Contribuições à estratégia de controle sem detecção de harmônicos aplicada a um filtro ativo de potência paralelo

UNIVERSIDADEFEDERALDO RIO GRANDE DO NORTE

PROGRAMA DEPÓS-GRADUAÇÃO EMENGENHARIAELÉTRICA E DE

COMPUTAÇÃO

Contribuições à Estratégia de Controle sem

Detecção de Harmônicos Aplicada a um Filtro

Ativo de Potência Paralelo

Raphaell Maciel de Sousa

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Lúcio de Araújo Ribeiro

Tese de Doutorado apresentada ao Pro-grama de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN (área de concentração: Automação e Sistemas) como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Ciências.

Catalogação na publicação

Thiago Ferreira Cabral de Oliveira – CRB/15 – 628 Bibliotecário Documentalista IFPB Campus – Cajazeiras

S085c

SOUSA,

Raphaell Maciel de

C

ontribuições à estratégia de controle sem detecção

de harmônicos aplicada a um filtro ativo de potência paralelo

Raphaell Maciel de Sousa

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Lúcio de Araújo Ribeiro

1. Fator de potência.. 2. Filtro ativo paralelo, 3. Desempenho

I. Título. II. Assunto.

Agradecimentos

Ao meu orientador, professor Dr. Ricardo Lúcio, pela determinação e dedicação ao tra-balho, sobretudo por acreditar no meu potencial.

Ao professor e amigo Dr. Euzeli, por todo apoio e por acreditar e investir no meu poten-cial.

Ao amigo Fábio, que sempre esteve presente, desde alguns dos momentos mais difíceis, aos melhores momentos da minha vida.

À Dona Sâmya, Soares, Aluska e Ricarte. Por serem uma família para mim, e por sempre valorizarem meu trabalho e esforço.

À todos os colegas do LEPER.

À todos que fazem o Instituto Federal da Paraíba, Campus Cajazeiras, pelos ensinamen-tos, apoio e convivência.

Resumo

Resumo: Os esquemas de controle convencionais aplicados em Filtros Ativos de Po-tência Paralelos (FAPPs) utilizam extração de hamônicos, de modo que o desempenho da compensação depende da velocidade e precisão com que os componentes harmônicos da carga não linear são identificados. O FAPP pode ser implementado sem o uso de extra-tores de harmônicos. Neste caso, a compensação dos componentes harmônicos é obtida a partir do balanço de potência do sistema. O desempenho da compensação no caso em que o balanço de potência é utilizado depende da velocidade com que o sistema entra em estado de equilíbrio. Neste caso, as correntes de fase são indiretamente reguladas por um controlador de dupla sequência (Double sequence controller - DSC) com dois graus de liberdade, cujo o princípio do modelo interno (internal mode principle - IMP) é utilizado para evitar transformações de coordenadas e garantir erro nulo em regime permanente. Adicionalmente o DSC apresenta robustez quando o FAPP opera sob condições de desba-lanceamento. Além disso, o FAPP implementado sem esquemas de detecção compensam simultaneamente harmôncos e reativos da carga. Suas capacidades de compensação, en-tretanto, são limitadas pela potência disponível no conversor do FAPP. Tal restrição pode ser minimizada se o nível de potência reativa compensada for flexibilizado. Um esquema de estimação que determina as correntes do filtro é introduzido para conferir flexibilidade na compensação de reativos da carga. Resultados experimentais são apresentados para demonstrar o desempenho do sistema proposto.

Abstract

Abstract: The conventional control schemes applied to Shunt Active Power Filters (SAPF) are Harmonic extractor-based strategies (HEBSs) because their effectiveness de-pends on how quickly and accurately the harmonic components of the nonlinear loads are identified. The SAPF can be also implemented without the use of the load harmonic extractors. In this case, the harmonic compensating term is obtained from the system ac-tive power balance. These systems can be considered as balanced-energy-based schemes (BEBSs) and their performance depends on how fast the system reaches the equilibrium state. In this case, the phase currents of the power grid are indirectly regulated by double sequence controllers with two degrees of freedom, where the internal model principle is employed to avoid reference frame transformation. Additionally the DSC controller pre-sents robustness when the SAPF is operating under unbalanced conditions. Furthermore, SAPF implemented without harmonic detection schemes compensate simultaneously har-monic distortion and reactive power of the load. Their compensation capabilities, howe-ver, are limited by the SAPF power converter rating. Such a restriction can be minimized if the level of the reactive power correction is managed. In this work an estimation scheme for determining the filter currents is introduced to manage the compensation of reactive power. Experimental results are shown for demonstrating the performance of the propo-sed SAPF system.

Sumário

Sumário i

Lista de Tabelas ix

Lista de Símbolos x

Glossário de Termos xiv

1 Introdução 1

1.1 Introdução . . . 1

1.2 Motivação . . . 3

1.3 Objetivos . . . 3

1.4 Contribuições . . . 4

1.5 Organização do Trabalho . . . 4

Nomenclatura 1 2 Fundamentação Teórica 6 2.1 Medição da Qualidade de Energia . . . 6

2.1.1 Valor Eficaz e Distorção Harmônica Total (Total Harmonic Dis-tortion -T HD) de uma Forma de Onda Não-Senoidal . . . 7

2.1.2 Fator de Potência . . . 8

2.2 FACTS -Flexible AC Transmission Systems . . . 9

2.3 Filtro Ativo Paralelo . . . 10

2.4 Filtro Ativo Série . . . 11

2.5 Filtro Ativo Híbrido . . . 11

2.6 Filtro Ativo Universal . . . 12

3 Estado da Arte 14 3.1 Revisão Bibliográfica . . . 14

3.1.1 Métodos com Extração de Componentes Harmônicos . . . 16

3.1.2 Métodos sem Detecção de Componentes Harmônicos . . . 18

3.1.3 Estratégias de Controle Com e Sem Detecção de Harmônicos . . 19

3.1.4 Flexibilização dos Objetivos de Compensação . . . 21

3.2 Resumo da Revisão Bibliográfica . . . 22

4.1 Descrição e Modelagem do Sistema . . . 26

4.1.1 Modelo de Controle das Correntes . . . 28

4.1.2 Modelo de Controle da Tensão no BarramentoCC . . . 33

4.2 Síntese do Capítulo . . . 37

5 Esquema de Controle 38 5.1 Controle Direto baseado na Teoria da Potência Instantânea . . . 38

5.2 Controle Direto no Referencial Vetor Tensão . . . 40

5.3 Modelo de Controle Para o Método Direto . . . 44

5.4 Controle Indireto . . . 45

5.4.1 Estratégia de Controle das Correntes . . . 48

5.4.2 Controle da Tensão no Barramento CC . . . 50

5.4.3 Controle da Tensão no Barramento CC Utilizando um Regulador PI Convencional . . . 51

5.5 Síntese do Capítulo . . . 52

6 Flexibilização na Compensação da Potência Reativa 55 6.1 Método I - Controle deie_{f q} . . . 55

6.1.1 Estimação das Correntes do Filtro . . . 56

6.1.2 Projeto do Controlador FRPC . . . 57

6.1.3 Definindo um Limite de Compensação da Potência Reativa . . . . 59

6.2 Método II - Incremento e Decremento do Ânguloθs . . . 61

6.2.1 Definição de um Limite de Compensação de Potência Reativa . . 61

6.3 Síntese do capítulo . . . 62

7 Resultados de Simulação 64 7.1 Resultados de Simulação . . . 64

7.1.1 Compensação de Componentes Harmônicos . . . 64

7.1.2 Compensação de Desbalanceamentos . . . 71

7.1.3 Controle da Tensão no Barramento CC . . . 75

7.1.4 Flexibilização da Compensação da Potência Reativa . . . 77

7.2 Síntese do Capítulo . . . 84

8 Resultados Experimentais 85 8.1 Avaliação Experimental . . . 85

8.1.1 Compensação de Componentes Harmônicos . . . 86

8.1.2 Controle da Tensão no Barramento CC . . . 89

8.1.3 Compensação de Desbalanceamentos . . . 92

8.1.4 Compensação de Potência Reativa . . . 94

8.1.5 Compensação sob Condições de Distorção da Tensão de Entrada . 95 8.1.6 Flexibilização da Compensação da Potência Reativa . . . 97

8.2 Comparação entre os Métodos Propostos . . . 100

9.1 Conclusões Gerais . . . 102 9.2 Trabalhos Futuros . . . 102

Referências bibliográficas 104

A Plataforma Experimental 110

B Normas Associadas à Distorção Harmônica 123

B.0.1 Norma IEC 61000-3-2 . . . 123 B.0.2 Norma IEEE Std 519-1992 . . . 125

Índice Remissivo 123

Lista de Figuras

2.1 Configuração básica de filtro ativo de potência paralelo . . . 10

2.2 Configuração básica de filtro ativo de potência série. . . 11

2.3 Configurações de filtros ativos de potência híbridos: (a) Combinação fil-tro ativo série e filfil-tro passivo paralelo; (b) Configuração de filfil-tro ativo paralelo e filtro passivo paralelo. . . 12

2.4 Configuração básica de filtro ativo de potência universal . . . 13

4.1 Diagrama unifilar do sistema com filtro ativo paralelo. . . 27

4.2 Circuito elétrico equivalente, por fase, do sistema com filtro ativo. . . 27

4.3 Circuito elétrico equivalente do sistema com filtro ativo fazendoZs=0 e Zl →∞. . . 28

4.4 Circuito elétrico equivalente do sistema com filtro ativo fazendoZs6=0 e Zl →∞. . . 29

4.5 Circuito elétrico equivalente do sistema com filtro ativo fazendoZs=0. . 29

4.6 Circuito equivalente de um capacitor eletrolítico. . . 33

4.7 Circuito equivalente de um capacitor eletrolítico. . . 34

4.8 Circuito equivalente de um capacitor eletrolítico: (a) Modelo manufatu-rado; (b) Modelo simplificado. . . 34

4.9 Circuito equivalente simplificado de um capacitor eletrolítico em termos das impedâncias. . . 35

5.1 Extração dos componentes CC e CA das potências p₋q por meio de filtros passa baixa. . . 39

5.2 Estratégia de controle direta para compensação de harmônicos utilizando a teoria da potência instantânea. . . 40

5.3 Estratégia de controle direta para compensação de harmônicos e reativos utilizando a teoria da potência instantânea. . . 40

5.4 Operação doFAPPbaseada na teoria p₋q. . . 41

5.5 Estratégia de controle direta para compensação de harmônicos no refe-rencial vetor tensão. . . 41

5.6 Estratégia de controle direta para compensação de harmônicos e reativos no referencial vetor tensão. . . 43

5.7 Operação doFAPPcom controle direto no referencial vetor tensão. . . 43

5.8 Diagrama unifilar do FAPP conectado ao PAC. . . 44

5.9 Diagrama de blocos com controle seletivo de harmônicos. . . 45

5.10 Operação doFAPPcom método indireto. . . 46

5.11 Diagrama de blocos do esquema de controle indireto. . . 48

5.12 Controlador de corrente dupla sequência. . . 49

5.14 Diagrama de blocos da malha de controle de tensão do Barramento CC. . 51

6.1 Estratégia de controle indireto com flexibilização de fator de potência. . . 56 6.2 Diagrama de blocos para o controle da parcela de reativos. . . 57 6.3 Diagrama de blocos simplificado para o controle da parcela de reativos. . 58 6.4 Diagrama de blocos simplificado para o controle da parcela de reativos

com a inclusão da variávelusq. . . 58 6.5 Limite de compensação da potência reativa. . . 59 6.6 Estratégia de controle indireto com flexibilização de fator de potência e

limite de compensação de potência reativa. . . 60 6.7 Diagrama de blocos da estratégia de controle indireto com flexibilização

da compensação de potência reativa pelo método de incremento do ângulo

θs. . . 61 6.8 Limite de compensação da potência reativa. . . 62 6.9 Diagrama de blocos para o esquema de flexibilização da potência reativa

baseado no incremento do ânguloθs. . . 63

7.1 Diagrama unifilar do sistema com FAPP utilizado no estudo de simulação computacional. . . 65 7.2 Estratégia de controle direta para compensação de harmônicos. . . 66 7.3 Correntes da carga (il123) antes da compensação imposta pelo FAPP. . . . 66 7.4 Aumento nas correntes da carga (il123) antes da compensação imposta

pelo FAPP. . . 66 7.5 Redução nas correntes da carga (il123) antes da compensação imposta pelo

FAPP. . . 67 7.6 Resultado de simulação para as tensões no PAC(Vpac123) antes da

com-pensação imposta pelo FAPP. . . 67 7.7 Tensão noPAC(Vpac1) e corrente (il1x10) na carga antes da compensação

imposta pelo FAPP. . . 67 7.8 Correntes na rede elétrica (is123) após a compensação de harmônicos

im-posta pelo FAPP com o método indireto. . . 68 7.9 Resultado de simulação para a tensão no barramento CC durante esquema

de partida suave. . . 69 7.10 Tensão noPAC(Vpac1) e corrente (is1x10) na rede elétrica durante

inicia-lização do esquema de compensação para o método indireto. . . 69 7.11 Tensão no PAC (Vpac1) e corrente (is1x10) na rede elétrica durante

inicia-lização do esquema de compensação. . . 70 7.12 Corrente de referênciaie_sd∗ durante inicialização do esquema de

compen-sação no método indireto. . . 70 7.13 Correntes controladas (is_sdq) no referencial estacionário e suas respectivas

referências (is_sdq∗ ) para o método indireto. . . 71

7.14 Resultado de simulação: (a) Correntes de compensação (if123) no FAPP; (b) Corrente na carga (il1) e corrente de compensação (if1). . . 72 7.15 Correntes na rede elétrica (is123) após a compensação imposta pelo FAPP

posta pelo FAPP utilizando o método direto. . . 73 7.17 Correnteis_{f d} no FAPP e sua respectiva referênciais_{f d}∗ após a compensação

imposta pelo FAPP utilizando o método direto. . . 73 7.18 Correnteis_{f q}no FAPP e sua respectiva referênciais_{f q}∗ após a compensação

imposta pelo FAPP utilizando o método direto. . . 74 7.19 Resultado de simulação: (a) Tensões no PAC (Vpac123) na presença de

desbalanceamento; (b) Compensação de desbalanceamento e harmônicos nas correntes da rede elétrica (is123). . . 74 7.20 Resultado de simulação da tensão no barramento CC durante inicialização

do FAPP para os controlador PI. . . 75 7.21 Resultado de simulação da tensão no barramento CC aumento das

corren-tes da carga não linear para o controlador PI utilizando os métodos direto e indireto. . . 76 7.22 Resultado de simulação da tensão no barramento CC durante redução das

correntes da carga não linear para os controlador PI utilizando os métodos direto e indireto. . . 77 7.23 Resultado de simulação: (a) Tensão no barramento CC durante degrau de

referência abaixo do valor nominal; (b) Durante degrau de referência para o valor nominal para os métodos direto e indireto. . . 78 7.24 Corrente de faseif1no FAPP e sua respectiva estimativaicf1. . . 78 7.25 Tensão noPAC(Vpac1) e corrente (il1x20) na carga antes da compensação

imposta pelo FAPP. . . 79 7.26 Corrente do FAPP no eixoq(ie_{f q}) e sua respectiva referência (ie_{f q}∗) durante

esquema de flexibilização da compensação de potência reativa. . . 80 7.27 Tensão noPAC(Vpac1) e corrente (il1x20) na carga depois da compensação

imposta pelo FAPP com esquema de flexibilização da compensação da potência reativa. . . 80 7.28 Flexibilização da compensação de potência reativa (metodologiaBEBS). . 81

7.29 Tensão noPAC(Vpac1) e corrente (il1x20) na carga depois do esquema que define um limite de compensação da potência reativa. . . 81 7.30 Estratégia para injeção na rede elétrica de potência reativa remanescente

no FAPP. . . 82 7.31 Tensão noPAC(Vpac1) e corrente (is1x20) na rede com esquema de injeção

de potência reativa remanescente na rede. . . 82 7.32 Esquema de flexibilização da potência no FAPP através do incremento de

ângulo∆θs noPLL. . . 83 7.33 Tensão noPAC(Vpac1) e corrente (is1x20) na rede com esquema de

flexi-bilização da potência no FAPP através do incremento de ângulo ∆θs no

PLL. . . 84

8.1 Plataforma experimental utilizada para os testes em laboratório. . . 86 8.2 Resultado experimental para a corrente da rede elétricais1e seu respectivo

da compensação imposta pelo FAPP; (b) após a compensação imposta pelo FAPP. . . 87 8.4 Resultado experimental para a corrente de compensaçãoif1. . . 88

8.5 Resultado experimental para as correntes controladas (is_sd) em dqe suas

respectivas referências. . . 88 8.6 Resultado experimental para as correntes controladas (is_sq) em dqe suas

respectivas referências. . . 88 8.7 Espectro de frequência para a corrente da rede elétricais1. . . 89 8.8 Resultado experimental para o controle da tensão no barramento CC

du-rante inicialização do FAPP. . . 89 8.9 Resultado experimental para as correntes da rede elétrica is123, durante

inicialização do FAPP. . . 90 8.10 Resultado experimental para a tensão no barramento CC (Vcc) durante

variações do tipo degrau na tensão de referência. . . 90 8.11 Resultado experimental para a tensão no barramento CC (Vcc) durante

variações do tipo degrau na tensão de referência. . . 90 8.12 Resultado experimental para a tensão no barramento CC (Vcc) durante

variações do tipo degrau na tensão de referência. . . 91 8.13 Resultado experimental para a tensão no barramento CC durante

transitó-rio de carga. . . 92 8.14 Resultado experimental durante transitório de carga: (a) Tensão no

bar-ramento CC (Vcc); (b) Tensão no PAC (Vpac1) para a corrente da carga

il1x10; (c) Corrente da fonteis1. . . 93 8.15 Resultado experimental durante transitório de carga: (a) Tensão no

bar-ramento CC (Vcc); (b) Tensão no PAC (Vpac1) para a corrente da carga

il1x10; (c) Corrente da fonteis1. . . 94 8.16 Resultado experimental para as correntes sob condições de

desbalancea-mento, antes e após esquema de compensação. . . 95 8.17 Resultado experimental para a tensão de faseVs1sobreposta pela corrente

de redeis1: (a) Antes; (b) Depois da compensação de harmônicos e reativos. 96

8.18 Resultado experimental para a tensão da fonte distorcidaVs1 e o ângulo obtido a partir do PLL. . . 96 8.19 Resultado experimental para a tensão distorcidaVs1 e a corrente da fonte

is1: (a) Antes; (b) Depois da compensação imposta pelo FAPP. . . 97 8.20 Resultado experimental para o esquema de flexibilização da compensação

de potência reativa; (a) correntes no FAPP com e sem flexibilização du-rante transitórios de carga (b) corrente na rede elétrica dudu-rante transitórios de carga. . . 98 8.21 Resultado experimental da flexibilização da potência aparente (S) do FAPP. 99 8.22 Tensão e corrente de fase antes da compensação imposta pelo FAPP. . . . 99 8.23 Tensão e corrente após a compensação imposta pelo FAPP. . . 99 8.24 Detalhe da tensão e corrente após a compensação imposta pelo FAPP com

de flexibilização. . . 100

A.1 Plataforma experimental e de programação. . . 110

A.2 Processador digital de sinal (DSP). . . 111

A.3 Carga não-linear. . . 111

A.4 Sensores de tensão e corrente. . . 112

A.5 Conversão de sinal óptico em sinal elétrico. . . 113

A.6 Placa condicionadora de sinal. . . 113

A.7 Fontes chaveadas para alimentação dos sensores de tensão e corrente e placas de condicionamento de sinal. . . 114

A.8 Régua de borne. . . 114

A.9 Banco de capacitores. . . 115

A.10 Indutores doFAPP. . . 115

A.11 Circuito de comando da plataforma experimental. . . 116

Lista de Tabelas

1.1 Trabalhos em eventos e periódicos gerados. . . 4

3.1 Resumo da revisão bibliográfica. . . 23

5.1 Comparação entre os métodos direto e indireto. . . 54

6.1 Condições de compensação de potência reativa. . . 56

7.1 Parâmetros do sistema. . . 65

7.2 Parâmetros do controlador DSC. . . 68

7.3 Distorção harmônica total. . . 69

7.4 Índices de desbalanceamento para as tensões no PAC. . . 73

7.5 Índices de desbalanceamento para as correntes na rede. . . 75

7.6 Índices de desempenho - Transitório Figura 7.21. . . 76

7.7 Índices de desempenho - Transitório Figura 7.22. . . 76

8.1 Parâmetros do sistema. . . 85

8.2 Distorção harmônica total. . . 87

8.3 Índices de desempenho - transitório, Figura 8.11. . . 91

8.4 Índices de desempenho - transitório, Figura 8.12. . . 91

8.5 Índices de desempenho - transitório emt=8 s, Figura 8.13. . . 92

8.6 Índices de desempenho - transitório emt=11 s, Figura 8.13. . . 92

8.7 Índices de desbalanceamento para as tensões no PAC. . . 95

8.8 Índices de desbalanceamento para as correntes na rede. . . 96

B.1 Níveis de referência para distorções harmônicas individuais de corrente. . 125

B.2 Limites de distorção harmônica segundo a norma IEEE Std 519-1992 (para tensões entre 120 V e 69 KV). . . 125

B.3 Limites de distorção harmônica segundo a norma IEEE Std 519-1992 (para tensões entre 69 KV e 161 KV). . . 126

Lista de Símbolos

is(t) Corrente de fase com conteúdo harmônico

is1(t) Corrente de fase na frequência fundamental

ih(t) Conteúdo harmônico

Is Valor eficaz ourmsda corrente de fase

fh1(t) Função periódica qualquer

Is1 Valorrmsna frequência fundamental

Ih Valorrmsdo conteúdo harmônico

Vs Valor eficaz ourmsda tensão de fase

Vs1 Valorrmsna frequência fundamental

vs1(t) Tensão puramente senoidal

Zf Impedância doFAPP

Vsk Tensão de alimentação por fase

Zs Impedânica interna do alimentador

Zl Impedância interna da carga não-linear

If k Corrente de fase doFAPP

Isk Corrente de fase do alimentador

Ilk Corrente de fase da carga não-linear

Vpac Tensão de fase no ponto comum de acoplamento

VAFk Tensão de saída do transformador doFAPS

rf Resistência do indutor doFAPP

lf Indutância doFAPP

rl Resistência da carga linear

ll Indutor da carga linear

esk Tensão de fase do alimentador

rs Resitência interna do alimentador

ls Indutância interna do alimentador

Esk Tensão de fase do alimentador no circuito equivalente

Iok Corrente de distorção no circuito equivalente

Vf k Tensão de saída doFAPP

∆(s) Polinômio característico da função de transferência do

I_ok Perturbações não-modeladas

γ0 Composição de resistências

γ₁ Composição de indutâncias e resistências

γ2 Composição de indutâncias

I_s′ Composição das correntes da fonte e distúrbios

não-modelados

I_s′(s) Transformada de laplace da correnteI_s′ Vf(s) Transformada de laplace da tensão noFAPP

I_sdqs′ (s) CorrenteI_s′(s)emd₋qno referencial estacionário V_{f dq}s (s) TensãoVf(s)emd−qno referencial estacionário

bs Variável do numerador da função de transferência reduzida doFAPP

as Variável do denominador da função de transferência redu-zida doFAPP

vC Tensão no barramentoCC

C Capacitância

rp Resistência paralela do modelo matemático do barramento

CC

esr Resistência série do modelo matemático do barramentoCC

D Diodo Zener

lc Indutância série do modelo matemático do barramentoCC

Zc Impedância equivalente da capacitância

Zr p Impedância equivalente do resistorrp

Zeq1,Zeq2 Impedâncias equivalentes

ie_sd Eixod da corrente do alimentador no referencial síncrono bc Variável do numerador da função de transferência reduzida

do barramentoCC

ac Variável do denominador da função de transferência redu-zida do barramentoCC

ie_ld Eixod da corrente da carga no referencial síncrono ie_lq Eixoqda corrente da carga no referencial síncrono

eie_ld Componente oscilatória do eixo d da corrente da carga no

referencial síncrono

eie_lq Componente oscilatória do eixoq da corrente da carga no

referencial síncrono

i_{f q} Eixoqda corrente doFAPPno referencial síncrono

ee_{f d} Eixod do sinal de erro da malha das correntes doFAPPno

referencial síncrono

ee_{f q} Eixoqdo sinal de erro da malha das correntes doFAPPno

referencial síncrono

ve_{f d} Eixod da tensão doFAPPno referencial síncrono ve_{f q} Eixoqda tensão doFAPPno referencial síncrono i_lαβ Corrente de carga emα₋β

v_sαβ Tensão emα₋β

p Potência ativa q Potência reativa

p∗ Potência ativa de referência q∗ Potência reativa de referência q ComponenteCC da potência reativa

eisdq Termo oscilatório da correnteisdq

isq Eixoqda corrente na fonte

isq ComponenteCC corrente na fonteisq

is_sdq∗ Correntes de referência emd₋qno referencial estacionário ie_sdq∗ Correntes de referência emd₋qno referencial síncrono

θs Ângulo de saída doPLL

∆θs Incremento de ângulo na saído doPLL

vs_{f d} Eixod da tensão doFAPPno referencial estacionário vs_{f q} Eixoqda tensão doFAPPno referencial estacionário kpi Ganho proporcional do controladorDSC

kii Ganho integral do controladorDSC

ωs Frequência da rede elétrica

ωsc Banda passante do controladorDSC

ωc Banda passante do filtro passa baixa

ekp Ganho proporcional do controladorSM−PI

eki Ganho integral do controladorSM−PI

σ Superfície de deslizamento

c Constante da superfície de deslizamento ev Sinal de erro no barramentoCC

kpf s,k_if s,kslp,ksli Ganhos do controladorSM−PI

µ(ev) Função de transição do controladorDSM−PI

λ Constante da funçãoµ(ev)

bie_{f dq} Estimativa das correntes emd₋qnoFAPP

bie_{f q} ComponenteCCda estimativa da corrente noFAPPno eixo q

ebi

e

f q Componente oscilatória da estimativa da corrente noFAPP no eixoq

xe_dq Variável emd₋qno referencial síncrono xs_dq Variável emd₋qno referencial estacionário ie_{f nom} Corrente nominal doFAPPno referencial síncrono ie_flim Corrente limite doFAPPno referencial síncrono

ie_{f qlim} Eixoqda corrente limite doFAPPno referencial síncrono

∆ie_{f q} Termo utilizado para definição do limite de compensação

de potência reativa

ie_f∗_lim Corrente limite de referência do FAPP no referencial

sín-crono

Sf m Potência aparente demandada para compensação de harmô-nicos e reativos

Sf mlim Potência aparente limite doFAPP

Qf Potência reativa noFAPP

Ps Potência ativa na rede elétrica

∆Q Termo utilizado para definição do limite de compensação

Glossário de Termos

ANN Artificial Neural Network

BEBS Balanced Energy Based Schemes CA Corrente Alternada

CBA Congresso Brasileiro de Automática CC Corrente Contínua

DDT Distorção de Demanda Total T HD Total Harmonic Distortion DSC Double Sequence Controller DSM₋PI Dual Sliding-Mode - PI DSM₋PI Dual Sliding-Mode - PI DSP Digital Signal Processing

FACT S Flexible AC Transmission Systems FAP Filtro Ativo de Potência

FAPH Filtro Ativo de Potência Híbrido FAPP Filtro Ativo de Potência Paralelo FAPS Filtro Ativo de Potência Série FAPU Filtro Ativo de Potência Universal FPB Filtro Passa Baixa

FPD Fator de Potência de Deslocamento FRPC Flexible Reactive Power Compensator GA Genetic Algorithm

HEBS Harmonic Extractors Based Strategies IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IPFC Interline Power Flow Controller

LEPER Laboratório de Eletrônica de Potência e Energias Renováveis LFO Links de Fibra Ótica

PAC Ponto de Acoplamento Comum PI Proporcional Integral

PLL Phase Locked Loop

SM₋PI Sliding-Mode - PI

SOBRAEP Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência SSSC Satatic Syschronous Series Compensator STATCOM Static Synchronous Compensator

TW D TransformadaWaveletDiscreta

U FRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte U PFC Unified Power Flow Controller

Capítulo 1

Introdução

1.1 Introdução

O termo Qualidade da Energia Elétrica é definido como um conjunto de caracterís-ticas da energia disponibilizada para o usuário, que em condições normais, garantem a continuidade de fornecimento e características de forma de onda de tensão que permita o adequado funcionamento de equipamentos eletro-eletrônicos (IEC, 2000)(IEEE, 2014). Os aspectos que definem a qualidade da energia elétrica podem ser classificados em três categorias: estabilidade da tensão de alimentação, continuidade de fornecimento e forma de onda de tensão (IEC, 2000)(IEEE, 2014).

Garantir a qualidade adequada da energia elétrica significa compensar ou corrigir os possíveis desvios verificados de acordo com as características desejadas. Em relação à estabilidade da tensão devem ser compensadas sobretensões ou subtensões, afundamen-tos de tensão, cintilância, variações do defasamento entre fases e eventuais variações de frequência. No que se refere à continuidade de funcionamento devem ser corrigidas as interrupções de fornecimento de qualquer natureza (momentâneas, temporárias ou dura-douras).

O fator econômico é uma das principais razões de se investir em sistemas que garan-tam a qualidade da energia fornecida, com reflexos tanto para as concessionárias, quanto para o consumidor final. O desenvolvimento do setor industrial e os crescentes avan-ços nos processos de fabricação implicam em mais automação e, consequentemente, em equipamentos eletrônicos mais modernos, sensíveis à distúrbios na tensão de alimentação. Consumidores residenciais geralmente não sofrem perdas financeiras diretas por causa de problemas relacionados com a qualidade da energia. Porém, o crescente número de com-putadores domésticos aliado à popularização da internet é um exemplo prático de como interrupções no fornecimento de energia podem ter reflexos financeiros para esse tipo de consumidor.

O primeiro passo para melhorar a qualidade da energia fornecida é identificar e cate-gorizar o problema (desbalanceamento, harmônicos, interrupção do fornecimento, etc.). Em seguida, é preciso definir as possíveis causas das adversidades e quais seus impactos no sistema elétrico. A partir do conhecimento profundo do problema e das suas causas, é possível identificar quais soluções podem ser aplicadas e qual a mais rentável para o caso analisado.

harmônicas devem ser compensados. Excluindo-se desbalanceamentos, que podem ser corrigidos com procedimentos de operação no sistema elétrico, os problemas decorrentes de transitórios elétricos e distorções harmônicas se constituem em reais desafios para os esquemas de compensação, normalmente denominados Filtros Ativos de Potência (FAP) (AKAGI, 1994).

Distorção harmônica não é um fenômeno novo em sistemas elétricos. Na literatura já existiam trabalhos nesta direção nas décadas de 20 e 30 (IEEE, 1983). Naquela época, a saturação do núcleo magnético dos transformadores se constituía na principal fonte de harmônicos, que produziam interferências em sistemas de telefonia, aquecimento em máquinas elétricas e falha em banco de capacitores.

Atualmente, o crescente uso de eletrodomésticos baseados em dispositivos chaveados, bem como a disseminação de aplicações industriais desta tecnologia, afetam o desempe-nho do sistema elétrico em virtude das características de operação destes equipamentos. Essas cargas não-lineares injetam componentes harmônicos de alta frequência que distor-cem a forma de onda de corrente e/ou tensão, acarretando problemas relacionados com a qualidade de energia.

Por muito tempo a compensação de componentes harmônicos foi realizada por meio de filtros passivos, os quais possuem diversas topologias compostas basicamente por capa-citores, indutores e resistores. Os filtros passivos são estruturas de compensação de custo relativamente baixo, porém, possuem características construtivas como peso e tamanho elevados. Além disso, não possuem um bom desempenho na compensação de componen-tes harmônicos de baixa ordem, sendo mais adequados para mitigação de harmônicos de alta frequência (AKAGI, 2005).

A compensação de componentes harmônicos por meio de filtros baseados em conver-sores de potência tem sido crecente nos últimos anos. Apesar de possuirem custo mais elevado e maior complexidade de implementação se comparado às estruturas passivas, os filtros ativos de potência podem agregar outras funcionalidades além da compensação de harmônicos, tais como compensação de potência reativa e/ou eventuais desbalanceamen-tos no sistema elétrico (AKAGI, 2005).

No que se refere à topologia, os filtros ativos podem ser do tipo série, paralelo, a combinação de ambas as estruturas, ou a junção entre as topologias passivas e ativas (AKAGI, 1994)(SINGH; AL-HADDAD; CHANDRA, 1999)(AKAGI, 1996). Os filtros ativos paralelos são mais indicados para compensação de componentes harmônicos de corrente, enquanto que a topologia série é adequada para compensação de distorções na forma de onda da tensão.

Tanto os filtros passivos quanto ativos são projetados para resolverem problemas den-tro de uma faixa de operação especificada. Isso implica que para sistemas elétricos em que não é possível se determinar com precisão o comportamento das cargas, a compensação de componentes harmônicos pode ficar comprometida (RIBEIRO; AZEVEDO; SOUSA, 2012).

As estratégias de controle que utilizam identificação e extração de componentes harmô-nicos têm sido estudadas por diferentes autores e amplamente investigadas na literatura. Por outro lado, ainda existe a necessidade de ampliar as discussões com relação às estra-tégias sem detecção de harmônicos, de modo que possam existir condições bem definidas que permitam a escolha adequada entre a melhor solução de controle aplicada em cada caso.

Este trabalho apresenta uma análise sobre as características de compensação e parti-cularidades das estratégias de controle aplicadas às estruturas de compensação ativa que utilizam ou não métodos de extração e identificação do conteúdo harmônico, com enfoque no filtro ativo de potência paralelo (FAPP). Nesta direção, será proposta uma estratégia de controle alternativa de compensação ativa sem detecção de harmônicos com capacidade de redução do conteúdo harmônico e de desbalanceamentos nas correntes da rede elétrica, além de realizar a compensação e flexibilização da potência reativa.

1.2 Motivação

A tese está relacionada com uma série de pesquisas envolvendo técnicas de controle de filtros ativos de potência paralelos sem detecção de harmônicos que vêm sendo de-senvolvidas desde 2008 no Laboratório de Eletrônica de Potência e Energias Renováveis (LEPER) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (U FRN). Dentre as

aplica-ções do filtro ativo de potência paralelo realizadas noLEPERdestacam-se:

a) Utilização do método indireto para compensação de distorções na forma de onda das correntes da rede, compensação de desbalanceamentos e regulação do fator de potên-cia;

b) Estudo de técnicas de controle robusto que melhorem o desempenho doFAPPna

ocorrência de variações paramétricas de cargas que apresentam características aleatórias de produção de harmônicos, reativos e assimetria.

1.3 Objetivos

O objetivo geral deste trabalho é propor métodos de flexibilização da compensação de potência reativa aplicados à estratégia de controle de um filtro ativo de potência paralelo sem detecção de componentes harmônicos.

Os objetivos específicos são:

• discutir os príncípios de funcionamento das técnicas de controle com e sem detec-ção de componentes harmônicos;

• propor métodos de flexibilização da compensação de potência reativa para o fil-tro ativo paralelo sem detecção de harmônicos, de modo que a compensação não ultrapasse os limites de potência disponíveis no inversor do filtro ativo;

• implementação de um protótipo de filtro ativo de potência paralelo baseado na es-tratégia de controle sem detecção de harmônicos;

compen-sação de harmônicos, potência reativa, compencompen-sação de desbalanceamento nas cor-rentes da rede, controle da tensão no barramentoCCe flexibilização da

compensa-ção de potência reativa;

• comparar por meio de simulação computacional o desempenho da compensação obtida para os métodos de controle com e sem detecção de harmônicos.

1.4 Contribuições

Diferentemente dos esquemas de controle convencionais, o esquema utilizado neste trabalho não necessita de métodos de detecção de harmônicos. As correntes de fase são controladas indiretamente, desta forma, é possível reduzir o número de sensores utiliza-dos, uma vez que não é necessário fazer medições das correntes de compensação do filtro ativo. Dentre as contribuições deste trabalho, será apresentada uma discussão com relação aos aspectos e princípios de operação dos métodos diretos e indiretos de controle do filtro ativo de potência paralelo. Além disso, são discutidos métodos para a flexibilização da compensação de potência reativa, de modo que oFAPP baseado no balanço de potência

compense harmônicos e potência reativa dentro dos limites do inversor do filtro ativo. Re-sultados de simulação e experimentais serão utilizados para avaliar o funcionamento do método indireto no que se refere à compensação de harmônicos, potência reativa, com-pensação de desbalanceamento nas correntes da rede, controle da tensão no barramento

CC e flexibilização da compensação de potência reativa.

Na Tabela 1.1 estão listados os trabalhos produzidos a partir dos estudos realizados nesta tese.

Tabela 1.1: Trabalhos em eventos e periódicos gerados.

Evento/Periódico Título do Trabalho Autores Situação CBA Flexibilização da

Compensa-ção de Harmônicos e Reati-vos Aplicada A Filtros AtiReati-vos de Potência Sem Medição das Correntes de Carga.

R. M. Sousa, R. L. A. Ribeiro, C. C. Azevedo, J. F. Moreira

Publicado

Sobraep Enhanced Power Quality Compensation of Shunt Active Power Filters Without Harmonic Detection Sche-mes.

R. L. A. Ribeiro, R. M. Sousa, E. C. S. Júnior, T. O. A. Rocha

Aceito

1.5 Organização do Trabalho

No capítulo 2 é realizada uma fundamentação teórica na qual são definidos os índices utilizados para medição da qualidade de energia. Além disso, é feita uma introdução dos dispositivos baseados em compensação ativa utilizados para mitigar tensão e/ou corrente no ponto comum de acoplamento (PAC).

No capítulo 3 será realizada uma revisão bibliográfica das publicações relacionadas com as metodologias de controle baseadas no balanço de potência (sem detecção de harmônicos) e com extratores de harmônicos;

No capítulo 4 será realizada uma análise matemática do filtro ativo paralelo conectado a um PAC cuja interação entre as impedâncias da fonte e da carga influenciam o seu mo-delo dinâmico. Além disso, será definido o momo-delo de controle da tensão do barramento CC;

No capítulo 5 é apresentada a fundamentação teórica das principais técnicas de con-trole aplicadas aos FAPs. Será realizada uma análise comparativa destas metodologias sob o ponto de vista dos princípios de operação, compensação de componentes harmôni-cos, reativos e desbalanceamentos das correntes na rede. Detalhes teóricos com relação aos controladores utilizados nas malhas de regulação da tensão no barramento CC e das correntes da rede serão também discutidos;

No capítulo 6 serão propostos meios para permitir flexibilização da compensação de potência reativa para a metodologia baseada no balanço de potência. Será demonstrado que as técnicas propostas permitem que o FAPP compense harmônicos e reativos dentro dos limites de potência disponíveis no inversor do filtro ativo;

No capítulo 7 serão apresentados os resultados obtidos por meio de simulação digi-tal utilizando-se uma plataforma computacional implementada nosoftwarePSIM. Sobre

esses resultados são derivadas análises que possibilitam antecipar o comportamento e ca-racterísticas de compensação e desempenho da estratégia de controle proposta;

No capítulo 8 são apresentados os resultados experimentais obtidos utilizando-se um protótipo de um FAPP conectado a um PAC, no qual existe um banco de cargas, cu-jas impedâncias podem ser variadas. Dentre as condições de operação analisadas, serão realizados transitórios nas correntes da carga e na tensão do barramento CC, além de des-balanceamento das correntes de fase e compensação total e parcial da potência reativa para a estrutura de controle sem detecção de harmônicos;

Capítulo 2

Fundamentação Teórica

Neste capítulo serão apresentados alguns índices que relacionam distorção harmônica, potência reativa e qualidade de energia. Além disso, será realizada uma introdução acerca dos principais dispositivos de compensação ativa utilizados nos casos em que existam problemas relacionados com harmônicos de corrente e/ou tensão.

2.1 Medição da Qualidade de Energia

A classificação dos distúrbios que deterioram a qualidade da energia é o primeiro passo para proposição de soluções e mitigação de eventuais perturbações. Dentre os pro-blemas de qualidade de energia (IEEE, 2009), podem-se destacar:

• Transitórios: dependendo da duração, os transitórios podem ser impulsivos ou os-cilatórios. O primeiro é caracterizado por um tempo de subida de cerca de 1,2µs

seguido de um decaimento de aproximadamente 50µs;

• Sobretensão momentânea (voltage swell): corresponde a um aumento no valor

efi-caz da tensão, de curta duração (0,5 até 30 ciclos), assumindo valores entre 1,1 até 1,8 pu;

• Subtensão momentânea (voltage sag): corresponde a um decréscimo de 0,1 a 0,9

pu no valor eficaz nos níveis de tensão com uma duração de meio ciclo a 1 min; • Sobretensão: é um aumento no valor eficaz da tensão na frequência de operação por

um tempo prolongado (acima de 1,0 min), assumindo valores de 1,1 até 1,2 pu; • Subtensão: é uma diminuição no valor eficaz da tensão na frequência de operação

por um tempo prolongado (acima de 1,0 min), assumindo valores entre 0,8 até 0,9 pu;

2.1.1 Valor Eficaz e Distorção Harmônica Total (Total Harmonic

Dis-tortion -

T HD

) de uma Forma de Onda Não-Senoidal

Considerando uma correnteis(t), composta por uma componente na frequência fun-damentalis1(t)e outra parcela correspondente aos harmônicosih(t), tem-se que:

is(t) =is1(t) +ih(t). (2.1)

O valor eficaz ou rms (do inglêsroot mean square) da corrente é calculado por (MOHAN,

2012):

Is=

v u u u t1 T T Z 0

[is(t)]2dt. (2.2)

A partir da Equação 2.1, tem-se que:

is(t)2=is1(t)2+2is1(t)ih(t) +ih(t)2. (2.3)

Por definição, o produto cruzado de duas funções periódicas de frequências distintas é nulo (inclusive na frequência da fundamental), sendo assim:

T

Z

0

fh1(t)·fh2(t)dt=0, h16=h2. (2.4)

Logo, o valor rms de uma forma de onda com componentes harmônicos é calculada a partir das Equações 2.2 e Equação 2.3 (MOHAN, 2012):

Is =

v u u u t1 T T Z 0

is1(t)2dt+ 1

T

T

Z

0

ih(t)2dt. (2.5)

Portanto, o valor rms de uma forma de onda com conteúdo harmônico é dado por:

Is=

q

I_s2₁+I_h2, (2.6)

no qual o valor rms na frequência fundamental e do conteúdo harmônico é calculado por:

Is1=

v u u u t1 T T Z 0

[is1(t)]2dt, (2.7)

Ih=

v u u u t1 T T Z 0

A partir dos valores rms obtidos nas Equações 2.7 e Equação 2.8, defini-se um índice de distorção harmônica total na corrente como sendo (MOHAN, 2012):

%T HD=100_· Ih

Is1

. (2.9)

Substituindo a Equação 2.6 na Equação 2.9:

%T HD=100_· q

I_s2₋I_s2₁

Is1

. (2.10)

A partir de uma análise similar, a distorção harmônica para uma forma de onda de tensão com conteúdo harmônico pode ser calculada por (MOHAN, 2012):

%T HD=100_· q

V_s2₋V_s2₁

Vs1

. (2.11)

A THD (Equação 2.11) é o principal índice de quantificação das distorções nas formas de onda (IEC, 2000)(IEEE, 2014). Existem normas específicas que padronizam níveis aceitáveis de distorção harmônica para diferentes tipos de cargas (ver apêndice B).

2.1.2 Fator de Potência

Considerando uma fonte de tensão puramente senoidal com frequência angular igual aω₁, tem-se a seguinte tensão de saída:

vs1(t) =

√

2Vssen(ω1t), (2.12) no qualVscorresponde ao valor rms da tensãovs. Logo, a potência média por definição é:

P= 1

T

Z T

0 p(t)dt =

1

T

Z T

0 vs1(t)is(t)dt, (2.13)

no qual a correnteisé composta pela fundamental e harmônicos (Equação 2.1).

A partir da suposição feita na Equação 2.4, a Equação 2.13 pode ser escrita em termos da componente de frequência fundamental:

P= 1

T

Z T

0 vs1(t)is1(t)dt. (2.14)

Logo, a potência ativa para uma carga não-linear com distorções harmônicas de cor-rente é dada por:

P=VsIs1cos(φ1), (2.15)

no qual φ₁ é o ângulo entre a correnteis1 na frequência fundamental e a tensão da fonte

vs. ODPF (Displacement Power Factor) é definido como:

No caso de uma carga linear, sem distorções na forma de onda, o fator de potência (FP) é definido como segue:

FP= P

VsIs

. (2.17)

Substituindo a Equação 2.15 na Equação 2.17 (MOHAN, 2012):

FP= Is1

Is

cos(φ₁). (2.18)

Logo, da Equação 2.16, o fator de potência em condições de distorção harmônica pode ser escrito como:

FP=

Is1

Is

·DPF. (2.19)

A razão Is1

Is

pode ser determinada em termos da T HD a partir da Equação 2.10

(MOHAN, 2012):

Is1

Is

= q 1

1+ %T HD

100

2. (2.20)

Substituindo a Equação 2.20 na Equação 2.19 tem-se o fator de potência em termos da distorção harmônica total (MOHAN, 2012):

FP= 

_q 1

1+ %T HD₁₀₀ 2 

_·DPF. (2.21)

2.2 FACTS -

Flexible AC Transmission Systems

O termo FACTS foi introduzido por Hingorani, a partir do ano de 1988 (HINGO-RANI, 1988)(HINGO(HINGO-RANI, 1993)(HINGO(HINGO-RANI, 1991). Dentre as aplicações básicas, podem-se destacar:

• mitigação dos harmônicos; • controle do fluxo de potência;

• aumento da capacidade de transmissão; • controle da tensão;

• compensação da potência reativa; • melhoria da estabilidade;

• aumento da qualidade da energia;

• mitigação do fenômeno conhecido comoflicker (oscilações na tensão);

Os FACTS são dispositivos baseados em eletrônica de potência e têm o objetivo de minimizar os efeitos de distúrbios elétricos na linha de transmissão, consequentemente, aumentando a robustez do sistema elétrico. Os FACTS podem ser subdivididos em:

• Static Synchronous Series CompensatorSSSC (conexão em série);

• Static synchronous CompensatorSTATCOM (conexão em paralelo);

• Interline Power Flow ControllerIPFC (Combinação série-série);

• Unified Power Flow Controller UPFC (combinação série-paralelo).

Quando se trata de problemas relacionados com distorções na forma de onda de cor-rente e/ou tensão, os FACTS são abordados na literatura com a denominação de Filtros Ativos de Potência (AKAGI, 1994)(SINGH; AL-HADDAD; CHANDRA, 1999).

2.3 Filtro Ativo Paralelo

O filtro ativo de potência paralelo é utilizado principalmente para compensação de componentes harmônicos de corrente gerados por cargas não-lineares (AKAGI, 1996)(SINGH; AL-HADDAD; CHANDRA, 1999). Neste caso, o FAPP é conectado em um ponto de acoplamento comum de cargas produtoras de distorção harmônica. Na Figura 2.1 apresenta-se o diagrama unifilar de uma configuração básica desse tipo de filtro. O FAPP é basicamente composto por um inversor fonte de tensão (ou do inglês Voltage Source Inverter - VSI) conectado ao PACpor meio de indutores de acoplamento, representados

na Figura 2.1 pela impedância Zf. A fonte de tensão (Vsk) alimenta a carga não-linear, na qualZs eZlrepresentam a impedância do barramento de corrente alternada (CA) e da carga não-linear, respectivamente.

I

-

v

-I

+

-+

Z

Z

Z

C

I

Filtro Paralelo

-Carga não-linear

PAC

v

Figura 2.1: Configuração básica de filtro ativo de potência paralelo

O FAPP é responsável por gerar a correnteIf k, que é composta pelos componentes harmônicos que se deseja compensar. Essa corrente é injetada no ponto de acoplamento, de tal forma que ao subtrair a correnteIf k deIlk, resulta numa correnteIsk que em condi-ções de compensação ideal possui apenas a componente fundamental.

a compensação, seja possível observar corrente e tensão em fase, tal qual acontece para uma carga resistiva.

Quanto às estratégias de controle, existem algumas técnicas consolidadas na lite-ratura (AKAGI, 1994). Neste trabalho será proposta uma estratégia de controle não-convencional para o FAPP capaz de compensar componentes harmônicos, potência rea-tiva e desbalanceamento.

2.4 Filtro Ativo Série

Quando se trata da compensação ativa de componentes harmônicos de tensão, o filtro ativo de potência série (FAPS) é a topologia mais adequada (AKAGI, 1996). Na Figura 2.2 apresenta-se uma configuração básica de um filtro ativo série em um sistema trifásico. Neste caso, o VSI é conectado ao sistema por meio de um transformador, instalado entre a fonte e a carga não-linear.

I

+

-v

+

-Z

Z

I

v

-C

Filtro Série +

-Z

I

PAC

v

Carga não-linear

I

=

-Figura 2.2: Configuração básica de filtro ativo de potência série.

O FAPS é responsável por sintetizar a tensão vFAk na saída do transformador, de tal forma que a soma das tensões da malha resulte em uma tensão de saídaVPAC senoidal.

Neste caso, as correntes de compensação e da carga passam diretamente nos enro-lamentos do transformador de acoplamento, que precisa ser preparado para suportar os níveis de corrente. Esse efeito pode ser reduzido a partir da escolha adequada do número de espiras utilizado no transformador de acoplamento.

Os filtros ativos série são também capazes de compensar componentes harmônicos de corrente. No entanto, esses filtros são utilizados largamente para solucionar problemas na tensão, no ponto em que as cargas são acopladas.

2.5 Filtro Ativo Híbrido

2.3 (a) é composta por um filtro ativo de potência série e um filtro passivo conectado em paralelo com o FAPS. Na Figura 2.3 (b) pode ser observada a topologia de um FAPP em paralelo com um filtro passivo.

I

+

-v

+

-Z

Z

I

v

-Filtro Passivo Paralelo C VSI Filtro Série -Carga não-linear PAC

v

-Z

I

f k

I_sk +

-

v

-I_{f k}

+ -+

Z

Z

Z

I

v

v

(a)

(b)

Figura 2.3: Configurações de filtros ativos de potência híbridos: (a) Combinação filtro ativo série e filtro passivo paralelo; (b) Configuração de filtro ativo paralelo e filtro passivo paralelo.

Existem diversas topologias de filtros híbridos (PENG, 2001). A junção de filtros ativos e passivos também tem objetivos diversos. Em todos os casos, a a regra geral é que o filtro híbrido utiliza as vantagens dos filtros ativos e passivos.

2.6 Filtro Ativo Universal

I

-

-v

+

-Z

Z

I

v

-Filtro Paralelo

I

-Z

Filtro Série

I

-Z

Carga não-linear

PAC

v

Capítulo 3

Estado da Arte

A compensação ativa de componentes harmônicos de corrente oriundos de cargas não-lineares é usualmente realizada por meio de filtros ativos de potência paralelos. Para tanto, os FAPPs são conectados em pontos de acoplamento comuns, de modo que possam injetar correntes de compensação a fim de reduzir os níveis de distorção harmônica para limites aceitáveis.

Com relação às estratégias de controle utilizadas na compensação ativa, existem diver-sos esquemas de compensação que são usualmente classificados quanto a sua abordagem no domínio do tempo ou frequência (GRADY; SAMOTYJ; NOYOLA, 1990)(AKAGI, 1996). Neste capítulo, estes esquemas serão classificados quanto ao método de geração das correntes de referência, que pode ser baseado na extração de harmônicos ou pelo balanço de potência do sistema.

A eficácia da compensação das distorções nas formas de onda de corrente depende da metodologia utilizada. No caso das estratégias com detecção de harmônicos, o de-sempenho depende da precisão e velocidade da detecção. Já para as estruturas baseadas no balanço de potência, a qualidade da compensação depende da velocidade com que o sistema entra em equilíbrio.

Neste capítulo será apresentado um levantamento do estado da arte das principais es-tratégias de regulação do FAPP baseadas na detecção e extração do conteúdo harmônico, assim como as técnicas sem detecção. Além disso, será feita uma análise do ponto de vista dos objetivos de compensação (harmônicos, potência reativa, desbalanceamento e regu-lação da tensão no PAC) e da capacidade de atender totalmente ou apenas parte desses objetivos de acordo com a potência disponível no FAPP.

3.1 Revisão Bibliográfica

e as recomendações sobre a qualidade da energia elétrica, tais como: IEC 61000-3-2 (IEC, 2000) ou IEEE 519 (IEEE, 2014) estão mais restritos, o que tem estimulado o uso de técnicas de compensação ativa (AKAGI, 1994)(SINGH; AL-HADDAD; CHANDRA, 1999).

A compensação ativa é normalmente alcançada com a ajuda de conversores cha-veados conectados com a rede elétrica, como filtros ativos de potência. Tradicional-mente, os filtros ativos de potência podem ser divididos em série e em paralelo (AKAGI, 1994)(SINGH; AL-HADDAD; CHANDRA, 1999)(AKAGI, 1996). Convencionalmente, os filtros de topologia série são mais adequados para compensação de distorções na forma de onda de tensão (sobretensões ou subtensões, afundamentos de tensão, cintilân-cia, etc.)(AKAGI, 1994)(SINGH; AL-HADDAD; CHANDRA, 1999)(AKAGI, 1996). Já os filtros paralelos são mais indicados na compensação de distorções nas formas de onda de corrente (PENG; AKAGI; NABAE, 1993)(AKAGI, 1997)(VERDELHO; MARQUES, 1997). De uma forma geral, essa definição depende basicamente do tipo de compensação requerida e do local no qual o filtro ativo deve ser instalado.

Do ponto de vista do local de instalação, estudos têm demonstrado que as cargas que produzem harmônicos podem ser classificadas em identificadas e não-identificadas (AKAGI, 1996). As identificadas referem-se à cargas importantes, eletro-intensivas, quase sempre integrantes de grandes complexos industriais. As cargas não-identificadas corres-pondem à composição de vários tipos de consumidores, utilizando sistemas monofásicos ou trifásicos, conectados no mesmo PAC. Os PACs têm se constituído em reais desafios para os esquemas de compensação. Atualmente, o dimensionamento e a escolha dos es-quemas de compensação a serem instalados, são normalmente determinados com base em dados estatísticos (MORAN; MAHOMAR; DIXON, 2002).

Nos últimos anos, vários trabalhos que tratam do estudo dos filtros ativos de potência e suas aplicações têm sido propostas (GRADY; SAMOTYJ; NOYOLA, 1990). O estágio evolutivo e as tendências da compensação ativa na década de 90 foram abordados nos trabalhos de Akagi (AKAGI, 1994)(AKAGI, 1996). Akagi (1997) discutiu sobre a utili-zação do filtro ativo como sistema de amortecimento de oscilações em sistemas elétricos. Neste caso, o FAPS se comporta como um resistor de terminação, atenuando oscilações no sistema elétrico. Para tanto, a estratégia de controle proposta pelo autor utiliza um controlador proporcional que gera as tensões de referência para o filtro ativo, de modo que o ganho proporcional é calculado em função da impedância do sistema elétrico. O problema desta estratégia está nos casos em que não seja possível obter com precisão o valor desta impedância, visto que a estabilidade do método de controle proposto está relacionada com o valor do ganho proporcional utilizado, que por sua vez, depende da impedância equivalente da rede elétrica. Além disso, o autor analisou qual seria o melhor local para instalação do FAP do ponto de vista do amortecimento obtido, sendo os melho-res índices alcançados no caso em que o filtro ativo é conectado no final da linha primária do alimentador.

foram estudadas e revisadas por Peng (2001). Senini e Wolfs (2002) descreveram um processo para identificar topologias de filtros híbridos e características genéricas. Além disso, foram apresentadas topologias derivadas de modificações nas conexões dos ele-mentos passivos e ativos. Estudos desenvolvidos com esse tipo de configuração de filtro foram apresentados também por Peng (2001) e Akagi (2000).

A combinação entre um filtro ativo série e um filtro ativo paralelo compõe uma es-trutura denominada filtro universal (KAMRAN; HABETLER, 1998)(AREDES; HEU-MANN; WATANABE, 1998). Neste caso, o barramento CC é compartilhado entre as duas estruturas de filtro ativo paralelo e série. De modo geral, o filtro ativo universal une as características dos filtros ativos de potência série e paralelo, permitindo a compensação simultânea de harmônicos de tensão e de corrente. Dependendo de qual parte do filtro se responsabiliza pelo controle da tensão do barramento CC, estas funções podem ser permutadas.

Quanto ao comportamento dos filtros ativos em condições de desbalanceamento, al-guns trabalhos propuseram análises e métodos para esses casos (SINGH; VERMA, 2008a). Os esquemas de controle aplicados na regulação dos filtros ativos em sistemas trifásicos desbalanceados também foram introduzidos (JACOBINA et al., 1999a)(JACOBINA et al., 1999b).

No que diz respeito às estrategias de controle e ao modo de operação dos FAPs, o método utilizado depende de como as referência são geradas para a malha de regulação das correntes. Neste trabalho, as estratégias de controle serão caracterizadas em função do método de geração das referências, que pode ou não utilizar identificação do conteúdo harmônico.

3.1.1 Métodos com Extração de Componentes Harmônicos

Os esquemas de controle convencionais para os FAPPs são baseados na extração do conteúdo harmônico (Harmonic Extractors Based Strategies - HEBS). Desta forma, sua

eficiência depende do quão rápido e preciso os componentes harmônicos das cargas não-lineares são identificados (BHATTACHARYA; CHAKRABORTY, 2011). Extratores de componentes harmônicos usados em HEBS podem ser implementados usando diferentes abordagens.

Bhattacharya et al. (1998) apresentam uma aplicação prática de um filtro ativo utili-zado para mitigar os harmônicos produzidos por um sistema de refrigeração. Neste caso, foi utilizado um filtro híbrido, composto por um filtro ativo paralelo de 130 kVA e um filtro passivo utilizado para redução dos harmônicos decorrentes do processo de chave-amento do conversor. A técnica de controle utilizada foi baseada no sistema d₋q e a

extração de harmônicos foi viabilizada com o uso de filtros passa-alta. O controle da ten-são do barramento CC foi realizado por meio de um regulador PI (Proporcional Integral) convencional. Enquanto que na malha de controle das correntes do filtro, empregou-se um regulador do tipo preditivo. Nos resultados experimentais apresentados pelos autores, a THD foi reduzida de 26,8% para 4,1%. Porém, os autores não apresentaram estudos comparativos entre a estratégia proposta e métodos convencionais de compensação de harmônicos.

e potência reativa. Além disso, os autores expandiram essa teoria para os casos em que ocorram distorções e desbalanceamento de sistemas trifásicos de três e quatro fios. Resul-tados experimentais e de simulação foram apresenResul-tados pelos autores para demonstrar o método proposto. De modo geral, a teoria p₋qutilizada pelos autores é de

implementa-ção simples e possui desempenho satisfatório em regime permanente, porém, é necessário um grande número de sensores para medição das correntes da carga e do filtro, além das tensões nos pontos de acoplamento e a tensão no barramento CC.

Karimi et al. (2003) apresentaram um método de extração de componentes harmôni-cos baseado em filtragem adaptativa. Os autores realizaram uma formulação matemática e uma análise de estabilidade do filtro adaptativo proposto. Resultados de simulação para a estrutura proposta com um FAPP monofásico foram apresentados. Segundo os resul-tados obtidos, o filtro adaptativo obteve um bom desempenho em diferentes condições de operação e na presença de distúrbios, porém, os autores não apresentaram resultados experimentais para o método proposto.

Forghani e Afsharnia (2007) utilizaram um algoritmo baseado na transformada wave-letdiscreta (TWD) para extração da componente fundamental das correntes de uma carga

não-linear com distorção harmônica. A técnica proposta pelos autores foi aplicada em um sistema de controle de um filtro ativo universal. Os resultados foram validados pelo pro-grama de simulação Matlab/Simulink. O algoritmo proposto foi testado em condições de desbalanceamento, variações de frequência e distorções nas formas de onda de corrente e tensão. Segundo os autores, o método proposto obteve resposta rápida em comparação com a estratégia que baseia-se na transformada rápida de Fourier.

Kumar e Mahajan (2009) apresentaram um estudo comparativo de algoritmos basea-dos em lógica fuzzy, redes neurais e algoritmos genéticos (Genetic Algorithm - GA). Tais algoritmos têm como característica não necessitarem de modelos matemáticos para seus projetos e implementações. Porém, nestes casos é difícil se obter condições bem definidas de estabilidade, já que a implementação do algoritmo de controle é baseada no conheci-mento das características e condições de operação do sistema. Resultados de simulação foram utilizados pelos autores para demonstrar a funcionalidade dos métodos propostos. O uso de redes neurais artificiais (Artificial Neural Network - ANN) em filtros ativos de potência paralelos também foi discutido por Bhattacharya, Chakraborty e Bhattacharya (2009).

Bhattacharya e Chakraborty (2011) propuseram uma estrutura de controle baseada na integração de técnicas preditivas e adaptativas. Para tanto, as correntes da carga não-linear trifásica são mensuradas e as correntes de compensação de harmônicos e potência reativa geradas pelo FAPP são estimadas pelo algoritimo proposto a partir de transitórios de carga detectados por meio da tensão no barramento CC. Os autores apresentaram resultados de simulação e experimentais para a estrutura proposta. Porém, não foram realizados estudos comparativos entre o método proposto e outras técnicas similares, além disso, não foram apresentados resultados para o controle da tensão no barramento CC e compensação de potência reativa.

Foram realizadas análises em regime permanente, transitórios de carga e variações de frequência a fim de validar o método proposto. Porém, os autores não realizaram estudos comparativos entre o método proposto e outras técnicas similares.

3.1.2 Métodos sem Detecção de Componentes Harmônicos

O FAPP também pode ser implementado sem o uso de extratores de harmônicos. Neste caso, a compensação dos componentes harmônicos é obtida pelo balanço de potên-cia do sistema (WU; JOU, 1996)(NUNEZ-ZUNIGA; POMILIO, 2002)(RIBEIRO; AZE-VEDO; SOUSA, 2012)(CHEN; LUO; CHEN, 2012)(TRINH; LEE, 2013). Estes siste-mas podem ser considerados como esquesiste-mas baseados no balanço de energia (Balanced Energy Based Schemes - BEBS) e seu desempenho depende de quão rápido o sistema

alcança o estado de equilíbrio (RIBEIRO; AZEVEDO; SOUSA, 2012).

O primeiro trabalho com controle de um FAPP a partir das correntes da rede (BEBS) foi apresentado por Wu e Jou (1996). As correntes de referência do sistema de controle de um FAPP monofásico foram geradas a partir do balanço de potência do sistema. Neste caso, não é necessário realizar medições das corrente da carga, de modo que o número de sensores de corrente utilizados pode ser reduzido. O controle da tensão no barramento CC foi feito a partir de um controlador PI convencional, que apresentou um desempe-nho satisfatório em regime permanente, porém, durante os transitórios de carga foram observadas flutuações na tensão do barramento CC ocasionadas pelo balanço de potência. Dixon, Contardo e Moran (1997) propuseram um sistema de controle para um FAPP trifásico no qual apenas as correntes do barramento CA eram medidas. A tensão no bar-ramento CC foi controlada por meio de um regulador baseado em lógica Fuzzy. Nos

resultados apresentados pelos autores observa-se que a ocorrência de sub e sobretensões durante transitórios de carga comprometem a dinâmica do controle da tensão no barra-mento CC. Este comportabarra-mento também pode ser observado nos resultados apresentados por Wu e Jou (1996).

Singh, Chandra e Al-Haddad (1998) compararam duas estratégias de controle, uma baseada na metodologia HEBS, denominada pelos autores de controle direto, e outra baseada no balanço de potência (BEBS), na qual os autores utilizam o termo controle indireto. Os autores utilizaram a taxa de distorção harmônica total como índice de com-paração entre as estratégias de controle. Segundo a análise realizada, a estratégia indireta obteve melhores resultados, além de um desempenho superior durante transitórios. O tempo de processamento também foi menor para estratégia indireta, já que não é neces-sária a implementação de filtros digitais para detecção dos harmônicos.

Nunez-Zuniga e Pomilio (2002) também trabalharam em uma estrutura de controle in-direta que sintetiza uma carga resistiva para aumento do fator de potência e compensação de componentes harmônicos. O controle indireto de corrente utilizado gera correntes de referência senoidais de modo que a compensação de harmônicos e do fator de potência se-jam garantidas. Um PLL (Phase-Locked-Loop) é utilizado para garantir que as correntes