CEP operando simultaneamente como FAP e IEP

O efeito da escolha da SCR ou SCS para geração da referência de forma de onda para a corrente da rede, considerando o CEP como um dispositivo multifuncional, isto é, operando como FAP e IEP simultaneamente, é mostrado na Figura 3.4. Neste caso, o CEP compensa todos os dis- túrbios causados pela carga. A potência gerada pela fonte local é maior que a potência ativa de- mandada pela carga e o excedente de potência ativa é injetado na rede.

SCR ( ∗ = e _>∗ = ) com o CEP operando como FAP e IEP simultaneamen- te: a injeção de corrente é percebida devido à forma de onda da corrente estar invertida em relação

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=v

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=0

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=v

v

=0

a)

b)

à forma de onda da tensão, conforme Figura 3.4(a). Pela análise da componente de 7ª harmônica presente na tensão, nota-se que a harmônica de corrente está invertida em relação à harmônica da tensão. Logo, tanto a componente fundamental de corrente, quanto a harmônica transfere potência ativa para a rede. Portanto, o uso da SCR permite obter fator de potência unitário, uma vez que a forma de onda da corrente é uma cópia da forma de onda da tensão no PAC. Com a SCR, a rede apresenta comportamento análogo a um resistor, o qual absorve a energia excedente que não é absorvida pela carga.

Figura 3.4 – Comparação das estratégias de geração de corrente de referência para injeção de energia e filtragem ativa (CEP operando como IEP e FAP simultaneamente): a) SCR; b) SCS; c) SCR combinada com SCS;

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a)

c)

SCS ( ∗ = _* e _>∗ = _*) com o CEP operando como FAP e IEP simultanea- mente: a utilização da SCS produz uma corrente senoidal que circula pela rede transferindo o ex- cedente de energia produzida pela fonte local. Neste caso, a potência excedente é transferida para a rede apenas através da componente fundamental da corrente. Conforme se verifica através da Figura 3.4(b), a componente de 7ª harmônica da corrente é praticamente nula. Neste caso, a rede não tem comportamento análogo a um resistor e, portanto, o fator de potência não é unitário. Por outro lado, a distorção da corrente é muito baixa, uma vez que a corrente é praticamente senoidal.

Existe a possibilidade de combinar as estratégias geração de referência para a corrente pela rede. Pode-se, por exemplo, utilizar a SCR para geração da referência de compensação ( ∗ =

*) e a SCS para injeção de energia na rede ( >∗ = *). Tal combinação resulta nas formas

de onda mostradas na Figura 3.4(c). A componente de 7ª harmônica está presente tanto na tensão quanto na corrente. Porém, a forma de onda da corrente é diferente da forma de onda da tensão e, por consequência, assim como no caso em que é usada apenas a SCS, o fator de potência não é unitário.

A diferença entre as formas de onda de tensão e corrente pode ser explicada através da aná- lise da harmônica de tensão e corrente mostrada na Figura 3.4(c). Nota-se que a harmônica de cor- rente está em fase com a harmônica de tensão. Este comportamento se deve ao fato de que a cor- rente _/C∗ da Figura 3.2 apresenta a 7ª harmônica de corrente em fase com a tensão. Porém, como a referência de corrente a ser injetada na rede, ∗ , é senoidal e deslocada de 180° em relação à tensão, a referência de corrente _/∗ apresenta componente fundamental em oposição de fase em relação à tensão, enquanto as harmônicas de corrente está em fase com as harmônicas da tensão (quando a harmônica da corrente deveria estar em oposição de fase em relação à harmônica da tensão).

No caso em que é usada apenas a SCR, Figura 3.4(a), as harmônicas de tensão e corrente estão em contra-fase. Isto ocorre, pois a amplitude da harmônica de corrente presente na referência de corrente ∗ é maior que a amplitude da harmônica presente em _/C∗ . Torna-se evidente a cons- tatação que a combinação de estratégia não traz benefício, pois, devido às diferenças entre as for- mas de onda de tensão e corrente, o fator de potência não é unitário. A distorção harmônica tam- bém não diminui, pois a harmônica presente na tensão também está presente na corrente.

Em resumo, a estratégia baseada na SCS permite obtenção de baixa distorção harmônica na corrente pela rede. Caso uma distorção maior na corrente seja admitida, isto é, desde que a distor-

ção da corrente não viole os valores estabelecidos em normas e recomendações, pode-se optar pelo uso da SCR, uma vez que esta estratégia permite obtenção de fator de potência unitário na rede para qualquer condição de tensão.

Neste trabalho, os conversores e as estratégias de controle implementadas são testados em uma rede de energia real (rede de energia do laboratório), a qual apresenta distorção de tensão de cerca de 2%. Portanto, o trabalho é desenvolvido usando a estratégia SCR. Outro fator que leva a escolha da SCR neste trabalho é que a SCR vai ao encontro do que é proposto pela CPT, uma vez que, pela CPT, um dado sistema de energia opera com a máxima eficiência quando a forma de onda da tensão é igual à forma de onda da corrente, resultando em fator de potência unitário.

3.3 SIMULAÇÕES

As simulações têm por objetivo explorar a capacidade de compensação seletiva de distúr- bios através da decomposição da corrente da carga em parcelas ortogonais, segundo a CPT. O sis- tema monofásico mostrado na Figura 3.1(a), cujos parâmetros constam na Tabela 2.1, é simulado no software PSIM. A rede considerada apresenta valores nominais de 127 V / 60 Hz com 5% de distorção na sétima harmônica. A estratégia de SCR é usada tanto na operação apenas como FAP quanto para a operação multifuncional, isto é, CEP operando como FAP e IEP simultaneamente.

O funcionamento do CEP operando como FAP e realizando compensação seletiva de dis- túrbios pode ser analisado através da Figura 3.5(a), a qual mostra as formas de onda da tensão no PAC e corrente pela rede, bem como a decomposição da corrente pela rede segundo as parcelas de corrente da CPT. As potências são observadas na carga, na rede e na saída do CEP, sendo decom- postas nas componentes ativa, reativa e residual.

Conforme a Figura 3.5(a), quando é realizada a compensação total de distúrbios, isto é, quando tanto a componente reativa quanto a componente residual da corrente da carga são com- pensadas, a corrente pela rede, , apresenta forma de onda idêntica à forma de onda da tensão no PAC. Neste intervalo (0,95 s < t < 1,0 s), tanto a componente reativa quanto a componente resi- dual da corrente da rede são nulas. Nota-se que, a potência reativa e a potência residual demandas pela carga são supridas pelo CEP ( = e = ), de tal forma que a rede fornece ape- nas a potência ativa demandada pela carga.

No intervalo seguinte (1,0 s < t < 1,1 s), apenas a parcela reativa da corrente da carga é compensada, isto é, a componente residual deixa de ser compensada. Isto pode ser verificado pela circulação da componente reativa da corrente pela rede ( _q). A potência residual demandada pela carga deixa de ser suprida pelo CEP ( = 0) e passa a ser fornecida pela rede ( = ). Quando sistema deixa de ser compensado (t > 1,1 s), o que equivale a desligar o CEP, as compo- nentes reativa e residual da corrente da carga passam a circular pela rede, originando as compo- nentes reativa, _q, e residual, . Toda a potência não-ativa relacionada aos distúrbios da carga é fornecida pela rede.

Figura 3.5 – Formas de onda e potências para compensação seletiva de distúrbios: a) CEP operando apenas como FAP; b) CEP operando como CEP e IEP simultaneamente.

PCEP PL PG QL QG DCEP DL DG ACEP AL AG QCEP VPAC iG iGa iGr iGv PCEP PL PG QL QG DCEP DL DG AG QCEP VPAC iG iGa iGr iGv ACEP AL b) a) Comp.

iv + ir Comp. ir Sem Comp.

Comp.

A operação multifuncional do CEP é demonstrada através da Figura 3.5(b). A fonte de cor- rente contínua, , conectada ao barramento CC do inversor modela a fonte local de energia (FLE). A corrente injetada no barramento é = 3 A, resultando em aproximadamente 900 W de potência. Assim como no caso anterior, de operação apenas como FAP, ocorre também na Figura 3.5(b) a compensação seletiva dos distúrbios da carga. Porém, considerando a injeção na rede da potência oriunda de . Conforme se observa, a potência ativa disponibilizada é = = 900 •. O excedente de potência ativa, que não é absorvido pela carga, é injetado na rede, resul- tando em = ? = ?500 •. Nota-se que, no primeiro intervalo, quando ocorre a com- pensação total dos distúrbios, as correntes relacionadas aos distúrbios da carga ( e _q) circulam pelo CEP. Assim, pela rede circula apenas a corrente ativa, responsável por transferir o excedente para a rede. A corrente ativa pela rede, _C, está invertida em relação a , configurando injeção de energia na rede.

3.4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Esta seção traz os resultados experimentais obtidos através da aplicação da estratégia de compensação seletiva de distúrbios que corroboram as simulações apresentadas na seção anterior. Assim como nas simulações, a SCR é usada para definir a forma de onda para a corrente que cir- cula pela rede.

O sistema usado para obtenção dos resultados experimentais foi implementado de acordo com o sistema monofásico mostrado na Figura 3.1, cujos parâmetros constam na Tabela 2.1. A modelagem e o projeto dos controladores do sistema foi mostrada no Capítulo 2.

A fonte de corrente contínua, , que emula uma fonte local de energia (FLE), é baseada na topologia boost controlada em corrente, sendo que a entrada deste conversor é uma fonte CC com tensão ajustada para 150 V. A FLE tem capacidade para injetar 950 W de potência no barra- mento CC. O rendimento do CEP, considerando o conversor boost controlado em corrente, é de cerca de 89%. Logo, a potência que efetivamente pode ser injetada na rede é da ordem de 850 W.

Os testes são realizados conectando o conversor à rede elétrica do Laboratório de Condici- onamento de Energia Elétrica. A tensão nominal da rede monofásica é de 127V / 60 Hz. A rede

apresenta componentes harmônicas de 1,8% na 5ª harmônica e de 0,5% na 7ª harmônica, resultan- do em uma DHT de 1,9%. É importante destacar que a distorção foi medida com o CEP e a carga desconectados do PAC. Para evidenciar a característica de compensação seletiva de distúrbios, são analisados em detalhes os modos de operação:

• CEP operando apenas como FAP;

• CEP multifuncional (operação como FAP e IEP simultaneamente); • CEP operando apenas como IEP.