Conexão de um Filtro Hibrido Série em uma
Microrrede para Compensação Harmônica
Hélio Marcos André Antunes, Sidelmo Magalhães Silva
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - Universidade Federal de Minas Gerais - Av. Antônio Carlos 6627, 31270-901, Belo Horizonte, MG, Brasil
Resumo Atualmente o setor elétrico vivencia uma expansão
da geração distribuída, e dentro desse contexto as microrredes vêm ganhado destaque. Uma microrrede é formada por um conjunto de microfontes de geração de energia elétrica, cargas elétricas e elementos armazenadores de energia, que pode ou não estar conectado à rede elétrica principal. Porém, uma vez que se baseia em geradores constituídos por conversores eletrônicos programáveis, uma microrrede possui baixa potência de curto-circuito o que a torna muito suscetível a problemas na Qualidade da Energia Elétrica (QEE). Este trabalho apresenta uma análise da operação série entre um filtro passivo e ativo conectado a uma microrrede c.a.. Por meio de simulação no software Matlab/Simulink será avaliado o desempenho do filtro híbrido série na compensação harmônica e amortecimento da ressonância harmônica, contribuindo para a melhoria da QEE na microrrede.
Palavras-chave Microrredes, filtro híbrido série,
compensação harmônica.
I.INTRODUÇÃO
Atualmente o mundo vem vivenciando um aumento no consumo de energia elétrica, o que tem levado a uma intensa busca por novas fontes de energia, de preferência mais limpas e renováveis. Assim, a geração de energia elétrica mais próxima das cargas tem ganhado espaço, colocando em segundo plano a geração centralizada. Os sistemas de geração descentralizada possuem níveis da ordem de 1kW a 10 MW [1]–[3].
Dentro desse contexto vem surgindo um novo conceito, denominado de microrrede [4], [5]. Uma microrrede pode ser definida como um conjunto de fontes de geração distribuída e cargas, ligadas à rede elétrica. As fontes de geração distribuída geralmente são fontes renováveis como solar, eólica, biomassa e etc. Em uma microrrede também pode haver um sistema de armazenamento de energia formado por baterias, supercapacitores, compressores de ar ou flywheel [6], [7]. O avanço da eletrônica de potência permitiu o desenvolvimento da interface entre as fontes de geração renováveis com a rede elétrica, garantindo até mesmo a operação isolada de uma microrrede. Porém, uma microrrede é um sistema elétrico fraco e com baixa potência de curto-circuito, o que a torna susceptível a problemas na QEE (Qualidade da Energia Elétrica) [7]. Os problemas mais comuns na QEE das microrredes são: desbalanço de tensão, conteúdo harmônico, baixo fator de potência e desvios na
H. M. A. Antunes, helio@ele.ufes.br, Tel. +3409-5465, Fax 55-31-3409-5480; S. M. Silva, sidelmo@eee.ufmg.br, Tel. +55-31-3409-4874. O presente trabalho foi realizado com o apoio financeiro da CAPES – Brasil. Este trabalho foi financiado pelo CNPQ, através de uma bolsa de doutorado para o aluno Helio M. A. Antunes.
frequência [7].
Com a expansão no uso das cargas não-lineares, as taxas de distorção harmônica de tensão e corrente no ponto de acoplamento comum (PAC) de uma microrrede são substancialmente incrementadas, o que pode ser um grande problema para a QEE [2]. Uma solução muito comum encontrada na literatura para a mitigação harmônica pode ser obtida através da conexão série entre um filtro ativo e passivo, formando um filtro híbrido série. Nesta configuração o filtro passivo atua compensado reativos e absorvendo as componentes não-lineares da carga. Já o filtro ativo atua como um isolador harmônico entre a rede elétrica e o filtro passivo, permitindo assim eliminar a ressonância harmônica no sistema elétrico [8]–[12].
Este trabalho tem como objetivo analisar por meio de simulação computacional a operação de um filtro híbrido série conectado a uma microrrede de energia elétrica. A microrrede considerada somente opera no modo conectado à rede elétrica, e é formada pelo sistema elétrico de baixa tensão, cargas lineares e não-lineares e um sistema fotovoltaico conectado à
rede (SFCR). Com o modelo desenvolvido no
Matlab/Simulink serão avaliados o desempenho e controle do sistema de filtragem híbrida, com relação aos aspectos ligados a compensação das distorções harmônicas de tensão e corrente no ponto de acoplamento comum (PAC) da microrrede.
II-MICRORREDECOMSISTEMADEFILTRAGEM
HARMÔNICAHÍBRIDA
Na Fig. 1 é apresentado um diagrama esquemático da microrrede de energia elétrica em que será aplicado o sistema de filtragem híbrida série.
A microrrede exibida na Fig. 1 segundo o padrão IEEE Std. 1547.4 [13] é do tipo ilha secundária, com uma fonte de geração distribuída, consumidores e rede de distribuição elétrica. A geração distribuída da microrrede é formada por um sistema fotovoltaico conectado à rede (SFCR), com capacidade de suprir parcialmente as cargas elétricas. Já a carga elétrica da microrrede é do tipo linear e não-linear. A carga linear foi modelada como sendo do tipo impedância constante, com característica RL. Já a carga não-linear é considerada um retificador trifásico, com filtro indutivo na entrada e carga do tipo fonte de tensão. Para filtragem harmônica e compensação de reativos existe na microrrede um filtro passivo composto, formado por três estágios de filtragem. A Tabela I apresenta os principais parâmetros elétricos da microrrede em estudo.
TABELA I – CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DA MICRORREDE EM ANÁLISE.
Sistema Características
Rede elétrica Sistema trifásico a três fios, 220 V/ 60 Hz, Scc=750 kVA, X/R=0,5
SFCR
Inversor trifásico SPWM 20 kVA/ 220V/ fs=9 kHz, filtro
LCL, conversor boost 250/500V- 20kW/ fs=10 kHz,
sistema fotovoltaico com 20 kWp. Carga elétrica
linear 220 V, 35 kVA, fp=0,73 atrasado Carga elétrica
não-linear 220 V, 30 kW, L= 0,5 mH, C= 4700 μF, Vcc=297 V Filtro passivo
Filtro passa faixa: 5h, Q=42, L= 2,7mH, C= 105,25 μF Filtro passa faixa: 7h, Q=42, L= 1,3mH, C= 107,40 μF Filtro passa alta: 11h, Q=2,2, L= 0,535 mH, C=108,73μF O SFCR é composto por um conversor boost controlado pelo algoritmo MPPT perturba e observa, e um inversor trifásico do tipo fonte de tensão operando como fonte de corrente, com modulação PWM senoidal (SPWM) e filtro LCL [14]–[16]. Com a conexão do filtro ativo em série com o filtro passivo é possível melhorar as características de compensação harmônica da microrrede. Como a maior parte da tensão está aplicada no filtro passivo, a capacidade nominal do filtro ativo é reduzida e a topologia de filtragem harmônica torna-se atrativa. Outro ponto que deve ser ressaltado é que o filtro ativo melhora o desempenho do filtro passivo na compensação harmônica [17], [18]. Em um filtro híbrido série ideal, com ganho infinito, o filtro ativo não opera como um compensador harmônico, mas sim isolando a carga da rede elétrica. Logo, não ocorre mais ressonância harmônica e não existe fluxo de harmônicos de corrente em direção a rede elétrica [9].
III-PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO E COMPENSAÇÃO DO FILTRO HÍBRIDO SÉRIE
O filtro ativo na topologia de filtragem híbrida série é implementado através de um inversor trifásico do tipo fonte de tensão, conectado em série com o filtro passivo. A tensão de saída do filtro ativo é dada por (1).
𝑣𝑐(𝑡) = 𝐾𝑣𝑖𝑠ℎ(𝑡) (1)
Onde:
ish(t) – componente harmônica de corrente na fonte;
Kv – ganho do filtro híbrido série;
vc(t) – tensão de compensação do filtro ativo.
Para cada parcela de corrente harmônica é gerada uma tensão em fase simulando um resistor. Este resistor é equivalente ao ganho do filtro híbrido série e desempenha importante papel na isolação harmônica, além de contribuir para o dimensionamento do filtro ativo.
Uma representação da microrrede com o filtro híbrido série pode ser observada na Fig. 2(a), onde as duas fontes geradoras de correntes harmônicas são a carga não-linear (IL) e a fonte de corrente (Iinv) que representa o SFCR. Partindo do pressuposto que a tensão na rede elétrica seja senoidal, com a fonte de corrente do SFCR desabilitada, o sistema elétrico pode ser representado conforme a Fig. 2(b), onde a carga não-linear é a única fonte geradora de correntes harmônicas. Na Fig. 2(a) não é representada a carga linear, pois a mesma pode ser considerada um circuito aberto para as parcelas harmônicas de corrente.
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 2. Circuito equivalente da microrrede com filtro híbrido série: (a) circuito equivalente; (b) circuito equivalente para ilh; (c) circuito com Kv;
(d) SFCR como fonte poluidora.
A corrente harmônica da rede elétrica, do filtro passivo e do inversor do SFCR são expressas através de (2) a (4).
𝑖𝑠ℎ
𝑖𝑙ℎ=
𝑍𝑓𝑝𝑍𝑖𝑛𝑣
𝑖𝑓ℎ 𝑖𝑙ℎ = (𝑍𝑠+𝐾𝑉)𝑍𝑖𝑛𝑣 𝑍𝑓𝑝𝑍𝑖𝑛𝑣+(𝑍𝑠+𝐾𝑉)𝑍𝑖𝑛𝑣+𝑍𝑠𝑍𝑖𝑛𝑣 (3) 𝑖𝑖𝑛𝑣ℎ 𝑖𝑙ℎ = 𝑍𝑓𝑝(𝑍𝑠+𝐾𝑉) 𝑍𝑓𝑝𝑍𝑖𝑛𝑣+(𝑍𝑠+𝐾𝑉)𝑍𝑖𝑛𝑣+𝑍𝑠𝑍𝑖𝑛𝑣 (4) Onde:
ish, ilh, ifh, iinvh: corrente harmônica da rede elétrica, da carga, do filtro híbrido e do inversor;
Zs, Zfp, Zinv: impedância da rede, do filtro passivo e do inversor.
Nas Equações (2) a (4) pode-se verificar que o filtro ativo insere uma resistência em série com a impedância da rede elétrica, cujo o valor do ganho é igual ao ganho do filtro híbrido série (Kv) conforme circuito equivalente ilustrado na Fig. 2(c). Considerando agora a fonte de corrente do SFCR como única fonte poluidora (desativando a carga não-linear) é possível verificar o efeito do filtro híbrido série na compensação das parcelas de corrente na rede elétrica e no filtro passivo, como ilustrado na Fig. 2(d). As Equações (5) e (6) representam a Fig. 2(d). 𝑖𝑠ℎ 𝑖𝑖𝑛𝑣ℎ= 𝑍𝑓𝑝𝑍𝑓 2𝑍𝑓𝑝2 +𝑍𝑓𝑝(𝑍𝑠−2𝐾𝑉+𝑍2+𝑍𝑓)+𝑍2(𝑍𝑠−𝐾𝑉)+𝑍𝐹(𝑍𝑠−𝐾𝑉) (5) 𝑖𝑓ℎ 𝑖𝑖𝑛𝑣ℎ= (𝑍𝑠−𝐾𝑉)𝑍𝑓 2𝑍𝑓𝑝2 +𝑍𝑓𝑝(𝑍𝑠−2𝐾𝑉+𝑍2+𝑍𝑓)+𝑍2(𝑍𝑠−𝐾𝑉)+𝑍𝐹(𝑍𝑠−𝐾𝑉) (6)
Ajustando o ganho Kv do filtro híbrido série é possível aumentar o numerador de (2) a (4), fazendo com que ish≈0 e ifh=ilh. De modo análogo as relações (5) e (6), o ajuste do ganho Kv faz com que ish≈0 e ifh=iinvh. Assim, o filtro ativo força todas as harmônicas da carga não-linear e do inversor SFCR a fluírem em direção ao filtro passivo, além de amortecer a ressonância harmônica. Logo, o filtro ativo elimina as desvantagens da operação isolada do filtro passivo [8], [19]. Para se determinar o ganho Kv do filtro híbrido série para a microrrede em estudo devem ser esboçadas as relações Ish/Ilh, Ifh/Ilh,Iinvh/Ilh, Iish/Iinvh, Ifh/Iinvh com os respectivos valores de impedância. Tais relações são ilustradas nas Fig. 3.
Para Kv=0 tem-se amplificação harmônica na rede elétrica e um baixo desempenho do filtro passivo, tanto quando a carga elétrica e o inversor do SFCR são consideradas fontes poluidoras. Com o incremento do ganho a amplificação harmônica é eliminada na rede elétrica, e o filtro passivo passa a receber mais parcelas harmônicas de corrente. Será adotado Kv=6, pois com este ganho é possível melhorar as características de desempenho de filtragem do sistema passivo, com o amortecimento da ressonância harmônica na rede elétrica. Deve ser ressaltado que os picos nas funções Ish/Iinvh e Ifh/Iinvh com Kv=6não coincidem com harmônicos gerados pelo inversor SFCR, permitindo usar este ganho.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Fig. 3. Características de filtragem com filtro híbrido série: (a) Ish/Ilh;
(b) Ifh/Ilh; (c) Iinvh/Ilh; (d) Ish/Iinvh; (e) Ifh/Iinvh.
IV-MÉTODO DE DETECÇÃO HARMÔNICA
Um dos requisitos fundamentais para a operação do filtro híbrido série é o método de detecção harmônica. Neste artigo será utilizado o método do eixo de referência síncrono, comumente chamado de SRF (Synchronous Reference Frame) apresentado na Fig. 4 [8], [19].
O SRF tem simplicidade na sua implementação e imunidade às distorções de tensão [19]. A corrente da rede elétrica é amostrada através de sensores de corrente e transformada para o sistema de coordenadas dq0, no referencial síncrono, através da transformação de Park. Para se definir a frequência angular da rede elétrica é utilizado um DSOGI-PLL apresentado por
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 Ordem Harmônica Is h /I lh (d B ) Kv=0 Kv=6 Kv=12 Kv=36 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 Ordem Harmônica If h /I lh (d B ) Kv=0 Kv=6 Kv=12 Kv=36 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Ordem Harmônica Ii n v /I lh (d B ) Kv=0 Kv=6 Kv=12 Kv=36 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 Ordem Harmônica Is h /I in v h (d B ) Kv=0 Kv=6 Kv=12 Kv=36 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 Ordem Harmônica If h /I in v h (d B ) Kv=0 Kv=6 Kv=12 Kv=36
Rodriguez et al. [20] e ilustrado na Fig. 5, permitindo deste modo obter o cálculo da transformação através de (7).
Fig. 4. Diagrama de bloco do método de detecção harmônica. [𝑖𝑑 𝑒 𝑖𝑞𝑒 ]=[𝑠𝑒𝑛𝜃1 𝑠𝑒𝑛 (𝜃1− 2𝜋 3⁄ ) 𝑠𝑒𝑛(𝜃1+ 2𝜋 3⁄ ) 𝑐𝑜𝑠𝜃1 𝑐𝑜𝑠(𝜃1− 2𝜋 3⁄ ) 𝑐𝑜𝑠(𝜃1+ 2𝜋 3⁄ ) ] [ 𝑖𝑎 𝑖𝑏 𝑖𝑐 ] (7) Onde: 𝑖𝑑𝑒,𝑖 𝑞
𝑒 – corrente de eixo direto e quadratura no
referencial síncrono;
𝑖𝑎, 𝑖𝑏, 𝑖𝑐 – corrente nas fases a, b, c no domínio do tempo.
Fig. 5. Diagrama de blocos do DSOGI-PLL. Fonte: [20]
Usando um filtro passa-baixa (FPB) a componente c.c. é extraída e posteriormente subtraída da corrente resultante na transformação de Park. Com a transformação inversa de Park as correntes harmônicas de referência no domínio do tempo são obtidas. Multiplicando as correntes pelo ganho do filtro híbrido série (Kv) são geradas as tensões, que devem ser sintetizadas pelo inversor.
V-MODELO DO SISTEMA PROPOSTO PARA SIMULAÇÃO
O desenvolvimento do modelo da microrrede é feito no aplicativo Matlab/Simulink. A Fig. 6 apresenta o modelo computacional da microrrede desenvolvida.
Fig. 6. Modelo da microrrede com filtro híbrido série.
O filtro híbrido série aplicado a microrrede é do tipo ideal, formado por uma fonte de tensão ideal conectado diretamente aos terminais do filtro passivo.
VI-ANÁLISE E OPERAÇÃO DO FILTRO HÍBRIDO SÉRIE NA MICRORREDE
Para o estudo da microrrede e sua respectiva análise das distorções harmônicas no PAC será adotado um período de
simulação igual 0,6 s. A seguir são enumeradas a sequência de conexão das cargas, fontes e demais elementos da microrrede que produziram o fluxo de potência ativa e reativa no PAC, apresentado na Fig. 7.
• t=0 s - início da simulação com energização do PAC, conexão do SFCR e das cargas elétricas;
• t= 0,2 s - conexão do filtro passivo a microrrede;
• t=0,4 s – conexão do filtro ativo em série com o filtro passivo.
(a)
(b)
Fig. 7. Fluxo de potência na microrrede: (a) potência ativa; (b) potência reativa.
Para avaliar a operação da microrrede com o filtro híbrido série no que concerne a QEE, será esboçado a relação da taxa de distorção harmônica de tensão (TDHv) e corrente (TDHi) no PAC, conforme ilustrado na Fig. 8.
Fig. 8 – Modelo da microrrede com filtro híbrido série.
A Tabela II apresenta a máxima taxa de distorção de tensão e corrente nas três condições de operação da microrrede, obtidas a partir da Fig. 8.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 tempo(s) P (k W )
Fluxo de potencia ativa na microrrede
PAC SFCR Carga FHS 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 tempo(s) Q (k V A r)
Fluxo de potencia reativa na microrrede
PAC SFCR Carga FHS 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 2 4 6 8 10 12 14 tempo(s) Ta x a d e d is to rç ã o h a rm ô n ic a
TDH de tensão e corrente no PAC
TDHv TDHi
TABELA II – QUANTIFICAÇÃO DA DISTORÇÃO HARMÔNICA NO PAC. Microrrede: TDHv (%) TDHi (%) Sem filtro harmônico 6,6 13,1
Com filtro passivo 2,7 6,3 Com filtro híbrido série (Kv=6) 1,2 0,75
A partir dos resultados apresentados na Tabela II é possível notar que a conexão do filtro híbrido série propiciou uma redução de 450% na TDHv e 1647% na TDHi no PAC comparado ao panorama sem filtragem harmônica, mostrando a eficácia da topologia de filtragem híbrida. As Fig. 9 e 10 apresentam as formas de onda no domínio do tempo para a tensão de fase van e a corrente de linha na fase a, antes e depois da operação do filtro híbrido série, e em conjunto com o espectro harmônico obtido com a ferramenta PowerGui do Matlab/Simulink. (a) (b) (c) (d)
Fig. 9. Tensão no PAC: (a) Tensão de fase van nodomínio do tempo; (b)
TDHV sem filtro passivo; (c) (b) TDHV com filtro passivo; (d) TDHV com
filtro híbrido série;
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 10. Corrente no PAC: (a) corrente ia no domínio do tempo; (b) TDHi sem
filtro passivo; (c) TDHi com filtro passivo; (d) TDHi com filtro híbrido série.
Por final, é apresentado na Fig. 11 a tensão e corrente no filtro híbrido série no domínio do tempo.
(a) 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 -150 -100 -50 0 50 100 150 tempo(s) Te n s ã o (V ) Tensão no PAC 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 tempo(s) C o rr e n te (A ) Corrente no PAC 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 -15 -10 -5 0 5 10 15 tempo(s) Te n s ã o (V )
Tensão no filtro ativo
Van Vbn Vcn
(b)
Fig. 11 – Filtro ativo do FHS: (a) tensão de fase no tempo; (b) corrente de linha no tempo.
O dimensionamento do filtro ativo que compõe o filtro híbrido série é definido por Akagi [10], através da relação (8). |𝑆𝐹𝐴| = √3𝑉𝑐𝑐 √2 𝐼𝐹𝐻𝑆 √2 (8) Onde:
VCC – tensão no barramento CC do filtro ativo;
IFA – corrente de pico no filtro ativo;
SFA – Potência aparente do filtro ativo.
Adotando um inversor trifásico com modulação PWM a dois níveis, a tensão no barramento c.c. é igual a duas vezes a tensão de saída do filtro ativo. Substituindo os valores apresentados na Fig.11 em (8) tem-se: |𝑆𝐹𝐴| = √3 (2∗18,61) √2 51 √2=1,64 kVA
Com um filtro ativo de potência nominal igual a 1,64 kVA é possível eliminar com a ressonância harmônica e melhorar as características de filtragem do sistema passivo.
VII-CONCLUSÕES
Este artigo apresenta um estudo da conexão de um filtro híbrido série para a compensação harmônica em uma microrrede. O modelo desenvolvido da microrrede permitiu analisar o fluxo de potência na rede, além de contemplar uma análise das taxas de distorção harmônica de tensão e corrente no PAC.
Foi verificado que com um filtro hibrido série é possível eliminar com a ressonância harmônica na rede e melhorar as características de filtragem do filtro passivo.
Por simulação foi demonstrado que o filtro híbrido série permite reduzir as taxas de distorção harmônica de tensão e corrente no PAC da microrrede, com um filtro ativo de baixa capacidade nominal.
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2006. 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 tempo(s) C o rr e n te (A )
Corrente no filtro ativo
Ia Ib Ic
