RODRIGO CUTRI COMPENSAÇÃO DE DESEQUILÍBRIOS DE CARGA EMPREGANDO CONVERSOR ESTÁTICO OPERANDO COM MODULAÇÃO EM LARGURA DE PULSO SÃO PAULO 2004

RODRIGO CUTRI

COMPENSAÇÃO DE DESEQUILÍBRIOS DE CARGA EMPREGANDO CONVERSOR ESTÁTICO OPERANDO

COM MODULAÇÃO EM LARGURA DE PULSO

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do Título de Mestre em Engenharia .

SÃO PAULO 2004

RODRIGO CUTRI

COMPENSAÇÃO DE DESEQUILÍBRIOS DE CARGA EMPREGANDO CONVERSOR ESTÁTICO

OPERANDO COM MODULAÇÃO EM LARGURA DE PULSO

Dissertação apresentada à Escola

São Paulo para obtenção do Título de Mestre em Engenharia .

Área de concentração : Engenharia Elétrica

Orientador : Prof. Doutor

Lourenço Matakas Junior

SÃO PAULO 2004

A Deus

A meus pais e minha irmã À minha namorada A todos que me apoiaram com seus exemplos , gestos e palavras

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus por me guiar sempre e me dar forças para nunca desistir.

Agradeço a todos que colaboraram para que esta dissertação se realizasse, em especial a meus pais, a minha irmã e a minha namorada. Agradeço a compreensão, a paciência e o carinho em todos os momentos.

Agradeço em especial ao professor Lourenço Matakas Jr. pela dedicada orientação e pela atenção dispensada em cada etapa da dissertação e aos professores Walter Kaiser e Wilson Komatsu pelas sugestões que colaboraram para o aperfeiçoamento deste trabalho.

Agradeço a Universidade de São Paulo e a Escola de Engenharia Mauá pela formação e apoio.

Aos professores Mário Pagliaricci, Nilson De Lucca e Jorge Janiszewski pela amizade, colaboração e incentivo em vários momentos desta pesquisa.

Foram horas e dias dedicados à realização de simulações e à escrita e formalização das idéias, mas valeu à pena. É gratificante se empenhar na pesquisa de um tema e saber que contribuiu para acrescentar algo que possa ser útil e aplicável à sociedade. Acredito que os maiores bens que alguém pode ter são a sabedoria e a paz consigo mesmo, espero com este trabalho ter dado mais um passo nesta direção.

SUMÁRIO

LISTA DE TABELAS LISTA DE FIGURAS

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍGLAS LISTA DE SÍMBOLOS

RESUMO ABSTRACT

1 INTRODUÇÃO 1

2 TÉCNICAS UTILIZADAS PARA A COMPENSAÇÃO DA SEQÜÊNCIA NEGATIVA

4

2.1 Transformadores para mudança no número de fases (2 fases para 3 fases - Ligação Scott)

5

2.2 Inserção de reatâncias 8

2.3 Injeção de correntes via conversor operando em PWM 12 3 MÉTODOS DE EXTRAÇÃO DA CORRENTE DE

SEQÜÊNCIA NEGATIVA

14

3.1 Métodos baseados na teoria de vetores espaciais 15

3.1.1 Sistema de referência fixa 15

3.1.1.1 Método de detecção em tempo real através de vetores espaciais (DTRVE)

15

3.1.1.2 Método das potências ativa e reativa instantâneas (PQ) 19

3.1.2 Sistema de referência girante 21

3.1.2.1 Referência girante positiva (RSP) 21

3.1.2.2 Referência girante negativa (RSN) 25

3.2 Método baseado na teoria da decomposição em seqüência negativa, positiva e zero -Injeção direta de seqüência negativa (DSNI)

26

4 ANÁLISE COMPARATIVA DOS MÉTODOS DE EXTRAÇÃO DA CORRENTE DE SEQÜÊNCIA NEGATIVA

4.1 Considerações sobre o filtro utilizado em cada método simulado

30

4.1.1 Considerações sobre o filtro utilizado no método DTRVE 32 4.1.2 Considerações sobre o filtro utilizado na estratégia PQ 33 4.1.3 Considerações sobre o filtro utilizado na estratégia RSP 35 4.1.4 Considerações sobre o filtro utilizado na estratégia RSN 37 4.1.5 Considerações sobre a ausência de um filtro na estratégia

DSNI

38

4.2 Simulação dos métodos com a rede de alimentação equilibrada

38

4.3 Simulação dos métodos com perturbações na rede de alimentação

52

4.4 Resumo da comparação entre os métodos 56

5 IMPLEMENTAÇÃO DO CONVERSOR DE INJEÇÃO DE CORRENTE DE COMPENSAÇÃO

57

5.1 Topologias de conversores 57

5.2 Estratégias de implementação da malha de controle da corrente injetada

60

5.2.1 Controlador Linear Analógico 60

5.2.2 Controle por Histerese 65

5.2.3 Controle do tipo “Deadbeat” 66

5.3 Estratégia de regulação de tensão do barramento CC 70

6 PROJETO DO CONVERSOR 77

6.1 Dimensionamento do indutor de acoplamento do conversor VSI

77

6.2 Escolha da freqüência de chaveamento 78

6.3 Escolha do capacitor do barramento CC 79

6.4 Cálculo do controlador PI 80

7 SIMULAÇÃO DE UM COMPENSADOR COMPLETO 82

7.1 Desempenho do conversor operando como fonte de corrente 83

8 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA A CONTINUIDADE DO TRABALHO

91

ANEXO A - MÉTODO PROPOSTO DE EXTRAÇÃO DE SEQÜÊNCIA NEGATIVA - INJEÇÃO DIRETA DE SEQÜÊNCIA NEGATIVA (DSNI)

93

A.1 Dedução do algoritmo 93

A.2 Prova matemática do método proposto 95

ANEXO B – COMPENSAÇÃO DE CARGA MONOFÁSICA CONTENDO HARMÔNICOS PELO MÉTODO DE INJEÇÃO DIRETA DE SEQÜÊNCIA NEGATIVA (DSNI )

100

ANEXO C – CIRCUITO SIMULADO DO COMPENSADOR 104

LISTA DE REFERÊNCIAS 113

APÊNDICE A – REPRESENTAÇÃO DE VARIÁVEIS TRIFÁSICAS ATRAVÉS DE VETORES ESPACIAIS

LISTAS DE TABELAS

Tabela I (Anexo A) Quadro demonstrativo das correntes de compensação pelo método DSNI

98 Tabela II Quadro comparativo dos métodos de compensação de

seqüência negativa

56 Tabela III Quadro resumo das características adotadas do

compensador para a simulação completa do sistema

82 Tabela IV(Anexo B) Quadro demonstrativo das correntes de compensação

pelo método DSNI para uma carga monofásica contendo harmônicos

LISTAS DE FIGURAS

Figura 1 - Diagrama de Blocos – Estrutura da

Dissertação 3

Figura 2.1-1 - Carga desequilibrada para compensação através de montagem Scott

5

Figura 2.1-2 - Montagem Scott 6

Figura 2.1-3 - Diagrama fasorial da montagem Scott 6 Figura 2.2-1 - Carga monofásica resistiva 8 Figura 2.2-2 - Compensação do desbalanço pela inserção de

reatâncias

8 Figura 2.2-3 - Variação do grau de desequilíbrio com a

variação da carga monofásica mantendo as reatâncias de compensação XL e Xc constantes

11

Figura 2.3-1 - Diagrama em blocos do compensador ativo de desequilíbrios

12 Figura 3-1 - Diagrama de Blocos – Métodos de extração

das correntes de seqüência negativa

14 Figura 3.1.1-1

- Vetor e sua trajetória (pontilhada) →I 15 Figura 3.1.1-2

- Projeção do Vetor no sistema αβ

→

I 16

Figura 3.1.1-3

-Projeção no sistema αβ do Vetor após a filtragem

→ 1

I 17

Figura 3.1.1-4 - Algoritmo PQ 19

Figura 3.1.2-1 - Vetores em um sistema girante de referência 21 Figura 3.1.2-2 - Vetores dos componentes fundamentais em

um sistema fixo de referência

22 Figura 3.1.2-3 -Vetores da componente fundamental

representada em um sistema fixo e num sistema girante de referência

23

Figura 4 - Carga variável empregada na comparação entre os métodos de cálculo da corrente de seqüência negativa

28

Figura 4.1.1 - Comportamento da resposta em freqüência de um filtro Butterworth (com freqüência de corte 80 Hz) variando-se a ordem do filtro

Figura 4.1.2 - Comportamento da resposta ao degrau de um filtro Butterworth (com freqüência de corte 80 Hz) variando-se a ordem do filtro

31

Figura 4.1.3 - Comportamento da resposta ao degrau de um filtro Butterworth (de ordem 2) variando-se a freqüência de corte do filtro

31

Figura 4.1.4 - Comportamento da resposta em freqüência de um filtro Butterworth (de ordem 2) variando-se a freqüência de corte do filtro

32

Figura 4.1.5 - Resposta ao degrau e resposta em freqüência do filtro Butterworth (4º ordem, 100Hz) utilizado pelo método de detecção em tempo real utilizando vetores espaciais

32

Figura 4.1.6 - Correntes na carga simulada (Fig.4)

representadas no sistema de referência fixo – Método DTRVE

33

Figura 4.1.7 - Potência ativa instantânea da carga simulada

(Fig.4) 34

Figura 4.1.8 - Potência reativa instantânea da carga simulada (Fig.4)

34 Figura 4.1.9 - Resposta ao degrau e resposta em freqüência

do filtro Butterworth (2ºordem , 15Hz) utilizado pelo método PQ

35

Figura 4.1.10 - Correntes id e iq da carga simulada (Fig.4) 36 Figura 4.1.11 - Correntes id’ e iq’ na carga 37 Figura 4.2.0 - Variação da tensão no barramento CC –

Método PQ (sistema completo)

40 Figura 4.2.1a - Correntes na rede após a compensação

(Métodos DTRVE, PQ e DSNI)

42 Figura 4.2.1b - Correntes na rede após a compensação

(Métodos RSP, RSN e DSNI) 43

Figura 4.2.2a - Correntes injetadas pelo filtro (Métodos DTRVE, PQ e DSNI)

44 Figura 4.2.2b - Correntes injetadas pelo filtro (Métodos RSP,

RSN e DSNI)

45 Figura 4.2.3a - Correntes de seqüência positiva e negativa da

rede após compensação (Métodos DTRVE, PQ e DSNI) (calculado utilizando o bloco 3-Phase Sequence Analyzer do MATLAB – Simulink)

46

Figura 4.2.3b - Correntes de seqüência positiva e negativa da

DSNI) (calculado utilizando o bloco 3-Phase Sequence Analyzer do MATLAB – Simulink) Figura 4.2.4 - Potências ativas instantâneas da carga

simulada (Fig.4) - Método PQ 48 Figura 4.2.5 - Potências ativas instantâneas da carga

simulada (Fig.4) - Método RSP

48 Figura 4.2.6 - Potências ativas instantâneas da carga

simulada (Fig.4) - Método RSN 49 Figura 4.2.7 - Potências ativas instantâneas da carga

simulada (Fig.4) - Método DTRVE

49 Figura 4.2.8 - Potências ativas instantâneas da carga

simulada (Fig.4) - Método DSNI

50 Figura 4.2.9 - Correntes na rede após a compensação -

Métodos PQ (fc=80Hz) 50

Figura 4.2.10 - Correntes na rede após a compensação - Métodos RSP (fc=80Hz)

51 Figura 4.2.11 - Correntes na rede após a compensação -

Métodos RSN (fc=80Hz) 51

Figura 4.3 - Tensão distorcida fornecida pela rede (situação 2)

52 Figura 4.3.1 - Correntes da rede após a compensação pelo

método DTRVE -“situação 2”

53 Figura 4.3.2a - Correntes da rede após a compensação pelo

método PQ -“situação 1” 53

Figura 4.3.2b - Correntes da rede após a compensação pelo método PQ -“situação 2”

54 Figura 4.3.3 - Correntes da rede após a compensação pelo

método RSN -“situação 2” 55

Figura 4.3.4 - Correntes da rede após a compensação pelo método DSNI -“situação 2”

55

Figura 5.1-1 - Conversor tipo VSI 57

Figura 5.1-2 - Conversor tipo CSI 58

Figura 5.1-3 - Estrutura interna de um conversor VSI

trifásico 59

Figura 5.2-1 - Diagrama em blocos do controlador linear analógico em série

60 Figura 5.2-2a - Circuito de um conversor monofásico para

estudo da influência do ganho proporcional Kpv do controlador PI (τi =1ms)

Figura 5.2-2b - Comportamento das tensões de saída e referência em função da mudança ganho proporcional Kpv do controlador PI (τi =1ms)

63

Figura 5.2-2c - Comportamento das correntes de saída e referência em função da mudança no ganho do controlador PI

64

Figura 5.2-3 - Controle por Histerese 65

Figura 5.2-4 - Controle Deadbeat 67

Figura 5.2-5 - Modelo do Conversor VSI 67 Figura 5.3-1 - Diagrama em bloco mostrando o conversor e

as malha de controle de tensão no barramento CC e da corrente CA

71

Figura 5.3-2 - Diagrama de bloco simplificado da malha de tensão

72 Figura 7.1-1 - Atuação da malha de corrente e efeito da

injeção de seqüência zero para minimização da ondulação da corrente

83

Figura 7.1-2 - Estratégia deadbeat– efeito do atraso devido

ao tempo de cálculo 84

Figura 7.1-3 - Espectro da ondulação da corrente (Estratégia deadbeat sem levar em conta o tempo de atraso para o cálculo do algoritmo)

85

Figura 7.1-4 - Espectro da ondulação da corrente (Estratégia deadbeat levando-se em conta o tempo de atraso para o cálculo do algoritmo)

85

Figura 7.1-5 - Tensão de referência do bloco PWM-fase r (Estratégia deadbeat levando-se em conta o tempo de atraso para o cálculo do algoritmo)

85

Figura 7.2-1 - Correntes de linha da carga variável 86 Figura 7.2-2 - Correntes de injetadas pelo sistema de

compensação

87 Figura 7.2-3 - Correntes de linha na rede após a

compensação

87 Figura 7.2-4 - Variação da tensão no barramento CC 88 Figura 7.2-5 - Variação da tensão no barramento CC (carga

monofásica) 89

Figura 7.2-6 - Comportamento da malha de corrente (fase r) 89 Figura 7.2-7 - Seqüência positiva das correntes 90 Figura 7.2-8 - Seqüência negativa das correntes 90

Figura C-1 - Esquema do compensador de desequilíbrio 105 Figura C-2 - Cálculo da corrente de referência 106

Figura C-3a - Carga variável 107

Figura C-3b - Carga 108

Figura C-4a - Conversor (parte 1) 109

Figura C-4b - Conversor (parte 2) 110

Figura C-5 - Malha de tensão 111

Figura C-6 - Malha de corrente 112

Figura AP-1

-Vetor espacial , e os sistemas de coordenadas rst e αβ

→

LISTAS DE ABREVIATURAS E SIGLAS

DC - Direct current (Corrente contínua) AC - Alternating current (Corrente alternada)

VSI - Voltage Source Inverter (Inversor tipo fonte de tensão) PWM - Pulse Width Modulation (Modulação em largura de pulso)

TCR - Thyristor Controlled Reactors (Reatores controlados com tiristores) TSC - Thyristor Switched Capacitors (Capacitores estáticos chaveados a

tiristores)

PLL - Phase-Locked Loop

PCC - Point of common coupling (Ponto de acoplamento comum) CC - Corrente contínua

CA - Corrente alternada

PI - Proporcional-Integral (Controlador)

DTRVE - Método da Detecção em Tempo Real através de Vetores Espaciais PQ - Método da Potência Ativa e Reativa Instantânea

RSP - Método da Referência Síncrona Girante Positiva RSN - Método da Referência Síncrona Girante Negativa DSNI - Método da Injeção Direta de Seqüência Negativa ITAE - Integral-of-time-multiplied absolute-error

LISTAS DE SÍMBOLOS

X grau de desequilíbrio de corrente

• −

I fasor da corrente de seqüência negativa

• +

I fasor da corrente de seqüência positiva

T1, T2 Transformadores utilizados para a montagem Scott

• 1

V ,V •₂ fasores das tensões de saída (secundário) dos Transformadores utilizados para a montagem Scott

• RS

V ,V•_ST ,V•_TR fasores das tensões de linha (sistema RST)

• RM

V vetor da tensão entre o terminal R e o ponto médio M do primário de T2.

N1s número total de espiras do secundário de T1

N2s número total de espiras do secundário de T2

N1p número total de espiras do primário de T1

N2p número total de espiras do primário de T2

R,S,T 1 terminais de ligação de um sistema trifásico R resistência da carga

C capacitor

L indutor

f freqüência da rede T período do sinal da rede Xc reatância capacitiva

XL reatância indutiva

• RS

I ,I_ST• ,I_TR• fasores das correntes de fase

• R

I ,I•_S ,I•_T fasores das correntes de linha V valor eficaz da tensão de linha

1 _{A simbologia de período do sinal da rede (T) e a simbologia de resistor (R) não devem ser}

I valor eficaz da corrente de linha

tr st rs,P ,P

P potências ativas consumidas entre as fases correspondentes para uma carga ligada em triângulo

tr st rs,Q ,Q

Q potências reativas consumidas entre as fases correspondentes para uma carga ligada em triângulo

C _ tr C _ st C _ rs ,Q ,Q

Q potências reativas de compensação individuais para uma carga ligada em triângulo

)

cos(φ fator de deslocamento considerando ângulo da tensão nulo φ fase da corrente fundamental

Ibalanceada correntes de linha da rede balanceadas Idesbalanceada correntes de linha da carga desbalancedas

Icompensação correntes injetadas para compensação do desequilíbrio Icomp_ref correntes de referência para compensação do desequilíbrio iα(t),iβ(t) correntes instantâneas no sistema αβ

i0(t) correntes instantâneas de seqüência zero

ir(t), is(t), it(t) correntes instantâneas no sistema rst

) t ( i ), t ( i ), t (

i_{ref_r− ref_s− ref_t−} correntes instantâneas de referência vα(t),vβ(t) tensões instantâneas no sistema αβ

vr(t), vs(t), vt(t) tensões instantâneas no sistema rst

→

I vetor espacial associado as correntes instantâneas de um sistema trifásico → → → t , s , r versores do sistema rst → → β , α versores do sistema αβ Ip valor de pico da corrente

Vp valor de pico da tensão

I(t) módulo da corrente instantânea associada ao sistema θ(t) fase da corrente instantânea associada ao sistema

→ 1

I vetor espacial associado à corrente fundamental instantânea de sistema trifásico

→ f 1

I vetor espacial associado à corrente fundamental instantânea filtrada

) t (

I₁ módulo da corrente fundamental instantânea associada ao sistema

) t (

φ fase da corrente fundamental instantânea associada ao sistema

→ h

I vetor espacial associado aos harmônicos de corrente instantânea de um sistema trifásico

) t (

I_h módulo da corrente harmônica de ordem h instantânea associada ao sistema

) t (

h

φ fase da corrente harmônica de ordem h instantânea associada ao sistema

ω velocidade angular da rede

h ordem do harmônico

→ +

I vetor espacial associado à corrente fundamental de seqüência positiva de um sistema trifásico

→ −

I vetor espacial associado à corrente fundamental de seqüência negativa de um sistema trifásico

→ + h

I vetor espacial associado aos harmônicos de corrente de seqüência positiva de um sistema trifásico

→ − h

I vetor espacial associado aos harmônicos de corrente de seqüência negativa de um sistema trifásico

+

I módulo do vetor espacial associado à corrente fundamental de seqüência positiva de um sistema trifásico

−

I módulo do vetor espacial associado à corrente fundamental de seqüência negativa de um sistema trifásico

+ h

I módulo do vetor espacial associado aos harmônicos de corrente de seqüência positiva de um sistema trifásico

− h

I módulo do vetor espacial associado aos harmônicos de corrente de seqüência negativa de um sistema trifásico

φh+ _{fase do harmônico de seqüência positiva de ordem h}

φh- _{fase do harmônico de seqüência negativa de ordem h}

ϕ deslocamento da fase causado pelo filtro iαf(t),iβf(t) correntes instantâneas filtradas no sistema αβ

iαf+(t),iβf+(t) parte real e parte imaginária das correntes instantâneas filtradas

de seqüência positiva da freqüência fundamental no sistema αβ iαf-(t),iβf-(t) parte real e parte imaginária das correntes instantâneas filtradas

de seqüência negativa da freqüência fundamental no sistema αβ

iαf90(t),iβf 90(t) parte real e parte imaginária das correntes instantâneas filtradas

no sistema αβ e rotacionadas de -π/2

iα+(t), iβ+(t) parte real e parte imaginária das correntes instantâneas de

seqüência positiva com a defasagem corrigida

iα-(t), iβ-(t) parte real e parte imaginária das correntes instantâneas de

seqüência negativa com a defasagem corrigida p,q potências ativa e reativa instantâneas

p , q parte constante das potências ativa e reativa instantâneas p~ , q~ parte oscilatória das potências ativa e reativa instantâneas

c

p ,q _c potências de compensação ativa e reativa instantâneas

ωt ângulo variante no tempo que representa a posição angular do eixo girante

ψ ângulo qualquer em radianos

→ →

q ,

d versores do sistema dq

id(t), iq(t) correntes instantâneas no sistema dq

) t ( i ), t (

) t ( i ), t (

i_{d q} parcelas médias das correntes instantâneas no sistema dq )

t ( i'

d ,i'q(t) correntes instantâneas no sistema d’q’

) t ( i ), t ( i ~' q ~ '

d parcelas oscilatórias das correntes instantâneas no sistema d’q’

) t ( i ), t ( i ' q '

d parcelas médias das correntes instantâneas no sistema d’q’

) t ( i ), t (

i~_{dn qn}~ parcelas oscilatórias das correntes instantâneas de seqüência negativa no sistema dq

iαc(t), iβc(t) parte real e parte imaginária das correntes instantâneas de

compensação ) t ( i ), t ( i ), t (

i_{r− s− t−} correntes instantâneas de seqüência negativa

ir90(t),is90(t),it90(t) correntes instantâneas atrasadas de π/2 no sistema rst

N número de amostras por ciclo da rede

• 0

I fasor da corrente de seqüência nula

• − • − • − S T R ,I ,I

I fasores das componentes de seqüência negativa das correntes de linha

M matriz de conversão de valores no sistema rst para componentes simétricas

irc(t), isc(t), itc(t) correntes instantâneas da rede após a compensação

Id corrente do lado CC do conversor CSI

Iinjetada(s) corrente injetada (domínio s)

Iref(s) corrente de referência (domínio s)

Ierro(s) corrente instantânea de erro (domínio s)

Gct(s) ganho do bloco controlador da malha de corrente (domínio s)

Gf (s) ganho do bloco conversor (domínio s)

iinjetada(t) corrente instantânea injetada

iref(t) corrente instantânea de referência

∆b variação superior da banda de histerese em relação à referência

-∆b variação inferior da banda de histerese em relação à referência

vc tensão de saída do conversor

k instante atual de amostragem ∆ período de amostragem

vd tensão do capacitor do barramento CC

vcref tensão de referência para o conversor

v tensão instantânea da rede i corrente instantânea da rede

Kpv ganho proporcional do controlador PI (malha de corrente)

τi constante de tempo do controlador PI (malha de corrente)

ic corrente do capacitor do barramento CC

vtri tensão da portadora triangular

vdm tensão instantânea do capacitor do barramento CC

vLr, vLs, vLt queda de tensão instantânea no indutor de acoplamento

vr_PLL, vs_PLL, vt_PLL tensões instantâneas produzidas pelo PLL

vc_ref_r, vc_ref_s, vc_ref_t tensões instantâneas de referência

i_dc_r, i_dc_s, i_dc_t correntes instantâneas de compensação para o regulador do

barramento CC

verro erro instantâneo de tensão no barramento CC

vd_ref tensão de referência do barramento CC

iref_PI corrente instantânea de saída do controlador PI (malha de

tensão)

Gc(s) ganho do bloco controlador da malha de tensão

ir_injetada, is_injetada, it_injetada correntes instantâneas injetadas pelo conversor

vr, vs, vt tensões instantâneas no sistema rst

vrede matriz de tensões da rede

irede matriz de correntes da rede

dm

v valor médio da tensão no barramento CC

dm

v

∆ ondulação de tensão no barramento CC (ripple)

PI _ ref

i valor médio da corrente injetada (malha de tensão)

PI _ ref

i

∆ variação da corrente injetada (malha de tensão) K ganho da função de transferência da malha de tensão Kp ganho proporcional do controlador PI (malha de tensão)

KI ganho integral do controlador PI (malha de tensão)

) s (

G ganho do bloco G (conversor+controlador de corrente) Gp (s) ganho do pré-filtro (malha de tensão) (domínio s)

T(s) função de transferência em malha fechada do sistema (malha de tensão)

Ts tempo de acomodação do sinal

ζ fator de amortecimento

n

ω freqüência natural do sistema

• c

V fasor da tensão de saída do conversor

•

V fasor da tensão da rede

•

I fasor da corrente da rede

injetada

I

•

fasor da corrente injetada na rede Z impedância de entrada do conversor

I- valor de pico da corrente de seqüência negativa da rede

vdmax tensão máxima do capacitor do barramento CC

vdmix tensão mínima do capacitor do barramento CC

irh(t), ish(t), ith(t) correntes harmônicas instantâneas da carga

fc freqüência de chaveamento fa freqüência de amostragem • − r _ ref

RESUMO

É cada vez maior a preocupação com a qualidade da energia elétrica tanto do ponto de vista do consumidor quanto da concessionária. Um dos grandes problemas encontrados é o desequilíbrio de correntes trifásicas devido à utilização de cargas monofásicas, bifásicas ou trifásicas desequilibradas em sistemas trifásicos de potência. Para eliminar esse desequilíbrio é necessária a identificação da parcela de corrente de seqüência negativa presente no sistema e sua eliminação. A injeção das correntes de compensação via conversores estáticos operando em PWM (Pulse Width Modulation) é uma das soluções aplicadas. Esta solução exige o cálculo em tempo real da componente instantânea de seqüência negativa, que será utilizada para a obtenção da referência de corrente do conversor. Neste trabalho, alguns dos métodos mais conhecidos para a determinação das correntes de referências são agrupados segundo suas características comuns e suas notações são uniformizadas. Estes métodos são simulados e comparados segundo suas características a partir de resultados obtidos via simulação numérica utilizando o software MATLAB (Simulink-Power System Blockset). Um novo método é proposto para a extração em tempo real da componente da corrente de seqüência negativa, apresentando um bom desempenho em comparação com os outros métodos. O desempenho de um compensador completo é verificado via simulação numérica, utilizando-se um conversor do tipo fonte de tensão operando em PWM, incluindo as malhas de controle de corrente do lado CA e da tensão no barramento CC. As metodologias do projeto do conversor (indutor CA e capacitor CC) e das malhas de controle (rastreamento da corrente CA e regulação da tensão CC) são apresentadas.

ABSTRACT

The concern with the power quality is great, not only from the consumer's point of view but also from the utilities point of view. One of the most common problems is the unbalanced three-phase currents due to the use of single-phase loads, two-phase loads or unbalanced three-phase loads in three-phase power systems. In order to eliminate this unbalance it is necessary to identify the negative sequence components of the load current and to eliminate it. The injection of the compensating currents by means of static converters using PWM (Pulse Width Modulation) is one possible solution. This solution needs an algorithm for the real time extraction of the negative sequence component that will be used for generating the reference current for the converter. In this work, well-known methods for determination of the reference currents are organized and explained according to their common characteristics. All the methods have their simbology unified and their performance are compared based on simulation results. A new method, faster than the existing ones, is proposed. It is fully simulated using a voltage source converter operating with PWM. Design methodologies are proposed for the converter (AC inductor, DC capacitor) and for the control loops (AC current tracking and DC voltages regulation).