A ligação à rede eléctrica das duas cadeias de conversão foi efectuada recorrendo a conversores electrónicos de potência dotados de semicondutores controlados (VSC). A vantagem deste conversor é a sua versatilidade de controlo da qualidade de forma de onda das correntes de rede. O VSC tem a capacidade de eliminar a distorção harmónica às baixas frequências, mantendo apenas, as componentes harmónicas impostas pela comutação dos semicondutores. No entanto, dependendo do tipo de modelação utilizada para o VSC poderá haver alterações no espectro harmónico das correntes.
Na estrutura evidenciada na figura 5.1, referida ao capítulo 3, a modulação utilizada para a comutação dos semicondutores foi baseada em controladores histeréticos. As respectivas bandas de histerese foram muito reduzidas.
Figura 5.5- Espectro harmónico provocado pelo controlador histerético
No entanto, verifica-se que os respectivos controladores originam uma taxa de distorção harmónica de aproximadamente 2%. De acordo com o espectro apresentado, verifica-se bastante diversificado no seu conteúdo harmónico.
Do ponto de vista da simulação em ambiente Matlab/Simulink o algoritmo de controlo de corrente histerético é caracterizado pela sua rapidez e grande dinâmica ao nível de controlo de corrente. De acordo com o seu espectro de frequências e pensando do ponto de vista da implementação em ambiente laboratorial, verifica-se que será necessário ter em conta alguns aspectos. A velocidade do processador a utilizar terá de ser muito elevada, assim como as frequências de amostragem dos respectivos conversores A/D. A elevada velocidade necessária ao circuito de controlo acarreta consigo custos elevados devido ao grande desempenho requerido. A grande variedade das frequências impostas ao conversor será origem de perdas de comutação muito elevadas.
Qualidade de serviço dos conversores DC/AC
controlados de ligação à rede eléctrica 97
Na estrutura evidenciada na figura 5.2, referida ao capítulo 4, a modulação utilizada para a comutação dos semicondutores foi baseada na modulação Vectorial (SVM) no referencial estacionário αβ. De acordo com os resultados obtidos no respectivo capítulo, a modulação utilizada foi responsável pelo seguinte espectro de frequências.
Figura 5.6- Espectro de frequências do SVM
De acordo com o espectro de frequências de uma das fases do VSC de ligação à rede eléctrica verifica-se que tem, por sua vez, um conteúdo harmónico reduzido. O espectro é dotado essencialmente de dois sinais de frequências 50 Hz e 20kHz, sendo a frequência fundamental e de comutação, respectivamente. De acordo com a figura a taxa de distorção harmónica resultante deste algoritmo é de 0.16 %.
O algoritmo de controlo utilizado no capítulo anterior colmatado com a modulação vectorial tem várias vantagens, tais como frequência de comutação constante, menores perdas de comutação e menor taxa de distorção harmónica. Do ponto de vista da implementação, pode ser dotado de dispositivos de controlo e aquisição de sinal mais simples, trazendo vantagens económicas.
Por fim, a característica que mais se distinguiu entre as duas estruturas de potência e controlo adoptadas, foi a possível variação da tensão do barramento DC.
98 Comparação do desempenho das cadeias de conversão back to back
Figura 5.7- Evolução da velocidade do gerador e da tensão do barramento de condensadores
O sistema da figura 5.1 apresenta uma dependência entre a velocidade do gerador é e o nível de tensão do barramento contínuo. Significando que a alteração do ponto de funcionamento do gerador é sinónimo da alteração do nível de tensão do barramento continuo, tal como se apresenta na figura 5.7.
Por outro lado, no sistema caracterizado pelos dois VSC em topologia back to back verifica-se que o nível de tensão do barramento é sempre constante, para qualquer ponto de funcionamento do PMSG, como se apresenta na figura seguinte.
Conclusões 99
Na presença de grandes variações de corrente em trânsito, a tensão DC do barramento de condensadores mantém-se inalterável. Grandes gradientes de corrente eléctricas, tal como acontece no instante t=1s, fazem variar, apenas, em 2V a tensão nominal do barramento. Por outro lado, mesmo com correntes muito reduzidas do gerador, tal como acontece no instante t=1.5s, o conversor mantém também constante a tensão do barramento. O facto da tensão do barramento se manter sempre com erro muito reduzido face à tensão nominal de 400V, é possível afirmar que o barramento se comporta como uma fonte de tensão constante. Esta característica permite a ligação de diversos sistemas de geração de energia ao barramento de condensadores e, por sua vez, à rede eléctrica, dotando assim, de sistemas híbridos quanto à produção de energia.
5.4 - Conclusões
Neste capítulo foram comparados algumas características a nível de desempenho e qualidade de serviço das estruturas de potência apresentadas nos capítulos anteriores.
Foram apresentados os resultados obtidos quanto à taxa de distorção harmónica resultantes dos conversores de ligação ao gerador e à rede eléctrica. Verificou-se que a ligação de conversores não controlados, ao gerador síncrono, provoca grande taxa de distorção harmónica em comparação ao VSC. A elevada taxa de distorção harmónica daí resultante, coloca em causa o tempo de vida útil do gerador. Embora tenha a vantagem de possuir menos dispositivos e seja dotado de maior robustez, o preço final do sistema é essencialmente determinado pela máquina eléctrica. Deste modo, a utilização de conversores não controlados será prejudicial ao sistema, sendo preferível a alternativa de utilização de VSC.
Quanto à ligação do sistema à rede eléctrica, foi realizada através de VSC em ambos os sistemas, pelo que do ponto de vista do desempenho das correntes eléctricas sejam favoráveis. No entanto, no primeiro sistema utilizaram-se controladores histeréticos, já no segundo, utilizou-se modulação vectorial. Ambas as técnicas de controlo permitem uma taxa de distorção harmónica reduzida. No entanto, a modulação vectorial tem um conteúdo harmónico muito inferior ao histerético, como esperado.
Por fim, outra observação realizada consistiu na descrição da evolução da tensão do barramento contínuo. Verificou-se que com a utilização de dois VSC com a configuração back
to back permitiu manter a tensão do barramento constante, comportando-se como uma fonte
de tensão, mesmo com grande variação de potência no barramento. Já no sistema dotado de rectificador a díodos e VSC o ponto de funcionamento do barramento era francamente alterável.
Do ponto de vista da evolução das energias renováveis, pode-se concluir que o futuro próximo passa pela hibridação das energias renováveis. Isto significa que será possível conectar através do mesmo sistema vários equipamentos de produção de energia. O sistema dotado de dois VSC em configuração back to back devido ao elevado desempenho evidenciado, é uma possível solução futura para a hibridação da produção de energia do ponto de vista da micro geração. Deste modo, para efeitos de estudo e implementação, apenas será tratado o sistema presente no capítulo 4.
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