Adequação dos perfis de carga e geração

5.4 TESTE EM UM CENÁRIO REAL

5.4.3 Adequação dos perfis de carga e geração

A fase A das medições anteriormente mostradas é tomada como referência para gerar um novo perfil de carga monofásico, adequado para testes que incluem o conversor multifuncional monofásico de baixa potência, comumente usado com painéis fotovoltaicos. Os dados de medição foram escalonados para ajustá-los a um cenário conveniente para mostrar diversos aspectos da operação multifuncional do CEP. As alterações consistem em modificar a potência demandada pela carga.

A Figura 5.17 mostra os perfis de potência ativa, reativa e residual (potência harmônica) obtidos a partir da rede original. Por conveniência, a escala de tempo foi reduzida, sendo que na figura, uma hora equivale a 100 ms. Nota-se que, neste novo perfil, a potência residual (void), a qual é relacionada à distorção, é apresentada no lugar da amplitude das harmônicas. Tal alteração é conveniente, pois relaciona os harmônicos a uma parcela de potência, a qual por ser compensada segundo a estratégia flexível apresentada anteriormente.

Nota-se um pico na potência aparente da carga no período da tarde, o qual é devido ao aumento da potência reativa demandada por motores usados em aparelhos de ar condicionado e refrigeradores. É importante ressaltar que este pico não é notado nas medições de potência reativa mostrada na Figura 5.15. Entretanto, sua inclusão no perfil de potência reativa exposto na Figura 5.17 tem por objetivo aumentar o esforço de compensação por parte do CEP, caracterizando um cenário extremo. Tal cenário é pertinente visto que, o comportamento dinâmico de cargas

conectadas a sistemas de distribuição em baixa tensão é volátil e de difícil previsão, pois, além de depender do perfil do consumidor, o consumo de energia depende da época do ano.

Um outro pico é notado no período entre as 18:00 e 21:00 quando o consumo de potência ativa aumenta, impulsionado principalmente por cargas resistivas como chuveiros e cargas não lineares, as quais estão presentes em microcomputadores, aparelhos de televisão, fornos microondas, etc.

Figura 5.17 - Perfil de carga e de geração de energia para a rede sob teste.

A Figura 5.17 também mostra o perfil de geração de potência do arranjo de células fotovoltaicas. Este perfil foi adaptado tomando como referência o comportamento do sistema fotovoltaico mostrado na Figura 5.16. No perído entre 10:00 e 14:00 ocorre um pico na geração, o qual é devido a alta irradiação. É interessante observar que o pico de geração de energia não coincide com o pico de potência aparente da carga. Assim, durante os picos da potência da carga,

20 40 60 80 100

Tempo (horas)

P

FLE

P

Q

D

a geração de energia fotovoltaica é reduzida ou mesmo anulada, de tal forma que a capacidade de potência disponível no conversor aumenta, sendo liberada para a execução de tarefas auxiliares como a compensação dos distúrbios causados pela carga.

A Tabela 5.2 mostra os parâmetros da carga variável e da fonte local de energia que dão origem ao perfil mostrada na Figura 5.17.

Tabela 5.2 -Parâmetros dos perfis de carga e geração

Parâmetro Valor

Tensão da rede ( ) 127 V / 60 Hz Pico de potência ativa da carga ( _r) 2 kW Pico de potência reativa da carga ( _r) 1,8 kVA Pico de potência de distorção da carga ( _r) 1,2 kVA Pico de potência gerada pela fonte de energia ( ) 1,8 kW

Capacidade de potência do CEP ( _{_²}) 2 kVA Corrente de pico suportada pelo CEP ( _{_@ ¸}) 22,5 A

5.4.4 Simulações

A flexibilidade de operação do conversor multifuncional pode ser demonstrada por meio de simulações, nas quais são empregados o perfil de carga, obtido com base em medições de um sistema real e adaptados conforme mostrado na Figura 5.17 e o perfil de geração de energia fotovoltaica, também obtido por meio de medições realizadas em um sistema real.

A simulação é realizada conforme o esquemático simplificado mostrado na Figura 5.18. A corrente de saída do CEP é dada por , enquanto representa a corrente que circula pela carga e a corrente que circula pela rede. Nas simulações são considerados dois casos. No primeiro, o conversor é limitado em potência, com o objetivo de não exceder sua capacidade nominal. No segundo caso simulado, a corrente do CEP é limitada, evitando que, tanto a capacidade de potên- cia quanto a capacidade de corrente do conversor sejam violadas.

Para facilitar a visualização e análise dos dados é usada uma escala de tempo em que 100 ms de simulação equivalem a 1 hora de operação do sistema. Logo, a cada 2,4 s de simulação tem- se um período equivalente de 1 dia.

Figura 5.18 - Sistema simulado considerando geração e cargas variáveis. A) Simulação do CEP com limitação de capacidade de potência

Esta simulação usa a estratégia de limitação da potência processada pelo CEP mostrada na Figura 5.3, a qual é aplicada ao sistema mostrado na Figura 5.17, cujos parâmetros são mostrados na Tabela 5.2.

A Figura 5.19 mostra a corrente instantânea ( ) e a potência aparente ( ) processada pelo CEP. Nota-se que, nas primeiras 24 horas ocorrem instantes em que a capacidade nominal do CEP é excedida, pois o algoritmo de limitação da capacidade de potência não é usado. Um pico de potência pelo CEP de 2,8 kVA ocorre às 15:00 h. Este pico se deve à alta potência ativa e reativa demandada pela carga e pela geração de energia fotovoltaica, que é máxima neste instante.

Figura 5.19 - Detalhe da potência aparente e da corrente na saída do CEP.

V

R

L

PAC

Carga

i

CEP

i

CEP

I

CC ACEP ACEP_N ICEP_MAX 28 A iF iF_p 10 20 30 40 Tempo (horas)

Após 24:00 horas, que representa o início do segundo dia, o algoritmo de limitação de capacidade é ligado. A Figura 5.19 mostra que, no intervalo entre 24:00 e 30:00 horas, isto é, durante a madrugada, a potência processada pelo CEP é baixa (aproximadamente 1,2 kVA), pois a gera- ção de energia fotovoltaica é nula. Durante este período o CEP compensa potência reativa e har- mônicas da carga. No período compreendido entre 34 e 40 horas (das 10 às 16 horas do segundo dia), a potência aparente do conversor é limitada ao seu valor nominal de 2 kVA. No entanto, a corrente ( ) sintetizada pelo CEP apresenta um pico de 28 A, mesmo quando a potência do CEP está dentro do valor nominal.

A Figura 5.20 ilustra o comportamento das potências ativa, reativa, residual (void) e apa- rente, tanto da carga quanto da rede e do CEP. Também é mostrado o fator de potência da carga ( ) e o fator de potência medido na rede ( ).

Figura 5.20 - Simulação do CEP multifuncional com limitação de potência com carga e geração variáveis.

Com Limitação de Capacidade

A

CEP

P

CEP

P

Q

CEP

Q

D

CEP

D

λ

Sem Limitação de Capacidade

A

10 20 30 40

Nota-se que no período que corresponde ao segundo dia (t > 24 horas), ocorre uma degra- dação do fator de potência medido na rede. Isto se deve à falta de capacidade do CEP para com- pensar totalmente os distúrbios de QEE gerados pela carga. Nota-se períodos (entre 34 e 40 horas) em que a potência reativa ( ) e residual ( ) pela rede aumentam, explicando o baixo fator de potência observado.

B) Simulação do CEP com limitação de corrente

Esta simulação faz uso dos parâmetros da carga mostrados na Tabela 5.2 e na Figura 5.17 e da estratégia de limitação de corrente sintetizada pelo CEP mostrada na Figura 5.9.

A Figura 5.21 mostra a operação do algoritmo de limitação da corrente do CEP. No primeiro ciclo (primeiras 24 horas) o CEP opera sem limitação de corrente. O pico de corrente atinge aproximadamente 40 A às 15:00. No segundo ciclo, que corresponde ao segundo dia de funciona- mento, o algoritmo de limitação da corrente é ligado. Então, durante o período compreendido entre 34 e 40 horas, o pico de corrente pelo CEP é limitado em _{_@ ¸} = 22,5 . Desta forma, a po- tência processada pelo CEP diminui para 1,85 kVA. Logo, o conversor opera dentro da capacidade de potência e do limite de corrente.

Figura 5.21 - Detalhe da corrente sintetizada pelo CEP antes e depois da aplicação da limitação da corrente.

I

CEP_MAX

i

F_p

i

F 10 20 30 40 Tempo (horas)

A

CEP

A

CEP_N

A Figura 5.22 ilustra as potências medidas na carga, na rede e no CEP, além do fator de potência da carga e da rede e da carga. Durante os períodos em que ocorre limitação da corrente no CEP (entre 34 e 40 horas), o fator de potência da rede diminui, pois a compensação de distúr- bios fica limitada à capacidade de corrente disponível.

Figura 5.22 - Potências do sistema antes de depois da aplicação da limitação de corrente do CEP.

Com Limitação de Corrente

A

CEP

P

CEP

P

Q

CEP

Q

D

CEP

D

λ

Sem Limitação de Capacidade

A

10 20 30 40

Nota-se que, às 16 horas do segundo dia (40 horas), devido à limitação da corrente, o fator de potência da rede se torna pior que o fator de potência da carga. Este fato pode ser explicado por meio da equação do fator de potência ( = | |/; ), a qual relaciona a potência ativa com a po- tência aparente, ambas medidas na rede. Devido aos distúrbios da carga serem apenas parcialmen- te compensados pelo CEP, grande parte da potência reativa e da potência residual é fornecida pela rede, de tal forma que a potência aparente pela rede aumenta significativamente. Por outro lado, a potência ativa pela rede pode ser menor que a potência ativa da carga, uma vez que a potência da fonte local que não é absorvida pela carga é injetada na rede ( = ? ).

No documento Multifuncionalidade de conversores eletrônicos de potência utilizados em microrredes inteligentes (páginas 119-126)