Introdução teórica
D- STATCOM controlado por correntes de referência de referência
Para concluir a criação da ferramenta HIL, resta ampliá-la para utilização em equipamentos que necessitem controlar não apenas uma chave, mas um conjunto dessas, como por exemplo, o controle de uma ponte trifásica de IGBTs. Também seria útil a ampliação do RS232_1 para comportar um DSP com periféricos, testando assim a programação dos mesmos.
Este capítulo expande o bloco RS232_1, para que seja possível o HIL de equipamentos que utilizam conversores trifásicos em ponte completa e possuam interface IO. Faz ainda uma comparação entre os resultados obtidos na simulação e no ensaio do mesmo em uma bancada, como forma de validação da ferramenta em estudo
Por fim, faz uma avaliação de todo o processo, ressaltando os principais pontos da execução deste trabalho e descrevendo as peculiaridades do HIL utilizando o PSCAD/EMTDC.
Proposta do equipamento
O D-STATCOM deve regular a tensão na barra, ou ponto elétrico ao qual está conectado, ou então deve corrigir o fator de potência de uma determinada carga. Para isso, deverá ser simulado um sistema de acordo com o diagrama visualizado na Figura 23, onde se considera a fonte como uma barra infinita, ou seja, com tensão invariante em módulo e fase. O indutor de afundamento será utilizado para causar um afundamento de tensão no ponto de conexão do D-STATCOM e a carga terá configurações indutivas e capacitivas para testar a correção do fator de potência.
Basicamente o D-STATCOM é composto de um conversor trifásico em ponte completa a IGBT, de um capacitor ou banco de capacitores (capacitores do elo cc do conversor), de um indutor de comutação e de um filtro, além de um sistema de medição dos parâmetros elétricos e do controlador das chaves. Na Figura 23 o filtro é composto apenas de capacitores conectados em estrela, porém outras configurações podem ser usadas dependendo da aplicação.
A escolha do controle de tensão ou fator de potência deve ser feito por uma chave seletora sinalizada por um dispositivo visual. Além desta sinalização ainda podem ser instaladas lâmpadas de emergência e erro.
Esta proposta força a ampliação do RS232_1 para que descritos na tabela a seguir:
Sentido PSCAD/EMTDC → DSP Tensão da carga Corrente da carga Tensão do elo CC PSCAD/EMTDC ← DSP Referência do PWM
A escolha do controle de tensão ou fator de potência deve ser feito por uma chave seletora visual. Além desta sinalização ainda podem ser instaladas lâmpadas de
Figura 23: Diagrama trifilar do D-STATCOM.
Esta proposta força a ampliação do RS232_1 para que transmita e receba do DSP os sinais
Sinais IO
Tensão da carga Vab Chave do controle de tensão Vbc Chave do controle de fator de potência
Corrente da carga Ia Botão de emergência
Ib Botão de habilitação do PWM
Tensão do elo CC Vcc Botão de Stand by
Referência do PWM Rx1
Sinalização do contorle de tensão Sinalização do contorle de fator de potência Rx2
Sinalização de emergência Sinalização PWM
Rx3 Sinalização Stand by
Sinalização do controle do Tabela 1: Entradas e saídas do RS232_1.
A escolha do controle de tensão ou fator de potência deve ser feito por uma chave seletora visual. Além desta sinalização ainda podem ser instaladas lâmpadas de
transmita e receba do DSP os sinais
Chave do controle de tensão Chave do controle de fator de potência
Botão de emergência Botão de habilitação do PWM
Stand by Sinalização do contorle de tensão Sinalização do contorle de fator de potência
Sinalização de emergência Sinalização PWM
Stand by Sinalização do controle do elo cc
Desta vez, as variáveis recebidas no DSP devem ser recombinadas de tal forma que seus formatos fiquem semelhantes aos sinais reais que serão tratados em um protótipo. Significa dizer que as variáveis de tensão e corrente recebidas devem ficar formatadas como se fossem sinais recebidos pelo conversor A/D e as variáveis da IO devem ser formatadas igualmente à configuração da IO do DSP.
Quanto ao bloco de condicionamento de sinais, note que serão necessários três blocos para comportar os sinais descritos acima, pois os mesmos são de ordem de grandeza distintas.
Sendo assim, espera-se que, ao final da execução, o D-STATCOM tenha controlado a tensão da barra à qual está conectado e fator de potência da carga, com valores de tensão próximos de 127 volts (tensão fase-neutro) e fator de potência próximo à unidade, utilizando para isso o HIL. Por conseguinte, é preciso comparar a simulação HIL com um protótipo de bancada com características semelhantes e mesmo código embarcado.
Introdução teórica
O D-STATCOM é um compensador estático de distribuição. Para entender seu princípio de funcionamento, de acordo com (Cavaliere, 2001), observe a Figura 24, onde se encontra um modelo simplificado do D-STATCOM conectado a uma fonte. Essa simplificação pode ser feita partindo do equivalente Thévenin da fonte, constituído de uma fonte ideal em série com indutor, e do equivalente Thévenin do equipamento, também constituído de uma fonte de tensão em série com um indutor. Então forma-se uma fonte de tensão ideal em série com um indutor equivalente conectado à fonte de tensão ideal de saída do compensador .
Para evitar confusões no entendimento deste princípio de funcionamento atente à convenção adotada para o sentido positivo das tensões e corrente descritas na Figura 24. Esses sentidos irão se manter, independente do sentido real das variáveis, e os fasores relativos às variáveis também terão os mesmos sentidos convencionados.
Figura 24: Modelo ideal do D
As relações das potências ativa e reativa entre as duas fontes de tensão podem ser descritas conforme as equações que seguem
ângulo de defasagem entre elas
As equações acima permitem verificar qualitativamente que é possível controlar as potências entre as fontes com a variação dos módulos e ângulo
as tensões (
θ
0°= ), a potência reativa é controlada apenas com a variação da amplitude da tensão C
V
e pode ser indutiva ou capacitiva, apenas fazendo controle é ilustrado na Figura 25;
: Modelo ideal do D-STATCOM conectado ao sistema elétrico.
As relações das potências ativa e reativa entre as duas fontes de tensão podem ser descritas que seguem, onde mostram ser dependentes das amplitudes das tensões, do entre elas e do valor da reatância equivalente.
permitem verificar qualitativamente que é possível controlar as potências dos módulos e ângulos das tensões
. S
V e . C
V . Fixando o ângulo entre , a potência reativa é controlada apenas com a variação da amplitude da tensão e pode ser indutiva ou capacitiva, apenas fazendo com que seja menor ou maior que
25.
Figura 25: Controle da potência reativa.
; ;
As relações das potências ativa e reativa entre as duas fontes de tensão podem ser descritas , onde mostram ser dependentes das amplitudes das tensões, do
permitem verificar qualitativamente que é possível controlar as potências Fixando o ângulo entre , a potência reativa é controlada apenas com a variação da amplitude da tensão menor ou maior que
V
S. EssePara uma tensão do conversor menor que a tensão da fonte, a tensão é positiva (lembrando da convenção da Figura 24) e a corrente está atrasada de 90° em relação a essa tensão. Sendo assim, o resultado é que para a fonte do sistema existe uma corrente indutiva sendo drenada pelo equipamento (D-STATCOM no modo indutivo). A amplitude desta corrente depende do módulo de , que depende de , ou seja, a amplitude da corrente depende do quanto é menor que .
Da mesma forma, quando é feito ser maior que , a tensão fica negativa, mas a corrente continua sendo atrasada de 90° em relação a essa tensão, por se tratar de uma corrente no indutor em relação à tensão deste mesmo indutor. Por isso, para a fonte do sistema existe agora uma corrente capacitiva sendo drenada pelo equipamento (D-STATCOM no modo capacitivo). Novamente a amplitude desta corrente depende da diferença entre e .
Fazendo o D-STATCOM comportar-se como um indutor é possível corrigir o fator de potência capacitivo ou reduzir a tensão da barra, dependendo de qual dos dois parâmetros deseja-se controlar. Já com o D-STATCOM comportando-se como um capacitor é possível corrigir o fator de potência indutivo ou elevar a tensão na barra, dependendo também do parâmetro a ser controlado.
Existem duas formas distintas de controlar este equipamento, fazendo o controle direto da corrente drenada ou controlando a tensão na saída do conversor. O controle da corrente drenada é menos oscilante, porém utilizando o controle de tensão é possível adicionar às funcionalidades do equipamento a compensação de harmônicos
Os parâmetros utilizados no controle de corrente são baseados na teoria de potências ativa e reativa instantânea (Teoria p-q). Neste caso, a potência média ativa é responsável pelo controle da tensão do elo cc e pelo suprimento das perdas, enquanto a parcela média da potência imaginária será responsável pela compensação da tensão ou do fator de potência, dependendo do controle escolhido. De posse dessas potências é possível obter matematicamente as correntes de compensação a serem drenadas pelo D-STATCOM. Após obtidas as correntes de referências resta utilizar uma estratégia de chaveamento conveniente, como por exemplo, o controle por banda de histerese.
Já no controle de tensão, os parâmetros utilizados são a defasagem angular das tensões, responsável pelo controle do elo cc, e a amplitude da tensão fundamental de , responsável pela regulação da tensão e correção do fator de potência. Para tal, também é utilizado a Teoria p-q. A partir desses parâmetros é gerada a tensão de referência que será utilizada como comparação com uma portadora triangular, realizando o chaveamento através da técnica PWM.
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Como o controle de corrente força a corrente drenada pelo equipamento a ser igual à corrente de compensação, é fácil perceber que para a barra de conexão o D-STATCOM comporta-se como uma fonte de corrente. Assim, as correntes harmônicas encontrarão através da fonte do sistema elétrico o caminho de menor impedância e o D-STATCOM será um caminho de alta impedância. O contrário acontece no controle de tensão, pois o parâmetro imposto agora é a tensão . Assim, para a barra de conexão, o D-STATCOM comporta-se como uma fonte de tensão conectada a ela. Como na maior parte dos casos a impedância de comutação é menor que a impedância da fonte, o caminho preferencial para as correntes harmônicas será o D-STATCOM, funcionando este então como um filtro que reduz o fluxo de correntes harmônicas para a fonte do sistema elétrico.
Execução
A Figura 26 mostra a ampliação feita no RS232_1 para comportar as variáveis requisitadas pelo D-STATCOM. Veja que do lado esquerdo do bloco continuam as variáveis que são transmitidas pelo PSCAD/EMTDC e do lado direito estão as que são recebidas. A novidade está na ampliação do número de Tx e Rx e a criação das entradas e saídas da IO.
A adequação dos dados Tx será feita de acordo com padrão do registrador destinado ao A/D do DSP MC56F8323. Este padrão é mostrado na Figura 27. Portanto, no programa principal embarcado no DSP, será necessária a adequação das variáveis recebidas pelo PSCAD/EMTDC relativas aos sinais Tx. Note que agora a transmissão desses dados pode ser feita com uma precisão de 16 bits, ainda superior aos 12 bits usados no A/D.
Da mesma forma que existe um protocolo de comunicação no PSCAD/EMTDC, deve existir um protocolo de comunicação no DSP, onde esses dois devem ser compatíveis. O fluxograma do protocolo de comunicação do DSP está ilustrado na Figura 28. Esse protocolo deve especificar as áreas onde se encontram os comandos pertencentes ao HIL e as áreas onde se encontram os comandos pertencentes ao controle principal (controle em teste). A definição dessas áreas é importante, pois depois de constatado o correto funcionamento do controle principal, os comandos pertencentes a este devem ser usados para construir o programa que será utilizado na bancada, onde será acrescida a configuração dos periféricos usados.
Figura
Figura 27: Configuração do registrador do AD para o DSP MC56F8323. Figura 26: RS232_1 para utilização no D-STATCOM.
A interface IO utiliza a álgebra booleana e, portanto, para cada canal é necessário apenas um bit. Com isso é possível agregar até oito canais em apenas uma palavra, onde cada bit desta palavra contém a informação de um canal da IO. Como os sinais das chaves (sinais da interface IO enviados ao DSP) e os sinais de sinalização (sinais da interface IO recebidos do DSP) não totalizam os oito bits cada, será necessária apenas uma palavra para as chaves e outra para a sinalização. No DSP, a identificação dos canais é feita na parte da adequação dos sinais recebidos pelo PSCAD/EMTDC (Tx). Já no PSCAD/EMTDC, a identificação dos canais é feita na adequação dos sinais recebidos pelo DSP (Rx).
Os sinais da IO destinados à sinalização precisam ser conectados a um sinalizador do PSCAD/EMTDC. A lógica destes sinais é inversa, ou seja, quando há sinal zero significa que a lâmpada deve acender. O dual acontece para o sinal com nível lógico um, que indica que a lâmpada deve estar apagada. Os sinalizadores com os sinais mencionados estão mostrados na Figura 29.
Figura 29: Sinalizador da interface IO.
Com estas configurações resta agora montar o sistema para simulação no PSCAD/EMTDC. O sistema de potência montado é observado na Figura 30, sendo análogo ao sistema apresentado na Figura 23. O bloco Disparo é constituído basicamente de blocos análogos ao da Figura 14. Ele recebe os sinais Out3, Out6 e Out9, vindos do DSP, e envia para o bloco STATCOM os sinais de disparo dos IGBTs. O bloco STATCOM contém os IGBTs e os capacitores do elo cc, como pode ser visto na Figura 31.
Figura 30: Sistema de potência simulado.
Figura 31: Bloco STATCOM. Linha G1 G2 G3 G4 G5 G6 V_dc STATCOM E1 E2 Filtro I_conv V_compA V_compB V_compC G1 G2 G3 G4 G5 G6 tri liga Dis paro tri V_dc I_carga BRK_afund 12 [ohm] 12e-3 [H] BRK_i 6 [ohm] BRK_c 580 [uF] P = 0,3483 Q = 0,001053 V = 0,1267 V A 0.00001 [ohm] 2.5e-3 [H] 5E-3 [H] liga A B C A B C Vab Vbc Ea I_conv out3 out6 out9 Linha G 1 G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 A B C 2 1 2 3 2 5 2 2 2 6 2 4 4 5 0 0 [u F ] 4 5 0 0 [u F ] 4 5 0 0 [ u F ] 4 5 0 0 [ u F ] V_dc
O código do controle a ser embarcado no D-STATCOM é o de correntes de referência. A escolha deste controle foi devido à existência de um protótipo já testado com sucesso em (ENCARNAÇÃO, MONTEIRO, FILHO, & AREDES, 2006) com este controle. Portanto, basta utilizar o mesmo controle no HIL e comparar os resultados da simulação com os resultados da bancada. Uma vez que os mesmos são semelhantes, pode-se afirmar que o HIL é capaz de validar um código de controle embarcado no DSP.
Resultados
A seguir serão apresentadas as formas de onda encontradas na simulação HIL. Para posteriormente poder ser feita uma comparação dos resultados obtidos com esta simulação e os resultados obtidos em bancada, serão apresentados os gráficos pertencentes ao HIL e logo a seguir os gráficos equivalentes obtidos pela operação do D-STATCOM de bancada.
Primeiramente são observadas as Figura 32 e a Figura 33, que apresentam a tensão na barra de conexão do D-STATCOM, com este inoperante e sem carga. Essa situação será vista como o caso base para futuras comparações. Suas características principais são: tensão com 220 V RMS, freqüência igual a 60 hertz e onda senoidal. Para operar desta forma é preciso que o controle não aja sobre o D-STATCOM, que as chaves que ligam as cargas ao sistema fiquem abertas e que a chave responsável pelo curto-circuito da indutância de afundamento fique fechada, garantindo corrente e tensão nulas nessa indutância.
Figura 32: Tensão Vab sem D
Figura 33: Tensão Vab
A Figura 34 e a Figura 35
agora com este atuando na regulação da tensão da barra. afundamento permanecem os mesmos
Tensão Vab sem D-STATCOM e sem carga (220 Vrms) - HIL.
Tensão Vab sem D-STATCOM e sem carga (220 Vrms) - Bancada.
35 mostram a mesma tensão na barra de aplicação do D agora com este atuando na regulação da tensão da barra. Os estados das chaves de afundamento permanecem os mesmos do caso base.
mostram a mesma tensão na barra de aplicação do D-STATCOM, Os estados das chaves de carga e
Figura 34: Tensão Vab
Figura 35: Tensão Vab com D
Deseja-se agora mostrar a mesma tensão conexão de uma carga que drena uma corrente
: Tensão Vab com D-STATCOM regulando tensão e sem carga – HIL.
Tensão Vab com D-STATCOM regulando tensão e sem carga – Bancada
se agora mostrar a mesma tensão na barra com a queda de tensão
conexão de uma carga que drena uma corrente de 10 A indutiva. O D-STATCOM não deve agir no Bancada.
de tensão proveniente da STATCOM não deve agir no
Figura 36: Tensão Vab
Figura 37: Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e sem D
Para esta queda de tensão tensão na barra. Isto feito, a Figura de 221 V RMS.
: Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e sem D-STATCOM (209 Vrms) – HIL
Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e sem D-STATCOM (209 Vrms) - HIL.
esta queda de tensão, o controle do D-STATCOM deve ser selecionado para regular a Figura 38 e a Figura 39 retratam a tensão na barra, que alcança
HIL
HIL.
STATCOM deve ser selecionado para regular a que alcança um valor
Figura 38: Tensão Vab com carga (10 A indutiva
Figura 39: Tensão Vab com carga (10 A indutiva
A partir do caso base, as tensões mostradas até agora permitem uma análise dos resultados para o controle da regulação de tens
material na análise do controle de correção do fator de potência,
da tensão na barra, a corrente drenada pela carga. Seguindo o procedimento adotado até agora, ão Vab com carga (10 A indutiva) e com D-STATCOM regulando tensão (221 Vrms)
ão Vab com carga (10 A indutiva) e com D-STATCOM regulando tensão (221 Vrms)
A partir do caso base, as tensões mostradas até agora permitem uma análise dos resultados para o controle da regulação de tensão na barra de conexão do D-STATCOM. Para possuir o mesmo material na análise do controle de correção do fator de potência, é necessário agora mostrar, além da tensão na barra, a corrente drenada pela carga. Seguindo o procedimento adotado até agora,
STATCOM regulando tensão (221 Vrms) - HIL.
egulando tensão (221 Vrms) - Bancada.
A partir do caso base, as tensões mostradas até agora permitem uma análise dos resultados STATCOM. Para possuir o mesmo é necessário agora mostrar, além da tensão na barra, a corrente drenada pela carga. Seguindo o procedimento adotado até agora,
Figura 40: Tensão Vab e corrente da fonte Ia,
Figura 41: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com car
Observe que neste caso está sendo apresentada Portanto, para obter o fator de potência unitário, a defasag
Resta agora realizar o controle do fator de potência através do D
Figura 43 mostram os resultados destes controles, novamente seguindo a ordem de apresentação mencionada anteriormente, primeiro o resultado da simulação
Em ambos os casos a defasagem entre tensão e corrente ficou em aproximadamente 31,6°. são Vab e corrente da fonte Ia, com carga e sem D-STATCOM (50,0°) -
: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com carga e sem D-STATCOM (50,0°) - Bancada
Observe que neste caso está sendo apresentada a tensão de linha com a
ortanto, para obter o fator de potência unitário, a defasagem entre estes sinais tem que ser de 30°. Resta agora realizar o controle do fator de potência através do D-STATCOM. A
mostram os resultados destes controles, novamente seguindo a ordem de apresentação mencionada anteriormente, primeiro o resultado da simulação HIL e depois o resultado de bancada. Em ambos os casos a defasagem entre tensão e corrente ficou em aproximadamente 31,6°.
- HIL.
Bancada.
a corrente de fase. tem que ser de 30°. STATCOM. A Figura 42 e a mostram os resultados destes controles, novamente seguindo a ordem de apresentação HIL e depois o resultado de bancada. Em ambos os casos a defasagem entre tensão e corrente ficou em aproximadamente 31,6°.
Figura 42: Tensão Vab e corrente da fonte Ia,
Figura 43: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com car
Uma vantagem da simulação HIL é a possibilidade de registrar o histórico da simulação. permite avaliar o tempo de resposta do controle para diferentes
forma que nas simulações do PSCAD/EMTDC
configurado, assegurando que os resultados obtidos são relativos ao controle
Como exemplo, a Figura 44 mostra o fator de potência da carga alimentada no tempo de 1 segundo são Vab e corrente da fonte Ia, com carga e com D-STATCOM (31,6°) –
Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com carga e com D-STATCOM (31,6°) – Bancada
Uma vantagem da simulação HIL é a possibilidade de registrar o histórico da simulação. permite avaliar o tempo de resposta do controle para diferentes ganhos. Além disso, da mesma
PSCAD/EMTDC, o tempo em que cada controle é acionado pode ser configurado, assegurando que os resultados obtidos são relativos ao controle que se deseja observar
mostra o fator de potência da carga alimentada no tempo de 1 segundo – HIL.
Bancada.
Uma vantagem da simulação HIL é a possibilidade de registrar o histórico da simulação. Isso