Controle Adaptativo Robusto para Filtros Ativos de Potência Paralelo

(1)

UNIVERSIDADEFEDERALDO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DEPÓS-GRADUAÇÃO EMENGENHARIAELÉTRICA

Controle Adaptativo Robusto para Filtros

Ativos de Potência Paralelo

Christian Cesar de Azevedo

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Lúcio de Araújo Ribeiro

Tese de Doutorado apresentada ao

Pro-grama de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFRN(área de concentração: Automação e Sistemas) como parte dos re-quisitos para obtenção do título de Doutor em Ciências.

(2)

Azevedo, Christian Cesar.

Controle Adaptativo Robusto para Filtros Ativos de Potência Paralelo / Chris-tian Cesar de Azevedo - Natal, RN, 2011

224 p.

Orientador: Ricardo Lúcio de Araújo Ribeiro

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica.

1. Redação técnica - Tese. 2. LA_{TEX- Tese. I. Azevedo, Christian Cesar de. II.}

Ribeiro, Ricardo Lúcio de Araújo. III. Controle Adaptativo Robusto para Filtros Ativos de Potência Paralelo.

(3)

Ativos de Potência Paralelos

Christian Cesar de Azevedo

Tese de Doutorado aprovada em 04 de novembro de 2011 pela banca examinadora com-posta pelos seguintes membros:

Prof. Dr. Ricardo Lúcio de Araújo Ribeiro (orientador) . . . DCA/UFRN

Prof. Dr. Ing. Cursino Brandão Jacobina . . . DEE/UFCG

Prof. Dr. Marcelo Cabral Cavalcanti . . . DEE/UFPE

(4)

(5)

Ao meu orientador, professor Ricardo Lúcio de Araújo Ribeiro, pela dedicada orientação e ajuda ao longo dessa jornada.

Ao professor Cursino Brandão Jacobina pela ajuda e conselhos desde a época de iniciação científica e mestrado.

Ao professor Marcelo Cabral pela excelente revisão realizada no texto dessa tese.

Ao professor Andrés Ortiz pela contribuição técnica a esse trabalho.

Aos amigos do LEPER, em especial a Raphaell Sousa pela dedicação e companheirismo.

(6)

As estratégias de controle convencionais de filtros ativos de potência paralelos (SAPF

-Shunt Active Power Filters) empregam esquemas de detecção de harmônicos em tempo

real, usualmente implementados com filtros digitais. Isso pode resultar em altos cus-tos devido o aumento no número de sensores na estrutura do filtro. Além disso, esses esquemas de detecção introduzem atrasos que podem deteriorar o desempenho da com-pensação de harmônicos. Diferentemente dos esquemas de controle convencionais, este trabalho propõe uma nova estratégia de controle que regula indiretamente as correntes de fase da rede elétrica. As correntes de referência do sistema são geradas pelo controle de tensão do barramento CC e são baseadas no balanço de potência ativa do sistema SAPF. As correntes de referência são alinhadas com o ângulo de fase do vetor tensão da rede, que é obtido usando um PLL (Phase Locked Loop). O controle de corrente é implementado por uma estratégia de controle adaptativo por alocação de pólos, integrada com um

es-quema de controle com estrutura variável (VS-APPC:Variable Structure - Adaptive Pole

Placement Control). No VS-APPC, o princípio do modelo interno (IMP- Internal Model

Principle) de referência é usado para eliminar o erro em regime permanente das correntes de fase do sistema. Isso força as correntes de fase do sistema a serem senoidais e com baixo teor de harmônicos. Além disso, os controladores de corrente são implementados no referencial estacionário para evitar transformações nas coordenadas de referência do vetor tensão da rede. Esta estratégia de controle de corrente melhora a performance do SAPF com uma resposta transitória rápida e robusto a incertezas paramétricas. Resul-tados experimentais são apresenResul-tados para demonstrar a eficácia do sistema de controle proposto para o SAPF.

(7)

Conventional control strategies used in shunt active power filters (SAPF) employs real-time instantaneous harmonic detection schemes which is usually implements with digital filters. This increase the number of current sensors on the filter structure which re-sults in high costs. Furthermore, these detection schemes introduce time delays which can deteriorate the harmonic compensation performance. Differently from the conventional control schemes, this paper proposes a non-standard control strategy which indirectly regulates the phase currents of the power mains. The reference currents of system are generated by the dc-link voltage controller and is based on the active power balance of SAPF system. The reference currents are aligned to the phase angle of the power mains voltage vector which is obtained by using a dq phase locked loop (PLL) system. The current control strategy is implemented by an adaptive pole placement control strategy integrated to a variable structure control scheme (VS-APPC). In the VS-APPC, the in-ternal model principle (IMP) of reference currents is used for achieving the zero steady state tracking error of the power system currents. This forces the phase current of the system mains to be sinusoidal with low harmonics content. Moreover, the current con-trollers are implemented on the stationary reference frame to avoid transformations to the mains voltage vector reference coordinates. This proposed current control strategy en-hance the performance of SAPF with fast transient response and robustness to parame-tric uncertainties. Experimental results are showing for determining the effectiveness of SAPF proposed control system.

(8)

Sumário i

Lista de Figuras v

Lista de Tabelas xii

Lista de Símbolos e Abreviaturas xiv

1 Introdução 1

1.1 Normas Relacionadas aos Harmônicos . . . 3

1.1.1 IEEE Std 519-1992 . . . 3

1.1.2 EN 50160 . . . 4

1.1.3 IEC 61000 . . . 6

1.1.4 Normas Nacionais . . . 7

1.2 Filtros Passivos . . . 9

1.3 Filtros Ativos . . . 11

1.3.1 Filtro ativo paralelo . . . 12

1.3.2 Filtro ativo série . . . 13

1.3.3 Filtro ativo híbrido . . . 14

1.3.4 Filtro ativo unificado . . . 16

1.4 Estado da Arte . . . 17

1.5 Objetivos . . . 19

1.6 Organização da Tese . . . 19

2 Descrição e Modelagem do Filtro Ativo Paralelo 21 2.1 Descrição do SAPF . . . 21

2.2 Modelagem do SAPF . . . 23

2.3 Aplicação dos SAPFs . . . 30

2.3.1 Cargas tipo fonte de corrente . . . 31

2.3.2 Cargas tipo fonte de tensão . . . 34

(9)

3 Projeto do Circuito de Potência 37

3.1 Potência Nominal do Conversor de Potência . . . 37

3.2 Projeto dos Componentes Passivos . . . 39

3.2.1 Projeto do capacitor do barramento CC . . . 39

3.2.2 Projeto do indutor de entrada do filtro . . . 43

3.3 Conclusão . . . 45

4 Estratégias de Controle 46 4.1 Geração de correntes de referência . . . 47

4.1.1 Geração de corrente para o controlador SRF . . . 47

4.1.2 Geração de corrente para o controlador IPT . . . 54

4.1.3 Controle Indireto de Corrente . . . 56

4.2 Controlador de Corrente . . . 61

4.2.1 Controlador PI de corrente . . . 61

4.2.2 Controlador de corrente por histerese . . . 62

4.2.3 Controlador de corrente de dupla sequência . . . 63

4.2.4 Controlador de corrente VS-APPC . . . 66

4.2.5 Projeto do Controlador de Corrente . . . 69

4.3 Controlador de Tensão do Barramento CC . . . 72

4.3.1 Critério de projeto para o controlador do barramento CC . . . 74

4.3.2 Controle Indireto com Feed-Forward . . . 74

4.4 Conclusão . . . 76

5 Resultados de Simulação 78 5.1 Projeto dos componentes . . . 79

5.2 Desempenho com carga não-linear . . . 81

5.3 Desempenho com carga desbalanceada . . . 94

5.4 Desempenho com tensões da rede desbalanceadas . . . 108

5.5 Desempenho com variação de carga . . . 121

5.6 Desempenho com variação da rede e filtro . . . 129

5.7 Partida doSAPF . . . 132

5.8 Desempenho do controle indireto com feed-forward . . . 146

(10)

6.2 Controle Indireto comV S₋APPC . . . 152

6.2.1 Partida suave do SAPF . . . 152

6.2.2 Desempenho doSAPF com carga não-linear balanceada . . . 153

6.2.3 Desempenho em regime permanente doSAPFcom compensação de harmônicos, correção do FP e balanceamento da carga . . . 154

6.2.4 Desempenho doV S₋APPCcom variação de carga . . . 157

6.2.5 Desempenho doSAPF com tensões de alimentação desbalanceadas161 6.2.6 Adaptação doV S₋APPCcom variação de parâmetros . . . 161

6.3 Controle indireto com Feed-forward . . . 165

6.4 Conclusão . . . 168

7 Conclusões e Trabalhos Futuros 170 7.1 Conclusões Gerais . . . 170

7.2 Perspectivas de Trabalhos Futuros . . . 172

Referências bibliográficas 173 A Modelo do Capacitor 183 B Fotos da Montagem 185 C Harmônicos 187 C.1 Análise dos Harmônicos . . . 189

C.2 Fontes de Harmônicos . . . 191

C.2.1 Retificador monofásico . . . 191

C.2.2 Motores universais . . . 192

C.2.3 Dispositivos a arco voltaico . . . 194

C.2.4 Cargas não-lineares . . . 194

C.3 Efeitos dos Harmônicos . . . 195

C.3.1 Ressonância . . . 195

C.3.2 Perdas em motores elétricos . . . 197

C.3.3 Perdas em transformadores . . . 197

C.3.4 Sobrecarga no neutro . . . 197

(11)

D.1 Condições senoidais . . . 199

D.2 Condições Não-senoidais . . . 201

D.2.1 Teoria de potência de Budeanu . . . 201

D.2.2 Teoria de potência de Fryze . . . 204

(12)

1.1 (a) Filtro de sintonia simples, (b) Diagrama de Bode da impedância. . . . 10

1.2 (a) Filtro passa-alta, (b) Diagrama de Bode da impedância. . . 10

1.3 (a) Filtro combinado, (b) Diagrama de Bode da impedância. . . 11

1.4 Filtro ativo paralelo . . . 12

1.5 Filtro ativo série . . . 14

1.6 Filtro ativo híbrido paralelo . . . 15

1.7 Filtro Ativo híbrido: Filtro ativo série + Filtro passivo paralelo . . . 16

1.8 Filtro ativo unificado . . . 17

2.1 (a) SAPF utilizando VSI (b) SAPF utilizando CSI. . . 22

2.2 Filtro ativo paralelo trifásico. . . 22

2.3 Circuito equivalente do filtro ativo de potência paraZs=0 eZl→∞. . . . 23

2.4 Circuito equivalente do filtro ativo de potência paraZl→∞. . . 24

2.5 Circuito equivalente do filtro ativo de potência paraZs=0. . . 25

2.6 Circuito equivalente do filtro ativo de potência. . . 26

2.7 Filtro ativo paralelo com carga tipo fonte de corrente. . . 31

2.8 Filtro ativo paralelo com carga tipo fonte de tensão. . . 34

3.1 Circuito equivalente monofásico do SAPF. . . 40

4.1 Diagrama de controle doSAPF. . . 47

4.2 (a) Compensação de harmônicos, (b) Compensação de harmônicos e potên-cia reativa. . . 51

4.3 Controlador SRF para compensação de harmônicos. . . 52

4.4 Controlador SRF para compensação de harmônicos e fator de potência. . 53

4.5 Potências instantâneas em um filtro ativo paralelo trifásico: (a) com com-pensação de harmônicos, (b) com comcom-pensação de harmônicos e potência reativa. . . 54

4.6 Controlador IPT para compensação de harmônicos. . . 55

4.7 Controlador IPT para compensação de harmônicos e fator de potência. . . 56

(13)

4.9 Diagrama de blocos do controlador indireto. . . 59

4.10 Controlador de corrente PI para o SAPF. . . 61

4.11 Controle de corrente por histerese para a fase 1. . . 63

4.12 Diagrama de blocos do controle de corrente por histere. . . 64

4.13 Controlador de corrente de dupla sequência. . . 64

4.14 Diagrama de blocos do controlador de correnteV S₋APPCproposto. . . 70

4.15 Diagrama de blocos da malha de controle de corrente. . . 70

4.16 Diagrama de blocos da malha de controle de tensão do barramento CC. . 73

4.17 Diagrama de blocos doSAPF com controlador feed-forward. . . 76

5.1 Desempenho doSAPF com carga não-linear utilizando caso 1. . . 82

5.11 Espectro de frequência da tensão no PCC para o caso 5. . . 94

5.12 Carga não-linear desbalanceada. . . 95

5.13 (a) Correntes nas fases; (b) Espectro de frequência das correntes; (c) Potência ativa instantânea na carga; (d) Potência reativa instantânea na carga. . . 95

5.14 Desempenho do SAPF com carga não-linear desbalanceada utilizando caso 1. . . 97

(14)

5.20 Desempenho do SAPF com carga não-linear desbalanceada utilizando

caso 7. . . 103

5.24 Carga não-linear alimentada por tensões desbalanceadas: (a) Correntes nas fases; (b) Espectro de frequência das correntes; (c) Potência ativa instantânea na carga; (d) Potência reativa instantânea na carga. . . 109

5.25 Desempenho doSAPF com tensões desbalanceadas utilizando caso 1. . . 111

5.34 Desempenho doSAPF com tensões desbalanceadas utilizando caso 10. . 120

5.35 Desempenho doSAPF com variação de carga utilizando caso 1. . . 122

5.45 Desempenho doSAPF com variação da rede e filtro utilizando caso 1. . . 129

(15)

5.54 Desempenho doSAPF com variação da rede e filtro utilizando caso 10. . 132

5.55 Partida do SAPF para o caso 1 com compensação de harmônicos após rampa. . . 134

5.56 Partida doSAPF para o caso 1 com compensação de harmônicos durante rampa. . . 135

5.67 Partida doSAPF para o caso 7. . . 141

5.68 Partida doSAPF para o caso 7 com inicialização de parâmetros. . . 141

5.69 Partida doSAPF para o caso 8. . . 142

(16)

5.75 Tensão no barramento CC durante diminuição da impedância da carga. . . 146

5.76 Tensão no barramento CC durante aumento da impedância da carga. . . . 147

5.77 Espectro de frequência da corrente na redeis1. . . 147

6.1 Protótipo do filtro ativo paralelo trifásico. . . 151

6.2 Resultados experimentais da tensão no barramento CC, durante a partida do SAPF. . . 153

6.3 Resultados experimentais das correntes na redeis123, antes do uso do

es-quema de compensação (escalas: 5 A/div para os canais 1 e 2. O terceiro gráfico é obtido pelo recursomathdo osciloscópio). . . 155

6.4 Espectro da corrente de redeis1, antes de habilitar o esquema de

compen-sação. . . 155

6.5 Resultados experimentais das correntes da rede balanceadas is123, antes

da partida do SAPF (escalas: 5 A/div para os canais 1 e 2. O terceiro

gráfico é obtido pelo recursomathdo osciloscópio.). . . 156

6.6 Espectro da corrente de faseis1, após habilitar o esquema de compensação.156

6.7 THD da corrente de faseis1na rede elétrica. . . 156

6.8 Resultados experimentais do vetor de corrente na redeis. . . 157

6.9 Resultados experimentais das correntes desbalanceadas na redeis123, antes

do uso do esquema de compensação (escalas: 5 A/div para os canais 1 e 2. O terceiro gráfico é obtido pelo recursomathdo osciloscópio). . . 158

6.10 Resultados experimentais das correntes na rede is123, após a partida do

SAPF (escalas: 5 A/div para os canais 1 e 2. O terceiro gráfico é obtido pelo recursomathdo osciloscópio). . . 158

6.11 Resultados experimentais da tensão de fasevs1da rede superposta por sua

respectiva corrente de fase is1 antes da compensação (escalas: 10 A/div

para o canal 2 e 50V/div para o canal 3). . . 159

6.12 Resultados experimentais da tensão de fasevs1da rede superposta por sua

respectiva corrente de faseis1após a compensação (escalas: 10 A/div para

o canal 2 e 50V/div para o canal 3). . . 159

6.13 Resultado experimental da estimativa da corrente na redebisd superposta

(17)

spectiva referênciai ∗

sd. . . 160

6.15 Resultados experimentais das tensões de alimentação desbalanceadasvs123 (escalas: 100 V/div para os canais 1 e 2. O terceiro gráfico é obtido uti-lizando o recursomathdo osciloscópio). . . 161

6.16 Resultados experimentais das correntes na redeis123, antes do uso do es-quema de compensação para tensões de alimentação desbalanceadas (es-calas: 5 A/div para os canais 1 e 2. O terceiro gráfico é obtido pelo recurso mathdo osciloscópio). . . 162

6.17 Resultados experimentais das correntes na rede is123, após uso do es-quema de compensação para tensões de alimentação desbalanceadas (es-calas: 5 A/div para os canais 1 e 2. O terceiro gráfico é obtido pelo recurso mathdo osciloscópio). . . 162

6.18 Resultado experimental da média móvel do parâmetro estimado _bp0 do controlador. . . 163

6.21 Resultados experimentais das correntes balanceadas na rede is123, antes da partida doSAPF. . . 165

6.22 Resultados experimentais das correntes balanceadas na rede is123, após partida doSAPF. . . . 166

6.23 Tensão no barramento CC durante diminuição da impedância da carga. . . 166

6.24 Tensão no barramento CC durante aumento da impedância da carga. . . . 167

6.25 Espectro de frequência da corrente na redeis1. . . 168

B.1 Foto do protótipo doSAPF. . . 185

B.2 Foto do sistema. Da esquerda para direita: carga não-linear, SAPF e computador com software em tempo real. . . 186

C.1 Correntes em cargas não-lineares . . . 188

C.2 Tensão distorcida no PCC . . . 188

C.3 Forma de onda distorcida e suas componentes harmônicas . . . 189

C.4 Espectro de Frequência da onda . . . 190

C.5 Retificador com ponte de diodos . . . 192

(18)

C.9 (a) Componentes em paralelo, (b) Diagrama de Bode da impedância. . . 196

C.10 (a) Componentes em série, (b) Diagrama de Bode da impedância. . . 196

C.11 Corrente no neutro . . . 198

D.1 Potências de Budeanu em diversos circuitos. . . 203

D.2 Potências de Budeanu com tensão distorcida. . . 203

D.3 Potências instantâneas p-q em diversos circuitos. . . 207

(19)

1.1 Limites de distorção de corrente para sistemas de distribuição gerais (120

V até 69000 V) . . . 4

1.2 Limites de distorção de corrente para sistemas de subtransmissão gerais (69001 V até 161000 V) . . . 4

1.3 Limites de distorção de corrente para sistemas de trasmissão gerais (> 161 KV), geração espalhada e cogeração . . . 5

1.4 Limites de distorção de tensão . . . 5

1.5 Limites das tensões harmônicas individuais . . . 5

1.6 Níveis de referência para distorções harmônicas individuais de corrente . 7 1.7 Limites individuais de harmônicos de corrente em % da fundamental . . . 7

1.8 Valores de referência globais das distorções harmônicas totais . . . 8

1.9 Níveis de referência para distorções harmônicas individuais de tensão . . 9

3.1 Parâmetros da carga. . . 37

5.1 Parâmetros doSAPF para simulação. . . 79

5.2 Lista das estruturas de controle doSAPF testadas. . . 79

5.3 Resumo do desempenho dosSAPF’s para uma carga não-linear. . . 92

5.4 Resumo do desempenho dos SAPF’s para uma carga não-linear desba-lanceada. . . 107

5.5 Índices de desbalanceamento para tensões de alimentação. . . 108

5.6 Resumo do desempenho dosSAPF’s com tensões de alimentação desba-lanceadas. . . 121

5.7 Resumo do desempenho dosSAPF’s com variação de carga. . . 128

5.8 Resumo do desempenho dosSAPF’s com variação da rede e filtro. . . 132

5.9 Valores de THD para as correntes. . . 148

6.1 Parâmetros doSAPF. . . 152

6.2 Valores de THD para as correntes da rede. . . 167

C.1 Valores de THD para formas de onda conhecidas. . . 190

(20)

(21)

Abreviaturas

2S Controlador de dupla sequência

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica

ASD Adjustable Speed Drive

BT: Baixa Tensão

CA: Corrente Alternada

CC: Corrente Contínua

CSI Current Source Inverter

DI: Deviation Index

GTO: Gate Turn-Off

HB Hysteresis Band

HPF High Pass Filter

IEC International Electrotechnical Commission

IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineers

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor

IMP: Internal Model Principle

IPT Instantaneous Power Theory

LED: Light Emitter Diode

LPF Low Pass Filter

(22)

MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

MT: Média Tensão

PAF: Parallel Active Filter

PCC: Point of Common Coupling

PF Power Factor

PI Controlador Proporcional Integral

PRODIST: Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Na-cional

PWM: Pulse Width Modulation

SAPF: Shunt Active Power Filters

SMPS: Switch Mode Power Supply

SRF Synchronous Reference Frame

TDD: Total Demand Distortion

THD: Total Harmonic Distortion

TU: Total Unbalance

UPQC: Unified Power Quality Conditioner

VDE Verband der Elektrotechnik

VS-APPC: Variable Structure - Adaptive Pole Placement Control

VSI Voltage Source Inverter

Símbolos

ε Erro

ω Frequência angular

(23)

φ Angulo de defasagem

e

p Parcela CA da potência ativa instantânea

e

q Parcela CA da potência reativa instantânea

c Função de chaveamento

D Potência de distorção

f Frequência

G Função de transferência

G(s) Função de Transferência do FAP

I Corrente eficaz

i Corrente instantânea

l Indutância

n Neutro

n′ _{Neutro da carga}

P Potência ativa

p Potência ativa instantânea

Q Potência reativa

q Potência reativa instantânea

r Resistência

S Potência aparente

V Tensão eficaz

v Tensão instantânea

(24)

Subscritos

io Malha aberta do sistema

m braço m

p Pico

(n) Harmônico de ordem n

0dq Referencial 0dq

0 Homopolar

3φ Trifásico

αβ0 Coordenadas no referencial estacionárioαβ0

abc Fases abc

a Ativa

conv Conversor

dc Barramento CC

F Reativa definida por Fryse

f Filtro

k Fase k

load Carga

loss Perdas

l carga

n Fase n

RMS Valor Eficaz

(25)

sw Chaveamento

s rede elétrica

Sobrescritos

+ _{Sequência positiva}

− _{Sequência negativa}

e _{Referencial síncrono}

s _{Referencial estacionário}

(26)

Introdução

O crescente avanço tecnológico em sistemas de acionamento de máquinas e eletrônica de potência tem sido motivado principalmente pela necessidade de aplicações industrias com alto desempenho, confiabilidade e custos mais baixos. Vários fatores têm contribuído para o desenvolvimento desta área, dentre os quais destacam-se a utilização de tecnologia computacional e microeletrônica (microcomputadores, microprocessadores e microcon-troladores) e a introdução de novos dispositivos de chaveamento mais eficientes (MOS-FET, IGBT, MCT, GTO) [Bose 2006].

O aparecimento de dispositivos semicondutores de potência com chaveamento de alta velocidade, tais como os IGBT’s, tornou possível o aumento da frequência de

chavea-mento em inversores com Modulação por Largura de Pulso (PWM - Pulse Width

Mo-dulation), obtendo assim melhores características de operação. Por exemplo, a utilização de dispositivos modernos no acionamento de máquinas resultou no aumento de produtivi-dade e eficiência na operação com velociprodutivi-dade ajustável de linhas de montagem, sistemas de ar condicionado, estações de tratamento de água.

As melhorias contínuas nos dispositivos de eletrônica de potência contribuíram para o uso intensivo desses equipamentos. Cada equipamento baseado nessa tecnologia comporta-se como uma carga não-linear que pode deteriorar a qualidade da energia disponibi-lizada na rede elétrica. Essas cargas não-lineares extraem correntes não-senoidais da rede elétrica gerando consequentemente harmônicos de tensão ao passar por diferentes impedâncias do sistema de distribuição [Bollen 1999], ou seja, as cargas não-lineares geram componentes harmônicos de corrente e/ou de tensão que afetam todos os com-ponentes do sistema. Dentre os problemas causados pelos harmônicos pode-se destacar perturbações na amplitude da tensão, na frequência do sinal, desequilíbrios de tensão ou de corrente em sistemas trifásicos, superaquecimento de capacitores para correção de fa-tor de potência, além de disfa-torções na forma de onda do sinal [Akagi et al. 2007].

(27)

definida considerando correntes e tensões senoidais com frequência constante. Porém, as cargas não-lineares extraem correntes não-senoidais da rede elétrica. Portanto, nesses casos a análise de sistemas de potência deve considerar as condições não-senoidais, tor-nando possível definir a influência dos harmônicos na potência consumida.

Durante muitos anos, a solução para mitigar os harmônicos era quase restrita à uti-lização de filtros passivos. Esses dispositivos são compostos de capacitores, indutores e resistores de amortecimento, sendo relativamente baratos comparados com outras técni-cas de mitigação [Dugan et al. 2004] e necessitam de pouca manutenção [Das 2004]. No entanto, os filtros passivos possuem tamanho e peso elevados e podem interagir adversa-mente com o sistema elétrico. Além disso, outro aspecto negativo dos filtros passivos é a compensação constante que dificulta o seu projeto, uma vez que as características do sistema podem alterar de acordo com as variações da carga.

Os filtros passivos apresentam bom desempenho na mitigação de harmônicos de alta ordem mas não têm desempenho adequado para harmônicos de baixa frequência.

Nas últimas três décadas os filtros ativos começaram a ser utilizados para mitigação de harmônicos, estimulados principalmente pela introdução de dispositivos de chavea-mento mais eficientes, como já citado e, a disponibilidade de equipachavea-mentos para pro-cessamento digital em tempo real e para conversão analógica/digital [Akagi 2006]. A utilização dos filtros ativos foi estimulada também pelas deficiências encontradas nos fil-tros passivos. Geralmente, os filfil-tros são dispositivos eletrônicos complexos que custam bem mais caro que os filtros passivos. No entanto, os filtros ativos trabalham indepen-dentes das características de impedância do sistema podendo ser utilizados em condições extremas nas quais os filtros passivos não operam com sucesso. Além disso, os filtros ativos são aplicáveis à compensação de potência reativa, a compensação da corrente no neutro e nos casos onde a fonte primária é desbalanceada. Esses fatores, somados às quedas significativas nos custos têm influenciado fabricantes a inserir os filtros ativos no mercado.

Existem basicamente duas topologias de filtros ativos: série e paralelo [Emadi et al. 2005]. Os filtros ativos paralelos atuam como um gerador de corrente controlada que com-pensam as correntes da carga de forma que as correntes extraídas da rede sejam senoidais e em fase com a tensão. Os filtros ativos série atuam como fontes de tensão controlada, gerando tensões senoidais e balanceadas para a carga.

(28)

harmôni-cos de tensão e desbalanceamento de tensões. Porém, eles ainda não estão disponíveis no mercado [Turunen 2009].

Os filtros ativos de potência paralelos (SAPF -Shunt Power Active Filters) são uma tecnologia bem amadurecida e possuem diversas estratégias de controle [Ozkaya 2007]. No entanto, esses filtros requerem esquemas de controle robusto para ser insensíveis ao comportamento aleatório das cargas não-lineares responsável por variações paramétri-cas no modelo dinâmico dos SAPF’s ou distúrbios não-modelados [Ribeiro et al. 2012] [Ribeiro et al. 2010] [Braz et al. 2008].

1.1 Normas Relacionadas aos Harmônicos

O aumento do número de cargas não-lineares nos sistemas de potência é responsável pelo aumento de distorções harmônicas. Com elas, surgiu a necessidade de regulamen-tações para produção e propagação desses distúrbios [Trovão et al. 2006]. Diante disso, várias organizações internacionais em conjunto com engenheiros, fabricantes de equipa-mentos elétricos e organizações de pesquisas criaram um conjunto de normas, manuais de boas práticas e limites para assegurar a compatibilidade entre equipamentos, dispositivos e sistemas de distribuição de energia.

A seguir, são apresentados os principais documentos normativos relacionados aos har-mônicos.

1.1.1 IEEE Std 519-1992

A norma IEEE 519-1992 é aplicável a todos os tipos de conversores estáticos utiliza-dos em sistemas de potência comerciais e industriais. A norma descreve os problemas envolvidos no controle de harmônicos e compensação do fator de potência desses conver-sores e fornece um guia de aplicação. Além disso, existem recomendações para os limites dos distúrbios para os sistemas de distribuição em corrente alternada (CA) [IEE 1992].

Essa norma estabelece limites de distorção harmônica de corrente para consumidores individuais de energia elétrica e, também, estabelece a qualidade da energia elétrica que a concessionária deve fornecer para o consumidor.

(29)

(Total Demand Distortion) que é definida como a distorção harmônica da corrente, em porcentagem, da máxima demanda da corrente de carga (demanda de 15 ou 30 min).

As tabelas 1.1-1.3 listam limites de harmônicos de corrente baseados no tamanho da carga em relação ao tamanho do sistema no qual a carga está conectada. A taxaISC/IL é

a relação entre a corrente de curtocircuito disponível no ponto de acoplamento (PCC -Point of Common Coupling) e a máxima corrente fundamental de carga.

Distorção harmônica de corrente máxima em porcentagem de IL

ISC/IL Ordem harmônica n TDD

<11 11_≤n_≤17 17_≤n_≤23 23_≤n<35 n_≥35

<20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0

20<50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0

50<100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0

100<1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0

>1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0

Tabela 1.1: Limites de distorção de corrente para sistemas de distribuição gerais (120 V até 69000 V)

<11 11_≤n_≤17 17_≤n_≤23 23_≤n<35 n_≥35

<20 2,0 1,0 0,75 0,3 0,15 2,5

20<50 3,5 1,75 1,25 0,5 0,25 4,0

50<100 5,0 2,25 2,0 0,75 0,35 6,0

100<1000 6,0 2,75 2,5 1,0 0,5 7,5

>1000 7,5 3,5 3,0 1,25 0,7 20,0

Tabela 1.2: Limites de distorção de corrente para sistemas de subtransmissão gerais (69001 V até 161000 V)

Para as concessionárias, são estabelecidos limites de distorção harmônica de tensão. Os limites listados na Tabela 1.4 podem ser usados para o projeto do sistema como valores extremos em condições normais (com duração superior à uma hora). Para períodos de tempo menores, durante transitórios ou partidas, os limites podem ser excedidos em 50%.

1.1.2 EN 50160

(30)

<11 11_≤n_≤17 17_≤n_≤23 23_≤n<35 n_≥35

<50 2,0 1,0 0,75 0,3 0,15 2,5

≥50 3,5 1,5 1,15 0,45 0,22 3,75

Tabela 1.3: Limites de distorção de corrente para sistemas de trasmissão gerais (> 161 KV), geração espalhada e cogeração

Tensão de barramento Distorção individual Distorção total

no PCC de tensão (%) de tensão THD(%)

<69KV 3,0 5,0

69001V até 161KV 1,5 2,5

>161001V 1,0 1,5

Tabela 1.4: Limites de distorção de tensão

energia elétrica de baixa tensão (BT) e média tensão (MT). BT corresponde a tensões nominais entre fases abaixo de 1000 V e MT, a tensões entre 1 kV e 35 kV. Os parâmetros de qualidade da tensão são estabelecidos para condições normais de funcionamento [EN 50160, Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems1999]. Entre esses parâmetros de qualidade da norma EN 50160 estão os limites de distorção harmônica de tensão que são estabelecidos em porcentagem da tensão fundamental. Os limites de harmônicos de tensão estão mostrados na Tabela 1.5. A THD da tensão de alimentação incluindo todos os harmônicos até a ordem 40 não devem exceder 8%.

Harmônicos ímpares Harmônicos pares

Não múltiplos de 3 Múltiplos de 3

Ordem n Tensão relativa (%) Ordem n Tensão relat. (%) Ordem n Tensão relat. (%)

5 6 3 5 2 2

7 5 9 1,5 4 1

11 3,5 15 0,5 6 ... 24 0,5

13 3 21 0,5

17 2

19 1,5

23 1,5

25 1,5

(31)

1.1.3 IEC 61000

A IEC (International Electrotechnical Commission) é uma entidade internacional, mas com abrangência essencialmente européia, que gera recomendações técnicas na área de eletricidade. As normas da IEC relativas aos harmônicos estão contidas nas partes 2 e 3. Diferente das normas de harmônicos IEEE onde existe apenas uma única publicação tratando dos harmônicos, as normas sobre harmônicos da IEC estão separadas em diversas publicações.

As Normas IEC sobre harmônicos são geralmente adotadas pela comunidade europeia (CENELEC). No caso da série IEC 61000, elas são designadas como série EN 61000.

A normaIEC 61000-3-2refere-se às limitações das harmônicas de corrente injetadas

na rede pública de alimentação. Aplica-se a equipamentos elétricos e eletrônicos que tenham uma corrente de entrada de até 16 A por fase, conectados a uma rede pública de baixa tensão alternada, de 50 ou 60 Hz, com tensão fase–neutro entre 220 e 240 V. Para tensões inferiores, os limites não foram estabelecidos, pois essa norma tem aplicação principalmente na comunidade européia, onde as tensões fase–neutro encontram-se na faixa especificada. Os equipamentos são classificados em quatro classes:

Classe A: Equipamentos com alimentação trifásica equilibrada; aparelhos de uso

doméstico, excluindo os de classe D; ferramentas, exceto as portáteis; “dimmers” para lâmpadas incandescentes; equipamentos de áudio; e todos os demais não incluídos nas classes seguintes.

Classe B: Ferramentas portáteis.

Classe C: Dispositivos de iluminação.

Classe D: Equipamentos que apresentam uma forma de onda “especial” na corrente

de entrada. A potência ativa de entrada deve ser igual ou inferior a 600 W, medida esta feita obedecendo às condições de ensaio estabelecidas na norma (que variam de acordo com o tipo de equipamento).

Os máximos valores de harmônicos de corrente permitidos para as classes A, B, C e D são dados em amperes medidos na corrente de entrada do equipamento. Os limites para os valores de harmônicos de corrente de acordo com a IEC 61000-3-2 são apresentados na Tabela 1.6. Os limites são aplicáveis a equipamentos que operam com potência de até 600W.

A norma IEC 61000-3-4 é aplicável a qualquer equipamento elétrico ou eletrônico,

(32)

a-Ordem Distorção Harmônica Individual de Corrente (%) Harmônica n Classe A Classe B Classe C Classe D

3 2,30 3,45 30_×FP 3,4

5 1,14 1,71 10 1,9

7 0,77 1,115 7 1,0

Ímpares 9 0,40 0,60 5 0,5

11 0,33 0,495 3 0,35

13 0,21 0,315 3 0,296

15_≤n_≤39 0,15_×15_n 0,225_×15_n 3 3,86/n

2 1,08 1,62 2

-Pares 4 0,43 0,645 -

-6 0,3 0,45 -

-8_≤n_≤40 0,23_×8_n 0,35_×8_n -

-Tabela 1.6: Níveis de referência para distorções harmônicas individuais de corrente

presenta os limites individuais de corrente para cada harmônico que estão normalizados em relação à fundamental.

Ordem Harmônico Ordem Harmônico

harmônica n Admissível In

I1% harmônica n Admissível

In

I1%

3 21,6 21 _≤0,6

5 10,7 23 0,9

7 7,2 25 0,8

9 3,8 27 _≤0,6

11 3,1 29 0,7

13 2 31 0,7

15 0,7 33 _≤0,6

17 1,2 -

-19 1,1 Sempre _≤8/nou_≤0,6

Tabela 1.7: Limites individuais de harmônicos de corrente em % da fundamental

1.1.4 Normas Nacionais

As normas internacionais são utilizadas como uma base para haver uma regulamen-tação mais globalizada. No entanto, os países fazem ajustes individuais para se adequar às prioridades nacionais muitas vezes motivados por características especiais do sistema de potência e gerência das cargas elétricas.

(33)

situ-ações extremas na rede de energia que não são representativas para condições típicas [Markiewicz & Klajn 2004]. Enquanto na Polônia, as normas do setor de energia elétrica são estabelecidas pelo governo que é responsável pelos parâmetros fundamentais da ten-são de alimentação e não faz referência à norma internacional EN50160. O valor máximo admitido para os harmônicos é de 8% (5% para cada harmônico) para baixa tensão e de 5% (3% para cada harmônico) para média tensão.

No Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) estabelece procedimen-tos relativos à qualidade da energia elétrica no documento Procedimenprocedimen-tos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST [Módulo 8 Qualidade da Energia Elétrica2010]. A Tabela 1.8 apresenta os valores de referência estabelecidos pela ANEEL para as distorções harmônicas totais da tensão suprida. Estes valores servem para referência do planejamento elétrico em termos de qualidade de energia elétrica.

Tensão nominal do barramento Valor THD (%)

VN≤1KV 10

1KV_≤VN≤13,8KV 8

13,8KV_≤VN≤69KV 6

69KV_≤VN ≤230KV 3

Tabela 1.8: Valores de referência globais das distorções harmônicas totais

(34)

Ordem Distorção Harmônica Individual de Tensão (%)

Harmônica VN≤1KV 1KV≤VN≤13,8KV 13,8KV≤VN≤69KV 69KV≤VN ≤230KV

5 7,5 6 4,5 2,5

7 6,5 5 4 2

11 4,5 3,5 3 1,5

Ímpares não 13 4 3 2,5 1,5

múltiplas 17 2,5 2 1,5 1

de 3 19 2 1,5 1,5 1

23 2 1,5 1,5 1

25 2 1,5 1,5 1

>25 1,5 1 1 0,5

3 6,5 5 4 2

Ímpares 9 2 1,5 1,5 1

múltiplas 15 1 0,5 0,5 0,5

de 3 21 1 0,5 0,5 0,5

>21 1 0,5 0,5 0,5

2 2,5 2 1,5 1

Pares 4 1,5 1 1 0,5

>4 1 0,5 0,5 0,5

Tabela 1.9: Níveis de referência para distorções harmônicas individuais de tensão

1.2 Filtros Passivos

Filtros passivos são dispositivos formados por componentes elétricos passivos: resis-tor, indutor e capaciresis-tor, utilizados para redução de harmônicos e melhoria do fator de potência ou, também para atender aos requisitos de normas relacionadas à qualidade de energia.

Filtros passivos são comumente utilizados para solucionar os problemas citados ante-riormente principalmente por apresentarem um custo baixo comparado com outras soluções para o mesmo problema. Dentre os filtros passivos, os mais utilizados são os filtros RLC com sintonia simples em configuração paralela e os filtros amortecidos, também conheci-dos como filtros passa-alta.

A Figura 1.1(a) apresenta um filtro RLC com sintonia simples. Esse tipo de filtro passivo é conectado em paralelo com a rede elétrica. O filtro é sintonizado de forma que as reatâncias do capacitor e do indutor sejam iguais e opostas na frequência a ser filtrada (frequência de ressonância). Nessa frequência, a impedância do filtro é baixa, conforme mostrado na Figura 1.1(b) e, as correntes harmônicas próximas à frequência de ressonância fluem através do filtro ao invés de circularem pela rede elétrica.

(35)

Frequência (b)

|Z(j

)|(dB)

w

(a)

Figura 1.1: (a) Filtro de sintonia simples, (b) Diagrama de Bode da impedância.

sintonia simples. Porém, nesses filtros, o resistor e o indutor são conectados em paralelo de forma que a impedância do filtro seja baixa nas frequências acima da frequência de ressonância. A Figura 1.2 apresenta a estrutura do filtro amortecido e o gráfico da sua impedância em função da frequência. Nas frequências em que a impedância do filtro é baixa, as correntes harmônicas fluem também pelo filtro ao invés de circularem pela rede elétrica.

Frequência (b)

|Z(j

)|(dB)

w

(a)

Figura 1.2: (a) Filtro passa-alta, (b) Diagrama de Bode da impedância.

Em projetos convencionais de filtros passivos é utilizada uma combinação de filtros de sintonia simples para harmônicos de baixa ordem, i.e. de ordem 5 até 11, e um fil-tro amortecido para frequências elevadas [Arrillaga & Watson 2003] [Peng 2001]. A Figura 1.3 apresenta a estrutura de um filtro com essa combinação e o gráfico da sua impedância em função da frequência. Embora os filtros amortecidos apresentem uma fil-tragem de bom desempenho em uma faixa larga de frequências, esses filtros provocam maiores perdas na frequência fundamental que um filtro de sintonia simples equivalente [Akagi 2006].

(36)

não-Frequência

Figura 1.3: (a) Filtro combinado, (b) Diagrama de Bode da impedância.

lineares tornando o filtro sobrecarregado ou ineficiente.

Apesar da simplicidade, os filtros passivos possuem alta eficiência [Bhattacharya & Divan 1996]. Em simulações realizadas por Deckman [Deckmann & Pomilio 2004], uma configuração de filtro composta por filtros de sintonia simples e filtro passa-alta apre-sentou uma redução de 46% na distorção de corrente. José [José et al. 2010] realizou medições em um barramento de uma fábrica de bebidas no qual um motor de indução é acionado por um inversor e propôs uma solução baseada em um filtro composto por dois filtros sintonizados para o 5oe 7oharmônico.

Em simulações realizadas por Izhar [Izhar et al. 2004], os filtros passivos reduziram as distorções de corrente em até 30% enquanto, que nas mesmas condições os filtros ativos redurizam as distorções em até 50%. Os problemas de projeto e interferências na rede elétrica dos filtros passivos somados ao desempenho superior dos filtros ativos fazem desses últimos uma atraente opção para redução de harmônicos. Os filtros ativos são apresentados a seguir.

1.3 Filtros Ativos

O aparecimento de novos dispositivos semicondutores como o GTO (Gate Turn-Off)

e o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) permitiu a idealização de novas soluções para a compensação de harmônicos na rede elétrica. A solução tradicional era a utilização de filtros passivos, mas por volta de 1970 começou o desenvolvimento de filtros ativos. A primeira publicação de um trabalho sobre filtros ativos ocorreu em 1976 [Gyugyi & Strycula 1976] no qual o termo filtro ativo de potência foi utilizado para definir um dis-positivo compensador de harmônicos composto de chaves semicondutoras de potência.

(37)

& Barbi 1997a], do desbalanceamento de tensão [Lee et al. 2004] e de outros problemas como afundamento e oscilação da tensão [Aredes & Fernandes 2009]. Dessa forma, a definição de filtros ativos foi expandida para dispositivos compensadores de problemas de qualidade da energia.

Existem diversas configurações de filtros ativos: paralelo, série, unificado (paralelo + série) e híbrido, composto por filtros ativos e passivos. Todas essas configurações serão apresentadas.

1.3.1 Filtro ativo paralelo

O filtro ativo conectado em paralelo é utilizado principalmente para compensar har-mônicos de corrente gerados por cargas não-lineares. O filtro ativo paralelo (SAPF) opera injetando correntes harmônicas opostas àquelas geradas pela carga conforme mostrado na Figura 1.4. O filtro pode ser utilizado também para melhoria do fator de potência e desbalanceamento de corrente injetando dessa forma, além da corrente harmônica, uma corrente capaz de eliminar a defasagem entre a tensão e corrente e a diferença entre as correntes de fase. Nesse caso, a fonte de alimentação enxergaria a carga não-linear como uma resistência pura balanceada.

r

s s

is

i f

il

c

filtro ativo de potência Rede

Carga não-linear

(38)

O filtro ativo paralelo representa a configuração mais importante e mais largamente utilizada nos processos industriais para filtragem ativa [Vaz 2006]. Para utilização desse filtro em correntes mais elevadas, é possível conectar vários em paralelo, o que o torna adequado para uma larga faixa de níveis de potência. Além disso, o SAPF possui outros aspectos positivos [Omori 2007]:

• não alteram significativamente as correntes na carga, pois praticamente não altera a tensão no ponto de acoplamento;

• a ação desse filtro permite suprir à carga toda a potência não ativa;

• maximiza o fator de potência na rede, o que implica no mínimo valor de corrente

pelo sistema, liberando a capacidade de transmissão para as linhas;

• a instalação do equipamento em derivação não interfere diretamente na operação

do sistema elétrico, restringindo defeitos no equipamento que podem interromper o fornecimento de energia na carga.

O foco principal desse trabalho está no filtro ativo paralelo, de forma que os capítulos 2 e 4 serão dedicados à descrição do sistema e os esquemas de controle para esse tipo de filtro.

1.3.2 Filtro ativo série

O filtro ativo de potência série é um dispositivo ligado em série entre a fonte de ali-mentação e a carga através dos enrolamentos secundários de um transformador de acopla-mento. O primário desse transformador é ligado a um inversor através de um indutor ou um filtro L-C conforme mostrado na Figura 1.5.

O filtros ativos série são geralmente utilizados para compensação de harmônicos de tensão e compensação de problemas de qualidade de energia ligados à tensão tais como quedas de tensão, oscilações e desbalanceamento. Os filtros ativos série são também capazes de compensar harmônicos de corrente. No entanto, esses filtros são utilizados largamente para solucionar problemas na tensão, principalmente protegendo o lado da carga de problemas de qualidade de energia provenientes da rede de alimentação.

Quando o filtro série é utilizado para compensação de tensão, ele produz uma tensão nos terminais do transformador de acoplamento inversamente proporcional às distorções da tensão de alimentação. Dessa forma, a forma de onda da tensão nos terminais da carga se torna senoidal, como é mostrado na Figura 1.5.

(39)

r

s s

c

Rede

v_s v_f

v_sf

filtro ativo de potência

Carga não-linear

Figura 1.5: Filtro ativo série

na rede. Dessa forma, o filtro pode ser enxergado como uma resistência (chamada re-sitência ativa) nas frequências harmônicas devido a essa relação da tensão nos terminais do transformador e a corrente na rede. As correntes harmônicas são compensadas pois o efeito do filtro é similar ao aumento da impedância da rede nas frequências harmônicas.

O problema de utilizar o filtro ativo série para compensar correntes é que este tipo de filtro necessita que a impedância do lado da carga seja baixa [Peng 1998]. Nos casos em que a impedância da carga é alta, o filtro teria que gerar uma tensão muito alta nos terminais do transformador de acomplamento para que a resistência ativa fosse suficiente comparada à impedância da carga tornando assim, o filtro ativo série ineficiente nessas condições.

1.3.3 Filtro ativo híbrido

(40)

frequência de chaveamento que é normalmente bastante superior aos harmônicos de baixa ordem da frequência fundamental.

Para solucionar os problemas descritos, vários pesquisadores trabalharam em confi-gurações de filtros compostas de filtros ativos e filtros passivos [Salam et al. 2006]. O resultado dessa composição é chamado de filtro ativo híbrido. Nesse caso, é utilizado um filtro passivo passa-alta para compensar os harmônicos de alta ordem e um filtro ativo para compensação de harmônicos de baixa ordem. O filtro resultante tem uma atuação em uma larga faixa de frequências utilizando um filtro passivo de tamanho relativamente pequeno [Routimo et al. 2003]. A Figura 1.6 apresenta um filtro ativo híbrido comumente utilizado para esse propósito.

r

s s

c

Rede

Carga não-linear

filtro passivo de potência

Figura 1.6: Filtro ativo híbrido paralelo

Por outro lado, a adição de um filtro ativo pode solucionar problemas encontrados nos filtros passivos tais como ressonância série e paralela. Essa composição de filtros também é chamada de filtro ativo híbrido. A Figura 1.7 apresenta a estrutura de um filtro híbrido para esse propósito. Aqui, o filtro híbrido é composto por um filtro ativo série e um filtro passivo paralelo. O filtro passivo paralelo compensa as correntes harmônicas enquanto que o filtro ativo série impede que haja ressonância no sistema através da impedância ativa. A impedância ativa é descrita na seção 1.3.2. O desempenho do filtro passivo aumenta também pois ele "vê" a impedância da fonte maior devido à impedância ativa [Peng et al. 1990]. Como o filtro passivo realiza quase todo o trabalho de compensação de harmônicos, a potência do filtro ativo é bastante inferior à potência da carga [Bhattacharya & Divan 1995] tornando o custo do sistema baixo.

(41)

r

s s

c

Rede

5th 7th passa-alta

filtro ativo de potência filtro passivo de potência

Carga não-linear

Figura 1.7: Filtro Ativo híbrido: Filtro ativo série + Filtro passivo paralelo

única regra existente é que o filtro híbrido utiliza as vantagens dos filtros ativos e passivos.

1.3.4 Filtro ativo unificado

O filtro ativo unificado é mais conhecido como condicionador unificado de energia (UPQC -Unified Power Quality Conditioner). O filtro ativo unificado é constituído pela união de um filtro ativo paralelo e um filtro ativo série que compartilham o mesmo dis-positivo de armazenamento no barramento CC. A união dos dois tipos de filtro ativo tem o objetivo de unir as funções principais de cada um desses filtros. Assim, o UPQC é um dispositivo capaz de compensar harmônicos de corrente provenientes da carga ao mesmo tempo que compensa os problemas de tensão da rede de alimentação.

(42)

r

s s

c

Rede

v_s _v

l

v_sf i_f

i_s i_l

Carga não-linear

Figura 1.8: Filtro ativo unificado

1.4 Estado da Arte

(43)

ou desbalanceadas. Além dos problemas de distorção harmônica, existem também baixo fator de potência e correntes de carga desbalanceadas no PCC devido à potencia fornecida a cargas não-lineares. Estratégias de controle para compensação de todos esses problemas de qualidade de energia simultaneamente foram introduzidas em [Chandra et al. 2000].

Um componente bastante importante do SAPF é o controlador de corrente, que tem

a função de fazer com que a corrente controlada siga sua respectiva referência. Em es-tratégias de controle convencionais aplicadas a SAPF, esses controladores de corrente são utilizados para controlar a corrente de saída do filtro. Essas correntes são com-postas por componentes para compensação de potência reativa e componentes harmôni-cas. A solução usual é utilizar controladores de corrente Proporcional-Integral (PI) lin-eares [Newman et al. 2002], no entanto, o uso desses controladores tem resultado em erros de regime permanente e, as limitações de banda passante geram qualidade de com-pensação não satisfatória [Yuan et al. 2002]. Existem outras soluções possíveis tais como o controlador de corrente deadbeat [Malesani et al. 1999], controle por modo deslizante [Cardenas et al. 1999], controle ressonante [Bojoi et al. 2005] e controle repetitivo [Matavelli 2001]. O controlador deadbeat, que tem a vantegem de ser adequado para uma implementação completamente digital, é limitado em desempenho pelo seu inerente atraso de cálculo [Buso et al. 1998]. O controlador ressonante tem a vantagem de

compen-sação seletiva, mas para um SAPF convencional, é necessário o uso de um controlador

para a frequência fundamental e para outros harmônicos específicos, que pode resultar em alto custo em termos de cálculo em tempo real [Lascu et al. 2009]. Essas soluções são

baseadas em controladores projetados paraSAPF cujo modelo dinâmico tem parâmetros

fixos. No entanto, a interação entre impedâncias de carga e da rede pode modificar o

modelo dinâmico doSAPF [Valdez et al. 2009]. Além disso, os parâmetros do modelo

podem variar, principalmente quando a carga tem comportamento aleatório. Portanto, uma solução adequada para compensar esses problemas de qualidade de energia consiste no uso de um controlador de corrente cujos ganhos são ajustados por adaptação.

Recentemente, técnicas adaptativas foram introduzidas para lidar com variação de parâmetros da carga [Shyu et al. 2008, Asiminoaei et al. 2008, Freijedo et al. 2009].

Diferentemente de esquemas de controle convencionais para SAPF, esse trabalho

apre-senta uma estratégia de controle robusto adaptativa para compensação de distorção har-mônica, potência reativa e carga desbalanceada. A estratégia proposta não utiliza esquema de detecção de harmônicos e os requisitos de compensação são obtidos regulando indire-tamente as correntes da rede elétrica. Nesse caso, as correntes na rede controladas devem ser senoidais que levam a estratégias de controle ressonantes. Nesse trabalho, as

(44)

baseado no balanço de potência ativa do sistema. Além disso, o controlador proposto pode ser facilmente implementado em processador digital de sinais e utiliza menos es-forço computacional que estratégias convencionais. Devido à simplicidade da estratégia proposta e à redução de custo, pode ser integrada a sistemas eletrônicos embarcados que geram distorção harmônica, potência reativa e correntes de carga desbalanceadas.

1.5 Objetivos

O objetivo principal desse trabalhor é propor uma nova estratégia de controle que regula indiretamente as correntes de fase da rede elétrica. As correntes de referência do sistema são geradas pelo controle de tensão do barramento CC e são baseadas no balanço de potência ativa do sistema SAPF.As correntes de referência são alinhadas com o ângulo de fase do vetor tensão da rede, que é obtido usando um PLL. O controle de corrente é implementado por uma estratégia de controle adaptativo por alocação de pólos, integrada com um esquema de controle com estrutura variável (VS-APPC). No VS-APPC, o princípio do modelo interno (IMP) de referência é usado para eliminar o erro em regime permanente das correntes de fase do sistema. Isso força as correntes de fase do sistema a serem senoidais e com baixo teor de harmônicos. Além disso, os controladores de corrente são implementados no referencial estacionário para evitar transformações nas coordenadas de referência do vetor tensão da rede.

Esse trabalho apresenta também um procedimento para o projeto dos componentes de um SAPF baseado nos dados da carga e da fonte.

Por último, esse trabalho objetiva a proposição de uma nova estrutura para o controle indireto de um SAPF com o intuito de diminuir as variações de tensão no barramento CC quando há modificações da carga.

1.6 Organização da Tese

Esta tese descreve os SAPFs no capítulo 2 e apresenta sua modelagem. No capítulo 3, é descrito o projeto dos componentes desse filtro.

(45)

resultados de simulação são mostrados no capítulo 5.

(46)

Descrição e Modelagem do Filtro Ativo

Paralelo

O filtro ativo paralelo foi apresentado no capítulo 1 juntamente com seu princípio básico de funcionamento. Nesse capítulo serão apresentadas a descrição desse tipo de filtro além da modelagem de um filtro ativo paralelo trifásico a três fios.

2.1 Descrição do SAPF

O filtro ativo de potência paralelo age como uma fonte de corrente para injetar cor-rente na rede elétrica. Para fazer isso, o filtro normalmente é composto de um capacitor no barramento CC, um inversor fonte de tensão (VSI- Voltage Source Inverter) e um in-dutor de acoplamento. Com esses componentes, o SAPF se torna uma fonte de corrente ao trabalhar no modo de corrente controlada via PWM. Existem também SAPF’s com inversor fonte de corrente (CSI- Current Source Inverter) com um indutor no barramento CC. Essas duas configurações de filtro ativo paralelo são apresentadas na Figura 2.1.

Atualmente é mais comum a utilização de inversores fonte de tensão em filtros ativos de potência [Akagi 1996b]. Existem diversos motivos para a preferência por VSI. Os módulos de IGBTs disponíveis no mercado são mais adequados para VSI pois o IGBT já vem com um diodo de roda livre ligado em anti-paralelo [Akagi et al. 2007] enquanto que o CSI necessita de um diodo de bloqueio ligado em série com o IGBT, o que aumenta as perdas na condução. O VSI necessita de capacitores como dispositivos de armazenamento no barramento CC, enquanto que o CSI necessita de indutores para o mesmo propósito o que torna os filtros ativos com CSI mais volumosos e mais caros que os filtros ativos com VSI [Routimo et al. 2007].

(47)

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s

is il

if

(a)

Carga não-linear Carga não-linear

3 4

if

3 4

Figura 2.1: (a) SAPF utilizando VSI (b) SAPF utilizando CSI.

unifilar. Tendo em vista o objetivo desse trabalho de mostrar principalmente os filtros ativos paralelos a três fios, daqui para frente serão apresentados e descritos os filtros ativos trifásicos. A Figura 2.2 apresenta um filtro ativo paralelo trifásico a três fios.

c

0

q1

q4

q2

q5

q3

q6

1 2 3

VSI

vs1

s3 s2

v

v es1

es2

es3

rs1

rs2

rs3

ls1

s2

s3

l

l n

is1 if1

carga não-linear

lr

rr

rl1 rl2 rl3

ll1 ll2 ll3

n’

Figura 2.2: Filtro ativo paralelo trifásico.

(48)

2.2 Modelagem do SAPF

A Figura 2.2 apresenta uma topologia básica de um filtro ativo paralelo. Esta topolo-gia é composta pela fonte primária, um retificador trifásico não controlado, alimentando

um cargaRL, como carga não-linear e um VSI. A carga não linear é implementada por

associação em série de resistências e indutâncias (rl ell). A alimentação é composta por

três fontes balanceadas (es1,es2 ees3) com suas respectivas impedâncias internas,

repre-sentadas por uma associação em série de resistências e indutâncias (rsels).

O circuito do filtro ativo pode ser apresentado por fase e ser simplificado considerando apenas a impedância do filtro e considerando a impedância da fonte Zs (rs+sls)nula e

uma impedância Zl (rl+sll) infinita. Com essa simplificação, o circuito do filtro ativo

é representado na Figura 2.3. A carga é representada por circuito equivalente Norton no qual a correnteIorepresenta a corrente de carga distorcida. O filtro ativo é composto por

uma fonte de tensãoVf conectada aoPCCpor meio da impedância de filtroZf (rf+slf).

E

Isk +

+

-Vf

0 n’

n sk

k I

f k Zf

I0k

I_lk

Figura 2.3: Circuito equivalente do filtro ativo de potência paraZs=0 eZl→∞.

A partir do circuito equivalente da Fig. 2.3, a corrente da rede pode ser determinada como

Isk=If k+I0k. (2.1)

A corrente do filtro pode ser calculada por

If k=Esk_Z−Vf k

f , (2.2)

(49)

Isk= Esk−Vf k

Zf +I0k (2.3)

ou

Isk= Esk−V_Zf k+ZfI0k

f . (2.4)

Nesse caso o SAPF tem um modelo dinâmico de primeira ordem determinado pela

impedância do filtroZf =rf+lf.

Note que a diferença de potencial entre o ponto de acoplamento do barramento CC do V SIe o neutro da rede elétrica (n) ou o neutro da carga (n′_{) podem ser eliminados levando} em consideração que

3

∑

k=1

isk = 0 (2.5)

3

∑

k=1

ilk = 0 (2.6)

3

∑

k=1

iok = 0 (2.7)

E

Isk +

+

-V_f

0 n’

n sk

k I

f k Zf

I0k

Ilk

Zs V_sk

Figura 2.4: Circuito equivalente do filtro ativo de potência paraZl→∞.

A Figura 2.4 mostra o circuito equivalente do sistemaSAPF considerando também a

impedância na rede elétrica. Nesse sistema a rede elétrica é representada por sua tensão inteiraEsconectada em série com a impedânciaZs(rs+sls). Da mesma forma que o caso

anterior, a corrente da rede pode ser determinada como

(50)

Devido a impedância da fonteZs, a tensão no PCC é definida como

Vsk=Esk−ZsIsk. (2.9)

A corrente do filtro pode ser calculada por

If k=Vsk_Z−Vf k

f . (2.10)

SubstituindoVsk, a corrente no filtro torna-se

If k= Esk−ZsIsk−Vf k

Zf . (2.11)

A corrente na rede elétrica é equivalente à definida por

Isk= Esk−ZsIsk_Z−Vf k+ZfI0k

f . (2.12)

E

Isk +

+

-Vf

0 n’

n sk

k I

f k

I’_{l k}

Zf

Zl I_0k

I_lk

Figura 2.5: Circuito equivalente do filtro ativo de potência paraZs=0.

Outra simplificação possível é considerar o valor nominal da impedância dos compo-nentes passivos da carga e considerar a impedância da rede nula. A Figura 2.5 mostra o circuito equivalente do sistemaSAPF considerando a impedância na rede elétrica nula e uma carga representada por um circuito equivalente Norton no qual a correnteIok

repre-senta a corrente de carga distorcida e a impendânciaZl (rl+sll)é o modelo dos

compo-nentes passivos associados. Nesse caso, a corrente da rede tem o acréscimo da corrente na impedânciaZl

Isk=If k+Ilk′ +I0k. (2.13)