Desenvolvimento de um microinversor com armazenamento local de energia para aplicações solares fotovoltaicas

Abstract

Nos últimos séculos, tem-se assistido a uma crescente procura e exploração de combustíveis fósseis com o intuito de saciar as necessidades energéticas da sociedade. O aumento populacional aliado à revolução industrial, iniciada no princípio do século XIX, levou a uma frenética exploração das fontes de energia causando danos ambientais irreparáveis. Esta tendência necessita de ser controlada de modo a permitir um desenvolvimento sustentável. Como tal, é urgente encontrar um modo de contornar as desvantagens inerentes ao uso dos combustíveis fósseis, surgindo assim as energias renováveis, como é o caso da energia solar fotovoltaica. Contudo, de forma a possibilitar a integração de fontes de energia renovável na rede elétrica, existe uma necessidade de mudar o paradigma energético, tornando-se evidente o papel crucial que as tecnologias de armazenamento de energia irão desempenhar. Desta forma, no presente documento de dissertação é descrito o Desenvolvimento de um Microinversor com Armazenamento Local de Energia para Aplicações Solares Fotovoltaicas, bem como todas as etapas inerentes à conceção deste projeto. Um microinversor é um dispositivo de eletrónica de potência que permite a interface de uma fonte de energia renovável, e.g., módulo solar fotovoltaico, com a rede elétrica, tendo como principal característica a possibilidade de extrair, de uma forma independente, a máxima potência disponível em cada módulo. Para a conceção do microinversor, é apresentada uma topologia inovadora para o conversor CC-CC que permite a interface de um módulo fotovoltaico com um banco de baterias e com o barramento CC, com apenas dois MOSFETs. No sistema de controlo do conversor CC-CC, encontra-se incluído um algoritmo de MPPT, que fará com que a sua operação se dê sempre no ponto de máxima potência do módulo, e um algoritmo responsável pelo carregamento adequado das baterias. Por sua vez, este é seguido de um conversor CC-CA, que tem como finalidade a sintetização de uma corrente sinusoidal para injetar a energia produzida na rede elétrica. Para a realização deste projeto de dissertação foi necessário o estudo, dimensionamento e implementação de todo o hardware que constitui o microinversor apresentado, desde os circuitos de condicionamento de sinal dos diversos sensores utilizados, passando pelos circuitos lógicos do sistema digital de controlo, até aos circuitos de potência, incluindo os elementos magnéticos alta-frequência. De igual modo, foi realizado um estudo e consequente desenvolvimento de todos os algoritmos de controlo necessários para a implementação deste projeto.

In the past few centuries, it has been seen a huge fossil fuels exploration aiming to satisfy society’s energetic needs. The population growth combined with industrial revolution, started in the beginning of the XIX century, led to a frenetic exploitation of energy sources causing irreparable environmental damage. This trend needs to be controlled in order to generate sustainable development. Therefore, it’s urgent to find a way to avoid the inherent disadvantages of fossil fuels. For that, renewable energy sources, like solar photovoltaic energy, appear as valid solution. However, in order to enable the integration of renewable energy sources into the grid, it is required to change the energy paradigm, which will evidence the crucial role that energy storage technologies will play. Thus, in the present master dissertation document is described the development of a micro-inverter with local energy storage for solar photovoltaic applications, as well as all the intrinsic stages to this project’s conception. A micro-inverter is a power electronics device which allows a renewable energy source interface, e.g., photovoltaic panel, with the power grid. The main feature of this device is the capability to extract, in an independent way, the maximum power available of each solar photovoltaic module. For the micro-inverter’s assembly, an innovative topology for the DC-DC converter is presented. This provides an interface of a photovoltaic module with a battery bank and the DC bus, with only two MOSFETs. A MPPT algorithm is included in the DC-DC converter, which will make it operate in the module’s maximum power point the entire time, and a battery charging algorithm. This converter is followed by a DC-AC converter, whose purpose is to synthesize a sinusoidal current and inject the produced energy in the power grid. In order to carry out this dissertation project, it was necessary to study, design and implement all the presented topology’s hardware, passing through the logic circuits of signal conditioning, to the power hardware, that include the magnetic circuits of high frequency. Likewise, a study of the control algorithms necessary for the integration of this project was carried out.