Como Funciona o MPPT: Algoritmos e Comparação com PWM

O MPPT (Maximum Power Point Tracking) é o cérebro eletrónico dentro de quase todos os inversores solares e controladores de carga modernos. A sua função é manter os painéis a funcionar exatamente na tensão e corrente em que produzem mais potência — o ponto de máxima potência (MPP) — independentemente das variações do sol e da temperatura. Um bom MPPT extrai 10–30% mais energia do que os controladores PWM mais simples que veio substituir, e a diferença aumenta com o frio.

Cada painel solar tem uma curva corrente–tensão (I–V). Sem carga, o painel fica na sua tensão de circuito aberto (Voc) com corrente nula; em curto-circuito, debita a sua corrente de curto-circuito (Isc) a zero volts. A potência é a tensão a multiplicar pela corrente, por isso é nula nos dois extremos e atinge o máximo num ponto intermédio — o joelho da curva. Esse joelho é o MPP, definido por Vmpp e Impp. Em painéis modernos de elevado fator de forma, Vmpp situa-se em cerca de 0,80–0,85 da Voc e Impp em cerca de 0,90–0,95 da Isc — um LONGi LR5-72HBD-555M real, por exemplo, fica em 0,84·Voc e 0,94·Isc.

O problema: o MPP nunca está parado. Mais luz solar aumenta a corrente e empurra toda a curva para cima; uma temperatura mais alta puxa a tensão para baixo. Numa manhã fria e luminosa a Vmpp é alta; numa tarde quente desce. O ponto desloca-se ao longo do dia, por isso o controlador tem de o perseguir continuamente — essa perseguição é o que significa «seguimento» (tracking).

Um MPPT não é magia — é um conversor DC-DC de comutação de alta frequência situado entre os painéis e a carga (uma bateria ou o barramento DC interno do inversor). Ao ligar e desligar um transístor dezenas de milhares de vezes por segundo e suavizando o resultado com uma bobina e um condensador, consegue apresentar ao painel praticamente qualquer «carga efetiva» que pretenda. Mude essa carga efetiva e o ponto de funcionamento do painel desliza ao longo da sua curva I–V. O controlador simplesmente o desliza até ao MPP e mantém-no ali.

A fração de cada ciclo de comutação em que o transístor permanece ligado é o ciclo de trabalho, D. Num conversor abaixador (buck) a tensão de saída é D vezes a entrada; num conversor elevador (boost) é a entrada dividida por (1 − D). A maioria dos controladores de carga solares são conversores abaixadores (buck), porque a tensão do painel ou da string é superior à tensão da bateria — trocam esse excedente de tensão por corrente de carga adicional. A potência de entrada é igual à de saída menos uma pequena perda: bons conversores funcionam com 96–99% de eficiência.

Encontrar o MPP é uma malha de realimentação. O controlador mede a tensão e a corrente do painel, multiplica-as para obter a potência, ajusta um pouco o ciclo de trabalho e mede de novo. Se a potência subiu, continua a mover-se no mesmo sentido; se a potência desceu, inverte. Repita milhares de vezes por segundo e o ponto de funcionamento sobe até ao topo da curva de potência e ali permanece — tal como subir uma encosta às apalpadelas no nevoeiro, dando sempre o passo em direção ao terreno mais alto.

Como está sempre a ajustar, um seguidor real nunca fica perfeitamente parado: oscila em passos minúsculos à volta do pico, abdicando de uma fração de por cento de energia em troca de saber sempre qual é o sentido ascendente. Quando passa uma nuvem ou os painéis aquecem, o pico move-se e a malha simplesmente caminha até ao novo pico. Como decide em que sentido avançar — e a que velocidade — é a tarefa do algoritmo de seguimento, e é aí que os controladores diferem.

Dois valores definem os limites do seguidor. A tensão de arranque é a tensão do painel de que o conversor necessita antes de poder começar; abaixo dela o controlador está adormecido e não produz nada. A janela de tensão MPPT (um mínimo e um máximo) é a gama dentro da qual consegue efetivamente manter o ponto. Caia abaixo do mínimo e perde o seguimento; suba acima do máximo e fica limitado ao topo da janela — ou, além da tensão DC máxima absoluta, arrisca-se a danos. Manter o seu painel dentro dessa janela é o cerne do dimensionamento de strings.

Perturbar e Observar é o motor de trabalho do mundo solar — o algoritmo na grande maioria dos inversores de string e controladores de carga. É a malha de «subir a encosta no nevoeiro» tornada literal: perturba a tensão num pequeno passo, observa se a potência subiu ou desceu, e escolhe o passo seguinte a partir do sinal da variação. Sem dados do painel, sem calibração, sem modelo — simplesmente funciona em qualquer painel.

As suas fraquezas são o preço dessa simplicidade. À volta do pico oscila num passo para sempre, por isso os projetistas trocam a exatidão em regime permanente (passos pequenos) pela velocidade de seguimento (passos grandes). E durante mudanças rápidas de luz — sol a cintilar através de nuvens em movimento — a potência pode subir entre dois passos porque a irradiância aumentou, e não porque o passo estava certo, fazendo o seguidor caminhar brevemente no sentido errado. As versões com passo variável reduzem ambos os problemas e são comuns hoje em dia.

A condutância incremental (Incremental Conductance) é o primo mais inteligente do P&O. Em vez de apenas observar se a potência subiu ou desceu, usa um facto do cálculo: no topo exato da curva de potência o declive dP/dV é exatamente zero. Desenvolvendo isso — porque a potência é a tensão a multiplicar pela corrente — obtém-se um teste simples que o controlador pode avaliar diretamente a partir dos seus sensores de tensão e corrente: a condutância incremental dI/dV é igual ao simétrico da condutância instantânea, −I/V.

Esse teste diz ao controlador não só que está fora do pico, mas de que lado se encontra: à esquerda do MPP dI/dV é maior do que −I/V, à direita é menor, e quando os dois são iguais chegou ao destino e pode parar de avançar. A recompensa é menos oscilação em regime permanente e um comportamento bastante melhor quando a irradiância muda depressa — ao custo de mais cálculo e de uma medição de corrente mais exata. Muitos inversores premium usam-na, ou um híbrido dela com o P&O.

Nem todos os controladores sobem a encosta. O método mais barato é a tensão constante (tensão constante / fração de Voc): desliga brevemente o painel para ler a Voc e depois mantém a tensão de funcionamento numa fração fixa dela — cerca de 0,76·Voc, a razão Vmpp/Voc típica. Mal chega a ser um seguidor (ignora a deriva do pico real), mas é praticamente gratuito e aparece em controladores minúsculos e eletrónica de baixa potência. Um método espelhado mais raro, a fração de Isc, fixa a corrente de funcionamento em cerca de 0,9·Isc e precisa de uma forma de curto-circuitar momentaneamente o painel.

O caso especial importante é o sombreamento parcial. Quando parte de uma string está sombreada, os díodos de bypass integrados nos painéis entram em ação e a curva de potência ganha vários picos — múltiplos picos locais em vez de um. Um seguidor simples de Perturbar e Observar ou de condutância incremental pode ficar preso num pico local e falhar outro mais alto noutro ponto da curva, perdendo discretamente uma parte da energia.

Para lidar com isso, os inversores de string modernos acrescentam um varrimento global (também chamado varredura ou «análise de sombra»): de poucos em poucos minutos o inversor varre a tensão de funcionamento por toda a gama, regista o verdadeiro pico global e salta para ele — depois devolve o controlo à rápida malha P&O/IncCond para o seguimento fino. Custa alguns segundos de produção subótima durante o varrimento, mas recupera muito mais sob sombra dispersa. A outra resposta ao sombreamento é o hardware: mais entradas MPPT, ou eletrónica ao nível do módulo, como otimizadores e microinversores.

Eis como se comparam as quatro famílias. Para a maioria dos sistemas de telhado nunca escolherá o algoritmo diretamente — está embutido no firmware do inversor — mas conhecer os compromissos diz-lhe o que procurar numa ficha técnica (as palavras a pesquisar são «MPPT global» ou «análise de sombra») e porque é que dois inversores com a mesma potência nominal podem colher de forma diferente.

Um controlador de carga PWM (Pulse-Width Modulation) é o desenho antigo e simples: essencialmente um interruptor rápido que liga o painel diretamente à bateria e pulsa ligando e desligando para regular a carga. Como o painel está ligado diretamente à bateria, é forçado a funcionar aproximadamente à tensão da bateria — e não à sua própria Vmpp. Parece pouco, mas na curva I–V a tensão da bateria fica normalmente bem à esquerda do joelho, na zona plana onde o painel ainda debita quase toda a corrente, mas a uma tensão muito mais baixa. A potência é a tensão a multiplicar pela corrente, por isso a tensão perdida são watts perdidos.

Um controlador de carga MPPT faz o que o seu nome diz: faz o painel funcionar à Vmpp e usa o seu conversor DC-DC para baixar essa tensão mais alta até à tensão da bateria, transformando os volts excedentes em amperes de carga adicionais. Na prática, isso representa tipicamente 10–30% mais energia colhida, e a diferença é maior exatamente quando mais ajuda: no frio (a Vmpp sobe enquanto a tensão da bateria não) e quando a Vmpp do painel está bem acima da tensão da bateria.

A outra metade da história é a flexibilidade de tensão. Um controlador PWM precisa que a tensão nominal do painel coincida com o banco de baterias — um painel «12 V» para uma bateria de 12 V — porque não consegue converter. Um controlador MPPT contenta-se com uma tensão de painel ou de string bem acima da bateria, o que lhe permite ligar painéis em série, trabalhar com tensão mais alta e corrente mais baixa, e usar cabo mais fino e barato em percursos longos. Só isso justifica muitas vezes o MPPT em sistemas maiores, independentemente do ganho de colheita.

Eis a questão que confunde as pessoas: ligar os painéis em série ou em paralelo faz o MPPT colher mais energia? Com um seguidor ideal e luz uniforme, a resposta honesta é não — os mesmos painéis entregam a mesma potência de qualquer forma, porque o MPPT encontra o pico independentemente de como chegou a essa tensão e corrente. As verdadeiras diferenças de rendimento vêm de três aspetos práticos: manter-se dentro da janela de tensão MPPT, as perdas na cablagem, e o comportamento da cablagem sob sombra.

Ligar em série soma as tensões enquanto a corrente se mantém igual à de um único painel. A tensão alta mantém a string confortavelmente dentro da janela MPPT, e atinge mais cedo de manhã a tensão de arranque e a tensão mínima do controlador, por isso o sistema acorda mais cedo e adormece mais tarde. A corrente mais baixa também significa menos perda resistiva no cabo, e fio mais fino. O risco está no extremo do frio: na manhã mais fria a Voc da string pode subir além do máximo do MPPT — ou além da tensão DC máxima absoluta do inversor, o que é uma falha grave, e não apenas energia perdida.

Ligar em paralelo soma as correntes enquanto a tensão se mantém igual à de um único painel. A tensão baixa pode ser um problema: com luz fraca de manhã ou muito nublada pode descer abaixo do mínimo do MPPT, e o controlador perde o seguimento até a luz melhorar. A corrente alta significa cabo mais grosso e um fusível em cada string paralela. A vantagem é a tolerância à sombra — uma sombra num painel só prejudica a sua própria string, e não todo o painel — e o paralelo é a escolha natural para sistemas de bateria de baixa tensão, onde um controlador PWM baixa de qualquer forma a tensão do painel.

Lado a lado, eis como os dois estilos de ligação afetam a produção real num MPPT:

É exatamente para isto que serve uma verificação de dimensionamento de string. Faça as contas nos seus extremos de temperatura: a Vmpp da string no dia mais quente tem de se manter acima do mínimo do MPPT (desça abaixo e os painéis saem da janela de seguimento); a sua Voc no dia mais frio tem de se manter abaixo do máximo do MPPT e da tensão DC máxima absoluta do inversor; e a corrente total — Isc multiplicada pelo número de strings paralelas — tem de se manter abaixo do limite de corrente da entrada. A nossa calculadora verifica tudo isto para modelos reais de painel e inversor, para que não tenha de fazer as contas de temperatura à mão.

Quase nunca escolherá você mesmo um algoritmo MPPT — mas controla, sim, se o seguidor consegue cumprir a sua função. Cinco regras cobrem a maior parte:

1. Mantenha a string dentro da janela MPPT

   Dimensione as strings para que a Vmpp no dia mais quente se mantenha acima do mínimo do MPPT e a Voc no dia mais frio se mantenha abaixo do máximo do MPPT. Fora dessa janela o seguidor não consegue manter o pico.

2. Nunca exceda a tensão DC máxima absoluta

   A Voc das manhãs frias é o perigo. Acima da tensão DC máxima do inversor arrisca-se a danos, e não apenas a energia perdida — este é o único limite rígido que tem de respeitar.

3. Prefira a série para MPPT de alta tensão

   Nos sistemas ligados à rede, strings em série mais longas mantêm a tensão alta, acordam o inversor mais cedo e reduzem as perdas no cabo. Guarde o paralelo para configurações de bateria de baixa tensão.

4. Respeite o limite de corrente por entrada

   Cada entrada MPPT tem o seu próprio limite de corrente. As strings paralelas somam-se — a Isc total tem de se manter abaixo desse limite, verificada num dia quente, quando a corrente é mais alta.

5. Planeie para a sombra

   Se a sombra atravessar o painel, escolha um inversor com varrimento global e coloque os painéis sombreados na sua própria entrada MPPT, para que uma sombra não prejudique tudo.