficaz de 16 A e que
esteja desfasada 180º da tensão vi , o valor de Rcarga é de 14,37 Ω
Na Figura 4.26 encontra-se as formas de onda em regime permanente da tensão de saída (vi ) a corrente na bobina (iL ) e a corrente de referência na bobina (iL_ref ). Observa-se que iL segue
iL_ref e que se encontra desfasada 180º em relação a vi. O valor eficaz da corrente iL é de
aproximadamente 16 A pelo que está a ser fornecida à carga uma potência de 3,7 kW. Utilizando a ferramenta do SIMVIEW, verifica-se que a THD de iL é de 0,227 %.
0 -10 -20 -30 10 20 30 IL_ref IL 0.94 0.96 0.98 1 Time (s) 0 -200 -400 200 400 Vi Tempo [s] 0,94 0,96 0,98 1
IL_ref [A] IL [A]
Vi [V] 390 395 400 405 410 Vcc 0 0.5 1 1.5 2 Time (s) 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 Icarga Tempo [s] 0 0,5 1 1,5 2 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 390 395 400 405 410 Icarga [A] Vcc [V]
Figura 4.25 – Implementação em PSIM do conversor CA-CC em modo VSI.
Figura 4.26 – Tensão de saída do conversor (vi ), corrente na bobina (iL ) e corrente de referência na bobina (iL_ref )
em modo VSI.
4.7. Simulação do Conversor CC-CC Bidirecional (MPPT)
Tal como já foi dito, o conversor CA-CC bidirecional é responsável por efetuar o carregamento das baterias e a devolução de parte da energia armazenada. A simulação destes dois modos de operação é efetuada separadamente, pois existem algumas diferenças nos circuitos necessários para cada caso. Os valores de 1 mH para a indutância L2 e de 600 µF para
o condensador C2 foram os escolhidos visando um ripple de tensão e de corrente reduzidos.
Carregamento das Baterias 4.7.1.
Na Figura 4.27 encontra-se a implementação efetuada em ambiente de simulação PSIM do
conversor CC-CC bidirecional quando funciona em modo buck. A fonte de tensão VCC de 400 V
simula o conversor CA-CC.
0 -10 -20 -30 10 20 30 IL_ref IL 0.2 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 Time (s) 0 -200 -400 200 400 Vi Tempo [s] 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26
IL_ref [A] IL [A]
Como já foi referido, quando o conversor funciona em modo buck o sistema de controlo tem de ser capaz de fornecer às baterias uma corrente constante ou uma tensão constante, consoante o estágio de carga em que esta se encontre.
Na Figura 4.28 encontram-se os resultados da simulação do circuito da Figura 4.27 com controlo de corrente constante. Para esta simulação, a tensão inicial das baterias é de 200 V e a referência da corrente é de 15 A. Observando os gráficos verifica-se que a corrente fornecida às baterias (ibat ) segue a referência (Iref ) e que como era de esperar a evolução da tensão aos
terminais das baterias (vbat ) é proporcional à corrente.
Figura 4.27 – Implementação do conversor CC-CC bidirecional em modo buck.
Figura 4.28 – Resposta do conversor CC-CC bidirecional ao controlo de corrente constante. Em cima a corrente de referência (Iref ) e a corrente das baterias (Ibat ); em baixo a tensão aos terminais das baterias (vbat ).
O circuito equivalente da bateria apresentado na Figura 4.19 não permite simular o estágio
14 14.5 15 15.5 16
Ibat [A] Iref [A]
1 2 3 4 5 Time (s) 180 200 220 240 260 280 300 Vbat [V] Tempo [s] 0 1 2 3 4 5 15,5 14,5
de tensão constante das baterias. Com o fim de validar o controlo de tensão constante utilizado, as baterias são substituídas por um elemento não linear em que a corrente é dependente da tensão e do tempo, tal como é mostrado na Figura 4.29. Uma equação do tipo i(t) = I e-t foi
utilizada para descrever a evolução da corrente na carga. Em que I representa a corrente inicial, que nesta simulação foi de 10 A.
Figura 4.29 – Circuito de potência utilizado para simular o estágio de tensão constante.
Na Figura 4.30 encontram-se os resultados da simulação, é possível observar que a tensão nas baterias (vbat ) se mantem constante e segue a referência. Também se observa que a
corrente das baterias (ibat ) vai diminuindo ao longo do tempo, tal como era esperado.
Figura 4.30 – Resposta do conversor CC-CC bidirecional ao controlo de tensão constante. Em cima a corrente das baterias (Ibat ); em baixo a tensão aos terminais das baterias (Vbat ) e a tensão de referência (Vref ).
Devolução da Energia Armazenada nas Baterias 4.7.2.
Na Figura 4.31 encontra-se a implementação em PSIM do circuito necessário à simulação da devolução de parte da energia armazenada nas baterias. Tal como no conversor CA-CC em modo retificador, utiliza-se uma resistência de 43 Ω para que o conversor forneça 3,7 kW de potência em paralelo com o condensador do barramento CC. Ao operar em modo boost, o
0 -50 50 100 150 200 250 300 Vbat Vref 0 1 2 3 4 5 Time (s) 0 2 4 6 8 10 Ibat Tempo [s] 0 1 2 3 4 5 Vbat [V] Vref [V] Ibat [A]
conversor deve ser capaz de manter a tensão do barramento CC constantemente a 400 V, independentemente da tensão da bateria. Os resultados da simulação encontram-se na Figura 4.32.
Figura 4.31 – Implementação do conversor CC-CC bidirecional em modo boost.
Figura 4.32 – Resposta do conversor CC-CC bidirecional em modo boost, corrente nas baterias (ibat ), tensão nas
baterias (vbat ) e tensão no barramento CC (vCC).
Constata-se facilmente que apesar da tensão nas baterias diminuir ao longo do tempo, a tensão no barramento CC em regime permanente mantem-se constante. Para tal, a corrente fornecida pelas baterias aumenta ligeiramente de forma a compensar a menor tensão.
4.8. Simulação do Conversor CC-CC Unidirecional (MPPT)
Na Figura 4.33 encontra-se a implementação do seguidor de máxima potência no ambiente
Tempo [s] 0 1 2 -18 -16 -14 -12 -10 Ibat [A] 255 260 265 270 275 280 285 Vbat [V] 0.5 1 1.5 2 Time (s) 396 398 400 402 404 Vdc [V] 4 3 Vcc [V]
de simulação PSIM. O módulo fotovoltaico, como já foi referido, representa o módulo equivalente dos 10 módulos. Inicialmente procedeu-se à simulação do sistema com condições de irradiância e temperatura constantes. Na Figura 4.34 encontram-se os resultados desta simulação onde se pode observar a máxima potência que o módulo pode produzir e a evolução da tensão (vpf ) e
corrente (ipf ) do módulo fotovoltaico, da potência extraída ao módulo e da tensão no barramento
CC (vCC).
Figura 4.33 – Implementação do seguidor de máxima potência.
Figura 4.34 – Simulação do conversor com a potência máxima do módulo constante: tensão (vpf ) e corrente (ipf ) aos
terminais do módulo fotovoltaico equivalente, potência máxima teórica, potência extraída e tensão no barramento CC (vCC).
Posteriormente procedeu-se à simulação com condições variáveis de irradiância. Face a estas variações, a potência máxima que poderia ser extraída dos painéis varia entre 2 470 W e 1 760 W. Os resultados desta simulação são apresentados na Figura 4.35, onde se observa que o sistema de controlo reage muito rapidamente às mudanças, extraindo sempre a máxima potência possível. 0 200 400 Vpv 0 1000 2000 3000
Potência extraída Potência máxima
6 8 10 Ipv 0.5 1 1.5 2 Time (s) 0 100 200 300 400 Vcc Tempo [s] 0 0,5 1 1,5 1 Vpf [V]
Potência extraída [W] Potência máxima [W]
Ipf [A]
Capítulo 4 – Simulação do Sistema de Carregamento de Baterias
Há que ter em atenção que na realidade as mudanças na irradiância não são tão bruscas como as utilizadas na simulação, mas foi efetuada a simulação desta maneira para que se pudesse ter uma melhor noção do tempo de resposta do controlador.
Figura 4.35 – Simulação do conversor com a potência do módulo variável: tensão (vpf ) e corrente (ipf ) aos terminais
do módulo fotovoltaico equivalente, potência máxima teórica, potência extraída e tensão no barramento CC (vCC ).