O conceito do SST propõe sistemas com um elevado grau de complexidade, se comparado ao atual paradigma do sistema elétrico. O desenvolvimento e inserção do SST no sistema elétrico trará, certamente, uma série de melhorias na confiabilidade e desempenho do sistema, porém, junto a isto, desafios tecnológicos irão surgir. Como este é o caminho natural a ser tomado pelo sistema elétrico é importante destacar que ainda existem alguns problemas
relacionados à operação de sistemas com múltiplos estágios de conversão de energia que necessitam de uma análise mais criteriosa.
A porta de entrada de conversores eletrônicos, quando realimentados, comporta-se como uma carga de potência constante (CPL, do inglês Constant Power Load). Cargas de potência constante possuem a característica de impedância negativa. Isso significa que, em cargas de potência constante, o valor instantâneo da impedância é positivo, mas o incremento de impedância é sempre negativo. De fato, a corrente através de uma carga de potência constante diminui ou aumenta quando a tensão em seus terminais aumenta ou diminui, respectivamente. Esta dinâmica tende a desestabilizar o sistema e é denominada na literatura de instabilidade de impedância negativa. Fornecer energia a uma carga de potência constante pode impactar na estabilidade e desempenho do sistema devido a interações dinâmicas entre os estágios (EMADI et al., 2006; EMADI; EHSANI, 2001; RIVETTA; WILLIAMSON; EMADI, 2005).
O SST possui a arquitetura fundamentada no acoplamento de múltiplos estágios de conversão de energia, caracterizando o cascateamento de conversores eletrônicos. Isso resulta que um dado conversor alimentador enxerga um outro subsequente como carga, conforme ilustrado na Figura 4. Os terminais de entrada do conversor do ponto de carga apresenta a dinâmica de uma carga com potência constante. Dessa forma, o conversor alimentador
Figura 3 Hexaedro de comparação entre as características do SST e do transformador de linha.
alimenta uma carga com a dinâmica de impedância negativa. Interações entre os estágios podem surgir, ocasionando problemas de estabilidade.
A estrutura explorada neste trabalho é apresentada na Figura 5. A sua configuração modular com três estágios de conversão de energia é composta por N módulos conectados em série na entrada (estrutura multinível) e em paralelo na saída (conexão ISOP). Esta configuração é propícia à aplicação de inúmeros módulos, o que reduz consideravelmente os níveis de tensão e corrente dos semicondutores, e permite a fácil expansão do sistema pela adição de novos módulos (ZHAO, 2010). Cada módulo é constituído por um conversor CA- CC no estágio de alta tensão, um conversor CC-CC isolado no estágio intermediário e um conversor CC-CA no estágio de baixa tensão. Topologias típicas de cada módulo para esta
Figura 5 - Estrutura completa do SST com três estágios de processamento energia.
Vca_LV + - Vcc_HV + - Vcc_LV + - Vcc_HV + - Vcc_LV + - Vcc_HV + - Vcc_LV N módulos Vca_HV Lca Lf_inv Cf_inv Lf_inv Cf_inv Lf_inv Cf_inv
Estágio CA-CC Estágio CC-CC Estágio CC-CA
Fonte: Elaborada pelo autor.
Figura 4 Estrutura do conversor alimentador fornecendo energia ao conversor no ponto de carga com a dinâmica de uma carga de potência constante.
Conversor no Ponto de Carga Conversor Alimentador Carga + - vin iin Pin + - vo io
Carga de Potência Constante Po
configuração são ilustradas na Figura 6. Para os estágios CA-CC e CC-CA são selecionadas as topologias full-bridge monofásicas e para o estágio CC-CC o conversor em ponte ativa duplo (DAB, do inglês dual-active bridge) (ZHAO, 2010). Estas topologias permitem alcançar todas as funcionalidades de controle de uma estrutura de três estágios e, em razão à simetria da arquitetura, que o fluxo potência seja bidirecional.
Figura 6 - Estrutura topológica de um único módulo de potência do SST.
Lret Sr1 Ss3 Sr2 + - Cbus_HV Ss4 Sp1 Sp3 Sp2 Sp4 Ldab Tr Np Ns Ss1 Ss2 Sr3 Sr4 + - Cbus_LV Si1 Si3 Si2 Si4 Lf_inv Cf_inv Conversor CC-CC Dual-active Bridge Conversor CC-CA Full-Bridge Conversor CA-CC Full-Bridge Fonte: Elaborada pelo autor.
Assim, esta dissertação de mestrado propõe estudar as interações dinâmicas entre os conversores eletrônicos de um único módulo de potência com três estágios de conversão de energia, conforme a Figura 6, considerando a condição unidirecional do fluxo de potência (sentido direto definido do lado alta tensão para baixa tensão). Os principais objetivos deste trabalho são:
Estudo das CPLs, enfatizando sua característica de impedância negativa e comportamento não linear;
Elucidação do efeito desestabilizante das CPLs em sistemas com conversores em cascata;
Elucidação dos conceitos de impedância para análise das interações dinâmicas entre conversores em cascata;
Revisão bibliográfica dos métodos de análise de estabilidade para sistemas com conversores em cascata;
Análise de estabilidade dos conversores que compõem o módulo do SST por meio do estudo das impedâncias e aplicação dos critérios das impedâncias de Middlebrook e da estabilidade de Nyquist;
Determinação da influência dos parâmetros do circuito de potência e controle no desempenho e na estabilidade do sistema. São analisadas como as tensões de entrada e saída, potência processada, estratégia de controle aplicada, controlador adotado, frequência de cruzamento e margem de fase interferem nas respostas das impedâncias de entrada e saída de cada conversor e nas interações dinâmicas entre os diferentes estágios.
Criação de uma metodologia para direcionar o projeto e análise do módulo do SST e garantir sua operação em uma região de estabilidade.
O estudo busca determinar as variáveis críticas para alcançar uma região de operação segura, dando ênfase às interações dinâmicas entre os estágios e a estabilidade relativa do sistema, a partir do conceito das impedâncias e utilização dos critérios de análise de interações de Middlebrook e de estabilidade de Nyquist.
Uma das grandes desvantagens deste tipo de arquitetura, além da possibilidade da indesejada ocorrência de interações entre os conversores, é a presença de uma componente alternada centrada no dobro da frequência fundamental da rede elétrica oriunda da parcela pulsante da potência de entrada do estágio retificador ou de saída do estágio inversor. Sob tais circunstâncias, esta dissertação de mestrado também busca contribuir apresentando um estudo que foca analisar os impactos da componente alternada em baixa frequência na estabilidade e desempenho do sistema e no projeto e operação dos conversores. Conforme será detalhando nos capítulos à frente, a componente alternada no dobro da frequência da rede elétrica atua, sobretudo, no conversor DAB, gerando eventos indesejados e limitações de projeto. A solução para atenuar estes impactos no DAB é discutida.