UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE
COMPUTAÇÃO
FILIPE DE NASSAU E BRAGA
INTERFACE ELETRONICA PARA CONTROLE DE FLUXO DE POTÊNCIA E CONTROLE DE QUALIDADE DE ENERGIA EM SISTEMAS DE GERAÇÃO
DISTRIBUIDA CONECTADOS DIRETAMENTE À REDE ELÉTRICA
CAMPINAS 2015
FILIPE DE NASSAU E BRAGA
INTERFACE ELETRONICA PARA CONTROLE DE FLUXO DE POTÊNCIA E CONTROLE DE QUALIDADE DE ENERGIA EM SISTEMAS DE GERAÇÃO
DISTRIBUIDA CONECTADOS DIRETAMENTE À REDE ELÉTRICA
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica, na Área de Sistemas de Energia Elétrica
Orientador: JOSÉ ANTENOR POMILIO Coorientador: ERNESTO RUPPERT FILHO
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL TESE DEFENDIDA PELO ALUNO FILIPE DE NASSAU E BRAGA, E ORIENTADA PELO PROF. DR. JOSÉ ANTENOR POMILIO
CAMPINAS 2015
COMISSÃO JULGADORA – TESE DE DOUTORADO
Candidato: Filipe de Nassau e Braga RA: 096069
]Data da Defesa: 09 de setembro de 2015
Título da Tese: "Interface Eletrônica para Controle de Fluxo de Potência e Controle
de Qualidade de Energia em Sistemas de Geração Distribuída Conectados Diretamente à Rede Elétrica”.
Prof. Dr. Ernesto Ruppert Filho (Presidente, FEEC/Unicamp) Prof. Dr. Enes Gonçalves Marra (UFG)
Prof. Dr. Paulo José Amaral Serni (UNESP)
Prof. Dr. Luiz Carlos Pereira da Silva (FEEC/UNICAMP) Prof. Dr. Helmo Kelis Morales Paredes
A ata de defesa, com as respectivas assinaturas dos membros da Comissão Julgadora, encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Agradecimentos
Não gostaria de deixar esse espaço de agradecimentos como algo formal, e impessoal, como já vi em muitos outros textos. Afinal, eu só cheguei a esse momento por causa de dezenas de incríveis e especiais pessoas que jamais vou esquecer.
Gostaria de agradecer primeiramente a Deus por quem sou e por tudo que tive a oportunidade de passar, para ser quem sou. Um agradecimento constante e eterno.
Agradeço imensamente à minha mãe Maria, meu pai Ladislau, meu irmão Rafael e minha irmã Renata, por terem escolhido ser minha família e jamais perderem a fé de que eu conseguiria chegar até aqui. Um especial agradecimento à minha querida tia Laura Gusmão, por todo o apoio e carinho ao longo de toda minha vida estudantil.
Agradeço a meu orientador, professor Antenor pelas orientações, oportunidade de trabalho e paciência nesta longa jornada que aqui se finda. Também agradeço imensamente aos meus colegas de laboratório com quem trabalhei, Marcos Balduino, Tiago Curi, Jakson Bonaldo, Fernando Fajoni, Filipe Trindade, Hildo Guillardi e tantos outros que me ajudaram a chegar aqui.
Um agradecimento mais que especial à minha família adotiva, que jamais deixarei, “mamãe” Mônica Raineri, Aline Martin, Marcelo Lapolla, João Vilella, vocês são o mais valioso tesouro que adquiri!
À minha queridíssima Viviane Romeiro, cuja inspiração me foi de grande valia, cujas palavras e força de vida foram insubstituíveis! Também àqueles que me acolheram em sua casa e me consideram parte dela, seu João e dona Nilva, jamais esquecerei de tudo!
Aos meus grandes amigos de longa data, Marcelo Mogami e Fernando Castro, vocês são incríveis e eternos!
Aos meus amigos de república, e irmãos para vida toda, André Frazão e Elisa Bastos!
E um mais que especial agradecimento aos meus também irmãos, amigos, consultores e orientadores de vida, Daniel Gabriel Lopes e Davi Gabriel Lopes!
Aos meus mais que queridos irmãos “paulistanos” Daniel Domingos e Priscila Kleine!
Meus mais sinceros agradecimentos a todos que passaram por minha vida, e me apoiaram durante todos esses momentos!
RESUMO
O presente trabalho apresenta uma interface eletrônica que controla o fluxo de potência em um gerador local de energia conectado diretamente à rede de distribuição de baixa tensão, alimentando uma carga local. O sistema também atua na melhoria da qualidade da tensão no ponto de acoplamento comum (PAC). A interface é composta de um inversor conectado ao PAC, onde também é conectada a carga. O inversor é capaz de ajustar o ângulo entre as tensões do PAC e da rede e assim regular a direção e intensidade da potência transferida. O balanço é feito através do controle da tensão do barramento CC do inversor e do controle da amplitude da tensão do PAC. Também é feita a compensação de potência reativa, fazendo com o que sistema trabalhe com fator de deslocamento unitário. Em todos os testes realizados, para carga com característica indutiva e não linear, os resultados estão dentro das normas internacionais de qualidade.
ABSTRACT
The present work shows an electronic interface that controls the power flux at a local generator directly connected to the distribution low voltage grid, supplying a local load. The system also acts in the improvement of the power quality at the point of common coupling (PCC). The interface is composed of, basically, an inverter connected to the PCC, where the load is connected too. The inverter is able to adjust the angle between the local and the grid voltage and then regulates the direction and intensity of transferred power and impose a sinusoidal voltage at the point of coupling. The balance is done controlling of the inverter link CC voltage. In addition, the inverter compensates the reactive power, allowing the system to work with unitary displacement power factor. In all realized tests, for an inductive and non linear load, the results are according to the international norms of quality.
Lista de Ilustrações
Figura 2-1 – Evolução da oferta interna de energia (ano base 2013). ... 22
Figura 2-2 - Consumo final por fonte. ... 23
Figura 2-3 - Matriz Elétrica do Brasil – (ano base 2013). ... 23
Figura 2-4 – Conexão direta com a carga em paralelo [11]. ... 25
Figura 2-5 – Acesso à rede por uma chave [11]. ... 25
Figura 2-6 – Esquema de geração distribuída e sua tarifação [2]. ... 27
Figura 2-7 – Sistemas de conversão de energia eólica [20]. ... 28
Figura 2-8– Gerador de indução em gaiola conectado diretamente à rede [21]. ... 31
Figura 2-9 – Gerador de indução com rotor bobinado com controle de resistência do rotor [21]. ... 32
Figura 2-10 – Controle de geração eólica com gerador de indução duplamente alimentado [21]. ... 32
Figura 2-11 – Uso do conversor back to back nos sistemas de geração eólica [21]. ... 33
Figura 2-12 – Diagramas para estruturas de sistemas de geração de energia a partir de células fotovoltaicas. ... 34
Figura 2-13 - Representação genérica de um sistema de geração distribuída. a) Com a presença de um inversor no PAC; b) representação por barras, sem o inversor. ... 36
Figura 2-14 – Inversor fonte de tensão. ... 37
Figura 2-15 – Diagrama fasorial das tensões e correntes no sistema de geração distribuída. ... 38
Figura 2-16 – Inversor operando como fonte de corrente. ... 39
Figura 2-17 – Diagrama de controle para inversor operando como fonte de tensão [30]. ... 40
Figura 2-18 – Controle de corrente no sistema de referência dq. ... 41
Figura 2-19 – Controle de corrente no sistema de referência αβ. ... 42
Figura 2-20 – Controle de corrente no sistema de referência abc. ... 42
Figura 3-1 – Sistema considerado. ... 43
Figura 3-2 – Diagrama de blocos do controle do sistema. ... 45
Figura 3-3 – Controlador para o barramento CC. ... 46
Figura 3-4 – Modelo completo do controlador do link CC. ... 47
Figura 3-5 – Diagrama do Bode do controlador do barramento CC, com e sem compensação. ... 48
Figura 3-6 – Estrutura do controlador da potência reativa. ... 49
Figura 3-7 Modelo para o dimensionamento de LS. ... 50
Figura 3-8 - Diagrama de Bode para o filtro LC, antes e depois da inserção do resistor de amortecimento. . 52
Figura 3-9 - Diagrama de Bode do filtro LC de saída, antes e depois da inserção do ramo de amortecimento. ... 53
Figura 3-10 – Vetor espacial da tensão de referência e seus componentes no sistema bifásico fixo αβ. ... 54
Figura 3-11 – Controlador PR (proporcional ressonante) com compensação harmônica. ... 56
Figura 3-12 – Resposta em frequência do ganho e da fase do regulador PR+CH, considerando 5ª e 7ª harmônica. ... 57
Figura 3-13 – Diagrama com os pontos para os sensores de corrente e tensão. ... 57
Figura 3-14 – Esquema de controle do inversor. ... 58
Figura 3-15 – Esquema do PLL. ... 59
Figura 3-16 Circuito simulado. ... 61
Figura 3-17 – Diagrama do conversor AD, configurado no PSIM. ... 62
Figura 3-18 – Blocos de controle do sistema. ... 63
Figura 3-19 – Esquema de controle implementado do PSIM. ... 65
Figura 3-20 – Interface do utilitário de conversão do domínio s para z. ... 66
Figura 3-21 – Tensão do barramento CC do inversor e referência de amplitude da tensão durante o transitório de partida do sistema. ... 67
Figura 3-22 – Tensão do PAC, tensão da rede, corrente da rede e corrente da carga, na fase A, durante o transitório de partida do sistema. ... 68
Figura 3-23 – Detalhe da tensão do PAC, tensão da rede, corrente da rede e corrente da carga, na fase A, durante o transitório de partida do sistema. ... 68
Figura 3-24 – Valores eficazes da tensão da rede e tensão do PAC. ... 69
Figura 3-25 – Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente da carga ... 70
Figura 3-26 – Corrente do PAC, corrente do inversor e corrente da carga para o caso da carga linear com comportamento indutivo. ... 70
Figura 3-27 – Ângulo beta, o ângulo entre as tensões. ... 71
Figura 3-28 – Potência reativa medida. ... 71
Figura 3-29 – Tensão da rede (Vs_An), tensão do PAC (Vc_An), corrente da rede (I_Rede) e corrente da carga (I_Carga) para uma carga não linear. ... 72
Figura 3-30 – Corrente do inversor para uma carga não linear. ... 73
Figura 3-31 – Potências do sistema. ... 73
Figura 3-32 – Variação do ângulo β. ... 74
Figura 3-33 – Tensão no PAC, tensão da rede, corrente na rede, antes da injeção de potência. ... 75
Figura 3-34 - Tensão no PAC, tensão da rede, corrente na rede, após a injeção de potência. ... 75
Figura 3-35 – Variação da potência injetada pelo gerador, ângulo β e do valor da tensão do barramento CC do inversor. ... 76
Figura 3-36 – Variação da corrente do PAC durante a variação da potência injetada pelo gerador. ... 76
Figura 4-1 – Protótipo montado. Inversor, placas de condicionamento e interface, sensores, filtro LC e gerador. ... 80
Figura 4-2 – Indutâncias de acoplamento, variac para a tensão de entrada e cargas a serem alimentadas no protótipo montado. ... 80
Figura 4-3 – Esquema elétrico para a placa de condicionamento de sinais para o DSP. ... 81
Figura 4-4 – Esquema para interface entre os sinais PWM do DSP e os gate drivers do inversor. ... 81
Figura 4-5- Tensão da rede elétrica, tomada entre fase e neutro, considerando fase A... 82
Figura 4-7 – Harmônicas e THD para a tensão da rede. ... 84
Figura 4-8 – Transitório de partida do sistema. ... 85
Figura 4-9 – Bloco de controle da tensão e a saída para a referência de corrente. ... 85
Figura 4-10 – Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente da carga, antes da operação do inversor. ... 86
Figura 4-11 – Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente do inversor. ... 87
Figura 4-12 - Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente da carga. ... 87
Figura 4-13 – FFT da tensão do PAC. ... 88
Figura 4-14 – Detalhe do ângulo entre as tensões da rede e do PAC. ... 88
Figura 4-15 –FFT da corrente da rede. ... 89
Figura 4-16 – Controladores da malha de tensão, com a introdução de compensador na quinta harmônica. . 90
Figura 4-17 – Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente do inversor, com presença de quinta harmônica. ... 90
Figura 4-18 - Tensão da rede, tensão do PAC e corrente da rede com presença de quinta harmônica. ... 91
Figura 4-19 – FFT da tensão do PAC após a inserção de 5ª harmônica. ... 91
Figura 4-20 – FFT da corrente da rede após a inserção de 5ª harmônica. ... 92
Figura 4-21 - Controlador da malha de tensão com a adição de um compensador na sétima harmônica. ... 92
Figura 4-22 – Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente do inversor com presença de quinta e sétima harmônica. ... 93
Figura 4-23- Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede com presença de quinta e sétima harmônica. 93 Figura 4-24 – FFT da tensão do PAC após inserção de quinta e sétima harmônica na corrente. ... 94
Figura 4-25 – FFT da corrente da rede com inserção de quinta e sétima harmônica. ... 94
Figura 4-26 – Espectro harmônico da tensão do PAC, referência de corrente apenas com fundamental. ... 95
Figura 4-27 – Espectro harmônico da tensão do PAC, com adição da distorção de quinta harmônica. ... 95
Figura 4-28 – Espectro harmônico da tensão do PAC, com adição de distorção de quinta e sétima harmônica. ... 96
Figura 4-29 – Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede, sem atuação do inversor. ... 97
Figura 4-30 Tensão do PAC antes da atuação do inversor. ... 97
Figura 4-31 – Espectro harmônico da tensão do PAC, sem operação do inversor, com carga não linear... 98
Figura 4-32 – FFT da tensão do PAC antes da atuação do inversor. ... 98
Figura 4-33 – FFT da corrente da rede, antes da atuação do inversor. ... 99
Figura 4-34 - Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente do inversor. ... 100
Figura 4-35 - Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente da carga. ... 100
Figura 4-36 - Tensão da rede, tensão do PAC e corrente da rede... 101
Figura 4-37 - Tensão da rede e tensão do PAC. ... 101
Figura 4-38 – FFT da tensão do PAC. ... 102
Figura 4-40- Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente do inversor com distorção de quinta
harmônica. ... 103
Figura 4-41 - Tensão da rede, tensão do PAC e corrente da rede com distorção de quinta harmônica... 104
Figura 4-42 - FFT tensão do PAC com distorção de quinta harmônica. ... 104
Figura 4-43 – FFT corrente da rede com distorção de quinta harmônica. ... 105
Figura 4-44 - Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente do inversor com distorção de quinta e sétima harmônica. ... 106
Figura 4-45 - Tensão da rede, tensão do PAC e corrente da rede com distorção de quinta e sétima harmônica. ... 106
Figura 4-46 - Tensão da rede e tensão do PAC com distorção de quinta e sétima harmônica. ... 107
Figura 4-47 – FFT da tensão do PAC com distorção de quinta e sétima harmônica. ... 107
Figura 4-48 – FFT da corrente da rede com distorção de quinta e sétima harmônica. ... 108
Figura 4-49 – Espectro da tensão do PAC com a referência de corrente apenas com fundamental. ... 109
Figura 4-50 - Espectro da tensão do PAC com a referência de corrente com distorção de quinta harmônica. ... 110
Figura 4-51 - Espectro da tensão do PAC com a referência de corrente com distorção de quinta e sétima harmônicas. ... 110
Figura 4-52 Tensão na rede, tensão no PAC, corrente na rede, antes da opeação do inversor. ... 111
Figura 4-53 - Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente do inversor. ... 111
Figura 4-54 - Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente da carga. ... 112
Figura 4-55 - Tensão da rede x tensão do PAC. ... 112
Figura 4-56 – Espectro harmônico da tensão no PAC para uma carga não linear indutiva. ... 113
Figura 4-57 – Tensão da rede, tensão do PAC e corrente da rede. ... 114
Figura 4-58 – Tensão da rede e tensão do PAC, em detalhe. ... 114
Figura 4-59 – Tensão da rede, tensão do PAC e corrente da rede, situação em que a potência gerada pela máquina é igual a consumida pela carga. ... 116
Figura 4-60 – Detalhe da tensão da rede e tensão do PAC, quando o gerador gera a mesma potência consumida pela carga. ... 116
Figura 4-61 - Tensão da rede, tensão do PAC, corrente da rede e corrente do gerador, situação em que há injeção de potência, com potência medida na rede. ... 117
Figura 4-62 – Tensão da rede e tensão do PAC, tem detalhe, situação em que há injeção de potência na rede. ... 117
Figura 4-63 – Tensão do barramento CC, V_CC, ângulo beta e potência ativa na rede durante a variação de potência na máquina. ... 118
Figura 4-64 – Tensão do barramento CC, V_DC, ângulo beta e o valor RMS da tensão do PAC durante a variação de potência na máquina. ... 119
Figura 4-65 – Tensão do barramento CC, V_DC, ângulo beta e a potência ativa PAC desde a partida do sistema até a geração de potência na máquina. ... 120
Figura 4-66 - Tensão do barramento CC, V_DC, ângulo beta e a potência ativa, P, no momento da desconexão da carga do sistema. ... 121
Lista de Tabelas
Tabela 2-1 – Definição de GD de acordo com algumas instituições. ... 24
Tabela 2-2 – Relação de usinas de geração eólica no Brasil. ... 28
Tabela 2-3 – Características dos geradores para sistemas eólicos [20]. ... 29
Tabela 2-4 – Comparação entre os tipos de geradores para sistemas de geração eólica [20]. ... 30
Tabela 4-1 – Composição harmônica da tensão da rede ... 83
Tabela 4-2 Resumo das harmônicas para tensão do PAC. ... 108
Lista de símbolos
PAC Ponto de Acoplamento Comum
CC Corrente Contínua
CA Corrente Alternada
GD Geração Distribuída
DRE Distribuição de Recursos de Energia
ONS Operador Nacional do Sistema
PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
DFIG Gerador de Indução Duplamente Alimentado CC/CC Corrente Contínua em Corrente Contínua CC/CA Corrente Contínua em Corrente Alternada MPPT Rastreamento do Ponto de Máxima Potência V_CC Tensão no capacitor do barramento CC do Inversor Vc_ref Referência de Amplitude da Tensão do PAC
Ls Indutor de Acoplamento
β Ângulo entre a Tensão da rede e a tensão do PAC
VPAC Tensão do PAC
VRede Tensão da Rede
VC_An Tensão do PAC, tomada entre a fase A e o neutro
VS_An Tensão da Rede, tomada entre a fase A e o neutro
PI Proporcional Integral
PR Proporcional Ressonante
IPAC Corrente no indutor de acoplamento, ou corrente no PAC
CIGRE Conselho em Grandes Sistemas Elétricos
CIRED Conferência e Exibição Internacional em Distribuição de Eletricidade. IEEE Instituto de Engenheiros Eletrônicos e Eletricistas
PLL Malha de Captura de Fase
PWM Modulação por Largura de Pulso
PSIM Power Simulator
DSP Processador Digital de Sinais
AD Conversor Analógico Digital
FFT Transformada Rápida de Fourrier
SUMÁRIO
1. Introdução ... 19
Capítulo 2 ... 22
2 Fontes Renováveis e Geração Distribuída de Energia ... 22
2.1 Matriz energética brasileira ... 22
2.2 Geração Distribuída ... 23
2.3 Energia Eólica ... 28
2.4 Energia Solar ... 33
2.5 Geração Distribuída e Técnicas de controle de interface ... 35
Capítulo 3 ... 43
3 Descrição do Sistema... 43
3.1 Modelagem do Sistema e do Conversor ... 45
3.1.1 Controle do Inversor ... 45
3.1.1 Controle da tensão do barramento CC ... 46
3.1.2 Controle da potência reativa ... 48
3.1.3 Determinação do indutor de acoplamento ... 49
3.1.4 Filtro LC de saída do inversor ... 51
3.2 Controle do sistema ... 53
3.2.1 PLL ... 59
3.3 Simulações ... 59
3.3.1 Resultado das Simulações ... 67
Capítulo 4 ... 78
4 Resultados Experimentais... 78
4.1 Descrição do Protótipo ... 78
4.2 Considerações e aspectos da qualidade de energia ... 82
4.2.1 Considerações sobre a tensão da rede ... 82
4.3 Transitório de partida... 84
4.4 Carga linear com comportamento indutivo ... 85
4.6 Injeção de potência ... 113 4.7 Conclusão ... 121 Capítulo 5 ... 123 5 Conclusões ... 123 5.1 Conclusão Geral ... 123 5.2 Trabalhos futuros ... 124 6 REFERÊNCIAS ... 125 7 ANEXO I ... 130 8 ANEXO II ... 132
19
Capítulo 1
1. Introdução
O setor elétrico mundial passou, e passa, por diversas mudanças, sendo elas de fundamental importância para o desenvolvimento econômico e social. A energia elétrica transforma a vida de todos os cidadãos desde sua introdução na sociedade. Essas mudanças são inúmeras e visíveis a qualquer um.
Com as mudanças na sociedade, crescimento populacional e industrial, tem-se uma contínua necessidade de geração para atender a essa nova demanda. Essa energia é necessária para a manutenção e crescimento das nações, geração de empregos entre outros.
Contudo, a geração de energia elétrica conduz a um profundo impacto ambiental que nos assombra constantemente. Com a necessidade de não agravar essa situação e conduzir a um avanço no crescimento do mercado de energia, a penetração das energias renováveis é de fundamental importância para essa realidade. Atualmente, a integração das energias renováveis no sistema elétrico é crescente.
A eletrônica de potência visa criar a interface entre as fontes geradoras, otimizando o seu aproveitamento, permitindo que as mesmas operem dentro das normas de qualidade mesmo em situações de flutuação de potência, em virtude da mudança das condições de operação a que se sujeitam, e condicionando formas de onda.
Essas mesmas fontes podem ser utilizadas para geração de escala significativa, num modelo de geração distribuída, como por exemplo, usinas eólicas e usinas solares, conectadas à rede.
Para o caso de potências maiores, a geração geralmente é feita com geradores síncronos. Para potências menores, nas chamadas microgrids, com potencias inferiores a 100 kVA a aplicação dos geradores de indução, especialmente o gaiola de esquilo, é crescente em função da sua robustez, custo reduzido, manutenção simples [1] [2].
A utilização desses geradores de indução acarreta um cenário diferente do que apresenta a dinâmica dos sistemas síncronos. Os geradores assíncronos, para controle da frequência, necessitam de um contínuo controle e/ou regulação dessa grandeza nos sistemas que são constituídos desses geradores.
Com base nessa breve introdução, esse trabalho tem por objetivo continuar o estudo de um cenário iniciado em [3], no qual iniciaram-se os estudos do emprego de um gerador de indução sem controle de velocidade e de frequência. Em um sistema isolado da rede, um
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inversor define a tensão e a frequência do barramento CA. A conexão com a rede, caso desejada, se faz de modo assíncrono por meio de um conversor adicional, CC-CA. O desenvolvimento das pesquisas levaram a um cenário de conexão direta do gerador de indução trifásico com uma rede monofásica [4]. Nesse caso, o inversor é também responsável pelo controle do fluxo de potência para a rede CA, sempre operando como fonte de tensão e em derivação, ou seja, atuando de modo interativo com a rede, sem a necessidade de retificação da potência gerada localmente.
Em [5] se estuda a conexão do gerador de indução trifásico diretamente a uma rede também trifásica, com o inversor operando no controle do fluxo de potência e na regulação da tensão local. Em todos esses casos considerou-se que a potência gerada localmente era praticamente constante, em um cenário que se poderia considerar como a de uma micro central hidrelétrica.
O sistema desenvolvido utiliza uma topologia em que o inversor está em derivação no ponto de acoplamento entre o gerador, as cargas locais e a rede de distribuição, de maneira que não se torna necessário processar a potência gerada localmente para injetá-la na rede. O inversor tem, no entanto, a capacidade de alterar a tensão nesse ponto de acoplamento e, com isso, controlar o fluxo de potência e outras características relacionadas à qualidade da energia elétrica. Diferente dos estudos anteriores, no presente trabalho o pressuposto é a variação rápida da injeção de potência por parte do gerador de indução, em um cenário de geração eólica. São mantidas as hipóteses de ausência de controle na turbina, e de que todo procedimento de regulação do fluxo de potência para a rede e da qualidade da energia elétrica são realizadas pelo inversor.
As principais contribuições buscadas nessa tese se referem ao desenvolvimento de estratégias que permitam ao sistema em estudo fazer a regulação dinâmica de flutuação rápidas de potência proveniente da fonte CA (gerador eólico baseado em máquina de indução). Ao mesmo tempo, devem ser garantidos índices de qualidade da energia disponível localmente, mesmo na presença de distorções na rede. Além disso, realiza o estudo e a verificação de que são inconciliáveis os objetivos de minimizar a distorção da corrente pela rede e da tensão no PAC, quanto a tensão da rede é distorcida. Finalmente, comprova a capacidade de atuação de filtragem ativa da corrente sem necessidade de qualquer tipo de decomposição dos sinais de corrente e tensão.
Este trabalho mostra uma situação de melhoria na qualidade da tensão no ponto de acoplamento comum, considerando uma distorção introduzida na corrente do PAC, impedindo que a mesma apareça na tensão. Ainda mostra situação em que a potência do gerador local
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oscila e o inversor conectado ao PAC é capaz de controlar o fluxo de potência entre o gerador e a rede, alimentando uma carga local, controlando o ângulo entre as tensões da rede e do PAC, não sendo necessário o desacoplamento das tensões. Ainda faz a compensação da potência reativa fazendo com que o sistema opere com fator de deslocamento unitário.
Esta tese está organizada como descrito a seguir.
No capítulo 2 são descritos os principais aspectos e tendências da geração distribuída, além de normas reguladoras e principais conceitos. Também são descritos os modos de operação do inversor a ser conectado em derivação e os principais métodos de controle.
No capítulo 3 é descrito o sistema estudado, como foram projetados os componentes, controladores, assim como é descrito o sistema de controle do projeto. Também é descrita a ferramenta utilizada para geração de código no PSIM e são mostrados os resultados de simulação.
No capítulo 4 é descrito o protótipo montado e mostrados os resultados experimentais obtidos para o caso em que a carga é linear com comportamento indutivo, não linear e, por fim, retorna à situação com carga resistiva para verificar também situações de importação e de exportação de energia para a rede elétrica, a depender da disponibilidade de geração local e da demanda instalada.
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Capítulo 2
2 Fontes Renováveis e Geração Distribuída de Energia
2.1 Matriz energética brasileira
A figura 2-1 ilustra a evolução da Matriz Energética do Brasil, indicando a participação das fontes. A figura 2-2 mostra a participação relativa de cada fonte de energia no Brasil, dividida por fontes de energia. Os dados foram obtidos em [6].
A geração de energia elétrica representa menos de 20% do total de energia, dentre todas as fontes. É visível a grande dependência do petróleo e seus derivados, sendo esse bastante versátil e usado para transportes, aquecimento, e inclusive geração de energia. Percebe-se como há necessidade de reduzir a dependência e consumo de fontes não renováveis de energia, especialmente no que tange à geração de energia elétrica.
A figura 2-3 mostra a composição da matriz elétrica do Brasil, em 2013. 70,6% são de geração hidrelétrica, e uma parcela pequena, porém presente e crescente ao longo dos últimos anos, de geração eólica, 1,1%, aproximadamente, fazem da matriz nacional uma das mais renováveis do mundo.
Ainda de acordo com [6], a geração hidráulica apresentou uma redução de 5,69%; a geração não renovável cresceu aproximadamente 5%; a geração de autoprodutores totalizou aproximadamente 14% do total gerado em 2013. Finalmente, houve um crescimento de 4,4% na oferta interna de energia frente ao ano de 2012.
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Figura 2-2 - Consumo final por fonte.
Figura 2-3 - Matriz Elétrica do Brasil – (ano base 2013).
2.2 Geração Distribuída
Geração distribuída (GD) é um conceito que abrange um vasto espectro de esquemas usados para geração e condicionamento de energia em um dado local, usando fontes renováveis e não renováveis. Cada vez mais presente na rede, seja para injeção de potência ativa ou reativa, esse tipo de geração é crescente ao longo dos últimos anos e se mostra como uma alternativa viável para a integração das energias renováveis ao sistema. Fato que já ocorre ao longo da última década pelo menos.
24
Também pode ser mencionado o conceito de geração dispersa para definir geração menor que 10kW, com o intuito de dimensionar e considerar geração ocorrida em residências e pequenos comércios [7].
GD pode ser definida de diversas formas, em função de cada órgão regulador e/ou país, e em função da faixa de potência associada. Hoje em dia é comum ser considerada em um contexto de distribuição de recursos de energia (DRE), que inclui não somente GD mas também armazenamento de energias e cargas especiais, que são caracterizadas por não estarem conectadas diretamente [8], [9].
Cada órgão define GD de forma particular, em função dos níveis de potência e diferentes legislações em cada país. As definições dos principais órgãos são mostradas na tabela 2-1:
Tabela 2-1 – Definição de GD de acordo com algumas instituições.
Instituição Definição
CIGRE Não é centralmente planejada e despachada.
Geralmente conectada em redes de distribuição.
Capacidade menor que 50MW CIRED Varia de acordo com cada país,
parecendo não haver uma definição precisa do que é GD.
IEEE Instalações de geração conectadas
na rede via um ponto de conexão, um subconjunto de fontes distribuídas, sendo essas, fontes que não são diretamente conectadas no sistema principal de transmissão.
PRODIST Definida como centrais geradoras de energia elétrica de qualquer potência, com instalações conectadas diretamente no sistema de distribuição, operando em paralelo ou de forma isolada e despachada, ou não, pelo ONS.
Enfim, qualquer tipo de geração conectada diretamente em redes de distribuição, que não é planejada ou centralmente despachada é definido como GD. Quando conectada, pode suprir confiabilidade e melhoria de qualidade. À medida que a tecnologia se aproxima do
25
usuário final, há uma redução no custo de expansão da rede e das perdas, além de um aumento na capacidade da rede [10].
A conexão da GD pode ser feita de duas formas, como mostra a figura 2-4 e a figura 2-5: Em paralelo: Geração Distribuída Carga Rede de Distribuição
Figura 2-4 – Conexão direta com a carga em paralelo [11].
Em chave:
Geração
Distribuída
Carga
Rede de
Distribuição
Figura 2-5 – Acesso à rede por uma chave [11].
Quando conectado em paralelo, o sistema de GD dá suporte auxiliar, reduzindo a quantidade de potência demandada da rede, e caso a geração exceda a demanda da carga, é possível fornecer potência. Quando em conexão via chave, é possível ocorrer alguma interrupção ao fazer o chaveamento [11].
Dentre as principais motivações para o uso e crescimento da geração distribuída, pode-se citar, de acordo com o relatório WG-37-23 CIGRE [12]:
26
Instalação próxima à carga, diminuindo custos.
Alta eficiência pode ser atingida em cogeração e ciclos combinados.
Regulação com motivações políticas, com subsídios e reembolso de tarifas para tecnologias limpas e renováveis.
Financiamentos de várias instituições estão se tornando disponíveis, visto que os mesmos têm apresentado condições favoráveis.
Sistemas desregulamentados com incentivo à competição entre os agentes geradores no mercado de energia são uma motivação extra para grupos industriais e econômicos iniciarem novos negócios na área de geração de energia elétrica através da GD.
Conscientização sobre impactos ambientais.
Modularidade e rapidez de instalação.
Confiabilidade de instalações industriais.
Também pode-se justificar o crescimento pelo chamado “European 20-20-20”, no qual os países membros da união europeia devem ter uma base de geração de 20% de energias renováveis, do total consumido até 2020. Pode-se também citar o artigo 14/7 da União Europeia, setor elétrico, que se refere ao uso da GD como alternativa à expansão da rede. Com o crescimento é necessária a integração desses sistemas, que se dá principalmente por motivos de sustentabilidade. Junto com o uso eficiente da energia, o desenvolvimento da GD é considerada como um potencial meio de se chegar no objetivo [13]. Em [14] podemos encontrar alguns meios de se determinar a máxima capacidade de geração conectada a uma rede.
Ainda de acordo com [12], parece haver um consenso razoável sobre as principais questões técnicas relativas ao impacto da geração distribuída em redes de distribuição:
Operação ilhada.
Aumento do nível de curto-circuito.
Impacto na qualidade de energia.
Preocupações sobre o controle de tensão e despacho central.
Se considerarmos uma grande penetração de GD: o Há preocupação com a estabilidade do sistema. o Induz ao surgimento de regulamentação rigorosa.
Questões econômicas.
27
Caso a coordenação do controle entre as unidades de GD seja ruim, a confiança do sistema será reduzida [11].
Gerência e controle do fluxo de potência.
Controle de tensão, garantindo que a tensão está dentro dos limites de acordo com a norma.
Níveis e sistemas adequados de proteção.
A necessidade constante e crescente de controle da potência injetada e qualidade da tensão no ponto de acoplamento gera constante preocupação dos órgãos reguladores, e também uma revisão dos mecanismos de proteção e regulação da rede de distribuição, à medida que aumenta a penetração da GD [15], [16]. A falta de planejamento de onde serão conectadas e como serão controlados os pontos de geração, podem acarretar em sérios problemas de regulação e perdas adicionais no sistema de distribuição [17]. Especialmente no Brasil, [18] faz uma revisão detalhada do procedimento e requisitos para instalação e operação.
No âmbito nacional, a resolução normativa 482/2012, publicada pela ANEEL, tem o objetivo de reduzir as barreiras para a conexão de pequenas centrais geradoras na rede de distribuição. Complementar a isso, a seção 3.7 do Módulo 3 do PRODIST estabelece os procedimentos para acesso de micro e mini geradores ao sistema de distribuição. A micro geração diz respeito a uma capacidade instalada menor que 100 kW e a mini geração uma capacidade entre 100 kW e 1 MW [2].
Quando existe um sistema de micro ou mini geração este permite que seja injetada potência na rede, essa potência é computada e pode ser utilizada para compensação de uma fatura de energia. Para ilustrar como essa compensação pode ser feita, a figura 2-6 ilustra o esquema.
28
Na figura, a energia gerada na residência pode ter seu excedente injetado na rede e mensurada por um medidor bidirecional. Esse valor pode ser usado para compensar, financeiramente, a energia demandada da rede. A referência [2] ilustra e exemplifica como ocorre a tarifação nos sistemas onde a cogeração está presente.
2.3 Energia Eólica
De acordo com [6], a produção de eletricidade a partir da fonte eólica alcançou 5.050 GWh em 2013, representando um aumento de 86,7% em relação ao ano anterior, quando se alcançou 2.705 GWh. Em 2012, a potência instalada para geração eólica no país expandiu 32,6%. Segundo o Banco de Informações da Geração (BIG), da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), o parque eólico nacional cresceu 463 MW, alcançando 1.886 MW ao final de 2013 [19].
A geração eólica de energia é crescente em todo o mundo. No Brasil, os dados da geração eólica estão descritos na tabela 2-2 [19]:
Tabela 2-2 – Relação de usinas de geração eólica no Brasil.
Usinas Total kW
260 usinas em operação 5.790.201 kW
120 empreendimentos em construção 3.166.370 kW 310 usinas com construção não iniciada 7.157.404 kW
Dentre as interfaces para geração da energia eólica, podemos classificar as mesmas em três grandes grupos: aeronáutico, mecânico e elétrico, representados na figura 2-7.
29
Não serão detalhados ou descritos os aspectos aeronáuticos e mecânicos dos sistemas. Dentro dos aspectos elétricos, três grupos são diferenciados, as turbinas geradoras, os conversores eletrônicos de potência e os aspectos da rede elétrica ao qual a geração se conecta [20]. Dentre as turbinas, temos:
Velocidade fixa;
Velocidade variável;
Cada sistema usa um tipo de tecnologia de turbina adequada. As principais turbinas, e suas características são listadas na tabela 2-3, resumindo os seis tipos de turbina considerados em [20]:
Tabela 2-3 – Características dos geradores para sistemas eólicos [20].
Gerador (tipo) Vantagens Desvantagens Gerador de Indução Gaiola de
Esquilo SCIG (velocidade fixa)
Simples de projetar, construir e controlar;
Operação Robusta;
Baixo Custo;
Baixa extração de potência;
Sem controle de potência ativa e reativa;
Elevado estresse mecânico;
Perdas elevadas nas engrenagens;
Gerador síncrono de imã permanente PMSG (velocidade variável)
Alto índice de extração de potência;
Alto índice de controlabilidade de potência ativa e reativa;
Ausência de escovas/ anéis deslizantes;
Estresse mecânico reduzido;
Perdas reduzidas no rotor;
Alto custo do material do imã permanente;
Desmagnetização do imã permanente;
Processo de construção complexo;
Alto custo do CEP (conversor eletrônico de potência);
Perdas elevadas no CEP;
Gerador síncrono Rotor Bobinado WRSG (velocidade variável)
Alto índice de extração de potência;
Alto índice de controlabilidade de potência ativa e reativa;
Baixo estresse mecânico;
Custo elevado para o enrolamento de cobre;
Custo elevado do CEP (conversor eletrônico de potência);
Perdas elevadas no CEP; Gerador de Indução Duplamente
Alimentado DFIG (velocidade variável)
Alto índice de extração de potência;
Alto índice de controlabilidade de potência ativa e reativa;
Custo reduzido do CEP;
Presença de escovas/anéis deslizantes;
Perdas elevadas nas engrenagens;
30
Perdas reduzidas no CEP;
Estresse mecânico reduzido; Gerador de Indução Brushless
Duplamente Alimentado BDFIG (Velocidade variável)
Alto índice de extração de potência;
Alto índice de controlabilidade de potência ativa e reativa;
Baixo custo do CEP;
Perdas reduzidas no CEP;
Pouco estresse mecânico;
Tamanho reduzido;
Ausência de escovas/ anéis deslizantes;
Ainda necessita de maturidade técnica;
Controle, projeto e montagem complexa;
Perdas elevadas nas engrenagens;
Gerador de Relutância Brushless Duplamente alimentado BDFRG (velocidade variável)
Alto índice de extração de potência;
Alto índice de controlabilidade de potência ativa e reativa;
Custo reduzido do CEP;
Perdas reduzidas no CEP;
Ausência de escovas/anéis deslizantes;
Perdas reduzidas no rotor;
Estresse mecânico reduzido;
Construção simplificada;
Necessita de maturidade técnica;
Controle, projeto e montagem complexa;
Perdas elevadas nas engrenagens;
Tamanho elevado, frente ao Gerador de Indução Duplamente Alimentado;
Tabela 2-4 – Comparação entre os tipos de geradores para sistemas de geração eólica [20].
Gerador Extração de
Energia Custo Confiabilidade
Dificuldade para conexão
com a rede
Maturidade Técnica
SCIC Baixa Baixo Alta Baixa Alta
PMSG Alta Médio-Alto Alta Alta Médio-Alta
WRSG Médio-Alta Alto Alta Alta Alta
DFIG Médio-Alta Médio Média Médio Alta
BDFIG Médio-Alta Médio Médio-Alta Médio-Alta Baixa BDFRG Médio-Alta Baixa-Médio Alta Médio-Alta Baixa
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Nenhuma eletrônica de potência
Nesta configuração, o gerador é conectado diretamente à rede. As vantagens dessa conexão são simplicidade e o menor custo de implementação, comparado com outras. Como desvantagem, pode-se citar que a turbina deve operar com velocidade constante e requer uma rede forte para permitir operação estável. A figura 2-8 mostra a configuração dessa conexão, que é normalmente é feita com uma máquina de indução com rotor gaiola de esquilo.
Figura 2-8– Gerador de indução em gaiola conectado diretamente à rede [21].
Uso parcial da eletrônica de potência
É possível controlar parcialmente a operação da máquina com uso de conversores. A vantagem desse sistema é que há uma maior geração de energia em função do aproveitamento do vento, quando sua variação acontece.
O gerador de indução com rotor bobinado permite o acesso aos terminais do rotor onde a resistência do mesmo pode ser controlada. A conexão é feita com anéis deslizantes, uma desvantagem frente à conexão direta com o gerador com rotor em gaiola. O sistema ainda precisa de soft-starter para partida. A figura 2-9 ilustra a conexão.
Esse tipo de conexão é feita com uma máquina de indução duplamente alimentada ( DFIG ). Neste caso, o estator da máquina é ligado diretamente à rede e o rotor é ligado através de um conversor de potência. A potência do conversor é de cerca de 30% da potência do gerador. Com este arranjo, é possível absorver até 30% da variação da velocidade do vento. A figura 2-10 mostra a conexão com o DFIG.
32
Figura 2-9 – Gerador de indução com rotor bobinado com controle de resistência do rotor [21].
Figura 2-10 – Controle de geração eólica com gerador de indução duplamente alimentado [21].
Uso de interfaces totalmente eletrônicas
Neste caso, há o desacoplamento total da rede entre o gerador e a rede através da presença do capacitor do barramento CC após o retificador. Uma vez que o gerador está desacoplado da rede, este pode operar numa faixa de frequências, para uma melhor operação. Qualquer variação na velocidade da turbina, tanto a potência reativa e ativa, são controladas pelo conversor back-to-back. Quatro possíveis configurações, utilizando o conversor são mostradas na figura 2-11.
33
Figura 2-11 – Uso do conversor back to back nos sistemas de geração eólica [21].
2.4 Energia Solar
Sistemas fotovoltaicos são largamente utilizados em geração distribuída [22]. Muitas vezes são utilizados como alternativa à rede tradicional para fornecimento de energia para residências em locais e comunidades isoladas. Sistemas de geração fotovoltaica são compostos, basicamente, do arranjo de placas, de eficiência comercial em torno de 15%, associados para um aumento da tensão do conjunto. Em seguida, um conversor CC/CC adequa a tensão de saída do sistema à necessidade da aplicação. Uma das funções mais importantes desse conversor é o sistema de rastreamento de máxima potência, ou MPPT, que permite e
34
viabiliza a busca pela máxima potência do conjunto. Algumas técnicas para MPPT em sistemas fotovoltaivos são mostrados em [23]. O estágio final é o de inversão, onde a presença do conversor CC/CA condiciona a tensão para a conexão com a rede, ou para fornecimento e alimentação de equipamentos, quando em operação isolada. O inversor deve atender as normas (internacionais IEC61727 e IEEE 1547), quanto à amplitude de tensão, distorção de corrente, frequência, fator de potência e ilhamento. Algumas estruturas de controle para os inversores em sistemas fotovoltaicos são mostradas em [24], [25]. Estruturas mais avançadas e sistemas híbridos são revisadas e detalhadas em [22].
As estruturas típicas de conexão dos estágios são mostradas na figura 2-12.
Figura 2-12 – Diagramas para estruturas de sistemas de geração de energia a partir de células fotovoltaicas.
Em a) um único conversor processa toda a potência. Pode ser chamado de topologia centralizada. Tem como vantagem a simplicidade do arranjo, mas traz uma série de desvantagens, tais como a pouca extração de potência, uma vez que todos os painéis são controlados por um único esquema de MPPT.
Em b) os painéis são divididos em arranjos e conectados a um conversor CC/CC. Todos esses arranjos são conectados a um barramento CC comum, que conecta um inversor que processa toda a potência. A vantagem do arranjo é uma possibilidade de inserção ou
35
remoção de outros arranjos, conectados ao barramento CC comum. Também, o esquema de MPPT é implementado para cada arranjo, melhorando a eficiência do sistema. Como desvantagem, se citar um aumento da complexidade frente à topologia a) e também pode-se destacar uma pobre utilização do inversor, quando usado de forma centralizada [26].
Em c), a topologia em arranjo usa um inversor para um arranjo de módulos. É possível usar um conversor elevador quando a tensão não for suficiente. Essa é a topologia mais usada para conexões com a rede. Como vantagem, cada arranjo possui seu próprio esquema de rastreamento de potência. A adição de novos arranjos é mais simples, uma vez que não há um inversor central.
Em d), a topologia é a modular CA. Cada módulo tem um inversor conectado a um barramento CA comum. Essa topologia é a mais adequada a aplicações de baixa potência, incluindo uso doméstico. Como desvantagem, requer a elevação da tensão, reduzindo a eficiência.
2.5 Geração Distribuída e Técnicas de controle de interface
Para se controlar a geração de energia usando fontes distribuídas pode-se controlar a fonte geradora ou regular a forma como essa potência é transmitida. Quando há possibilidade de controle da fonte primária de energia, como no caso de células combustíveis ou turbinas hidráulicas, em que é possível controlar o fornecimento dos gases ou o fluxo de água, respectivamente, a energia gerada pode ser ajustada à demanda, sem perda de aproveitamento. Em casos onde a fonte primária é impossibilitada de ser controlada, como é o caso das fontes solares e eólicas, deseja-se que toda a potência disponível seja aproveitada.
Tipicamente o aproveitamento dessa energia é feito por meio de sua injeção na rede, o que vem a representar possibilidade de limitar a geração por meio de fontes não renováveis. O modelo a ser estudado é mostrado na figura 2-13.
36
Figura 2-13 - Representação genérica de um sistema de geração distribuída. a) Com a presença de um inversor no PAC; b) representação por barras, sem o inversor.
Na figura 2-13 a fonte que representa a geração distribuída é conectada diretamente à rede, por meio de uma indutância Lg que representa, simplificadamente, a indutância de
dispersão do gerador, no caso de uma máquina rotativa. Já para a rede elétrica, a conexão se dá por uma indutância LS colocada no sistema de propósito, ou que se refira à indutância de
dispersão de um transformador de acoplamento, tipicamente presente na rede de distribuição. A presença, significativa, ou não, de um comportamento resistivo no alimentador pode vir a ser considerada na análise.
O PAC é o ponto onde serão conectados o inversor e a carga local a ser alimentada. O propósito do inversor é controlar os fluxos de potência ativa e reativa entre as fontes. O inversor tem a capacidade de sintetizar formas de onda de tensão e corrente de alta qualidade, também pode operar como filtro ativo de potência.
Dada a presença de um conversor no sistema, torna-se possível realizar o controle tanto da potência ativa (P) quanto da reativa (Q). P é fortemente influenciado pelo ângulo entre as tensões do PAC e a rede, indicado por β na figura 2-15. Q é influenciada principalmente pelo valor da amplitude da tensão no PAC, supondo que a tensão na rede sofra pouca variação [27],
37
[28]. O inversor é capaz de impor a tensão desejada no PAC, ajustando amplitude e fase, assim regulando o fluxo das duas potências.
O inversor pode ser controlado em tensão ou em corrente. Quando em tensão, o inversor tem em seus terminais de saída um filtro LC, e emprega-se uma malha de tensão do capacitor de filtro Cf para controlar a mesma. O inversor modelado como uma fonte de tensão
é ilustrado na figura 2-14. Geração Distribuída Rede de Distribuição Carga Inversor + -LS PAC VCC Lf Cf Geração Distribuída Rede de Distribuição Carga LS PAC Inversor Fonte de Tensão Lg Lg IS IS
Figura 2-14 – Inversor fonte de tensão.
A variação da tensão V_CC pode ser usada para controlar o balanço de potência ativa entre a fonte de geração distribuída e a rede. Se a produção local é maior do que a que flui para a rede, o excesso é absorvido pelo inversor e a tensão CC cresce. O processo inverso ocorre quando a geração local é menor do que a demanda. Tal procedimento permite que se verifique o fluxo de potência ativa sem a necessidade de medição direta das potências. Como inconveniente, tem-se uma resposta dinâmica mais lenta em virtude da presença de uma capacitância elevada no barramento CC. Tais aspectos serão discutidos ao longo desse trabalho. Quando há uma fonte de GD com saída CC, essa pode ser conectada no lado CC do inversor, sendo controlado por meio de um conversor CC/CC, como já mostrado na figura referente aos sistemas fotovoltaicos.
No controle como fonte de tensão, regula-se a amplitude, frequência e fase das tensões senoidais nos terminais dos capacitores de filtro LC. Na hipótese de que a parcela
38
resistiva do ramo de acoplamento seja muito menor que a componente reativa, o fluxo de potência ativa pode ser obtido por meio da equação 2-1. O fluxo de potência reativa é obtido ajustando-se a amplitude da tensão VC do PAC, usando a equação 2-2.
Figura 2-15 – Diagrama fasorial das tensões e correntes no sistema de geração distribuída.
Equação 2-1
𝑃
𝑆=
𝑉𝑆𝑉𝐶 𝑋𝑆𝑠𝑒𝑛𝛽
Equação 2-2𝑄
𝑆=
𝑉𝑆2 𝑋𝑆−
𝑉𝑆𝑉𝐶 𝑋𝑆𝑐𝑜𝑠𝛽
Onde: PS: potência ativa da rede; QS: potência reativa da rede; VS: Tensão da rede; VC: tensão
do conversor; XS: reatância indutiva de acoplamento; β ângulo entre a tensão do inversor e a da
rede.
Quando o inversor opera como fonte de corrente, apenas um indutor é colocado nos terminais de saída do mesmo e uma malha de controle de corrente desse elemento é usada para controle. Nesse caso, pode-se representar o sistema como mostra a figura 2-16. Mesmo que seja usado um filtro de ordem mais elevada, como um LCL, com o objetivo de minimizar a penetração de componentes de chaveamento na rede, na frequência de 60Hz a dinâmica é relacionada aos indutores do filtro.
39 Geração Distribuída Rede de Distribuição Carga Inversor + -Ls PAC VCC Lf Geração Distribuída Rede de Distribuição Carga Ls PAC Inversor Fonte de Corrente Lg Lg Is Is
Figura 2-16 – Inversor operando como fonte de corrente.
No controle por corrente é possível impor qualquer forma desejada para a acorrente de saída. Com este controle também é possível compensar as variações na tensão VCC do
barramento CC por meio da injeção ou da absorção de energia ativa. Para esse modo de controle, as equações para P e Q são deduzidas do diagrama fasorial, figura 2-15, e são mostradas na equação 2-3 e na equação 2-4:
Equação 2-3
𝑃
𝑆= 𝑉
𝑆𝐼
𝑆𝑐𝑜𝑠∅
Equação 2-4
𝑄
𝑆= 𝑉
𝑆𝐼
𝑆𝑠𝑒𝑛∅
Observando as equações acima, controlando-se o ângulo ϕ e a amplitude de IS,
controla-se o fluxo das potências.
Em sistemas com geração distribuída, a estratégia de controle aplicada ao lado da rede, geralmente, consiste em duas malhas de realimentação em cascata. Usualmente, existe uma malha interna que regula a corrente da rede e uma malha externa de tensão que controla o barramento CC do inversor. A malha interna é responsável pela qualidade de energia, proteção contra sobre corrente, compensação harmônica e dinâmica do sistema. O controle da tensão do
40
barramento CC visa o balanço de potência entre o sistema e a rede e é projetado tendo uma dinâmica lenta. [29].
Ambos os modos de controle, tensão e corrente, podem ser aplicados para a operação e controle do lado da rede. O controle de tensão tem por mérito não requerer alteração em caso de ilhamento. Entretanto, é suscetível a surtos de sobrecorrente quando há faltas na rede, exigindo a presença de proteções. A figura 2-17 ilustra o modo de controle por tensão.
Figura 2-17 – Diagrama de controle para inversor operando como fonte de tensão [30].
O controle por corrente, por outro lado, em caso de ilhamento e de ser o único conversor com capacidade de injeção de potência, deve alternar seu modo de operação para o de controle de tensão, o que sempre ocasiona algum distúrbio transitório. Por já apresentar uma realimentação da corrente de saída, tem condição de assumir também a proteção do conversor e pode apresentar uma resposta mais rápida às demandas de variação de potência.
De acordo com [29], as principais formas de se controlar um inversor como fonte de corrente são:
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Controle no sistema de referência dq
Neste caso, as correntes de fase são transformadas para a referência estática dq. Dessa forma, para a componente de frequência fundamental, os compensadores usados são do tipo PI, uma vez que os sinais de controle se tornam contínuos. As correntes de referência 𝑖𝑓𝑑,𝑟𝑒𝑓 e
𝑖𝑓𝑞,𝑟𝑒𝑓 são obtidas por meio da potência ativa e reativa, respectivamente, que se deseja gerar. O
ângulo θ é obtido por meio de um PLL. A ação feedforward é feita para melhorar o desempenho do controlador pois produz um sinal de referência para o modulador que já se aproxima do valor nominal a ser produzido, à exceção das parcelas provenientes da malha de controle da corrente. A figura 2-18 ilustra o esquema.
ref fd
i
, fdi
ref fqi
, fqi
PI
PI
LX
LX
fqi
fdi
dq
abc
Inversor
abc dq abc dq PLL θ fqi
fdi
d SV
_ q SV
_+
+
+
+
+
+
+
+
-d S
V
_V
S_qFigura 2-18 – Controle de corrente no sistema de referência dq.
Controle no sistema de referência αβ.
Semelhante ao caso anterior, as correntes de linha são convertidas para a referência girante αβ. Dessa forma os compensadores usados são do tipo PR (proporcional ressonante), uma vez que os sinais são senoidais. Compensadores harmônicos (CH) são usados para compensar harmônicas de ordens mais baixas, o mesmo vale para a compensação de harmônicos na referência dq, com os devidos acertos na frequência de sintonia. Este tipo de controlador tem a capacidade de atingir um ganho muito alto nas proximidades da frequência de ressonância, assim sendo capaz de minimizar o erro de regime permanente entre o sinal controlado e a referência. Os sinais 𝑖𝑓𝑑,𝑟𝑒𝑓 e 𝑖𝑓𝑞,𝑟𝑒𝑓 são obtidos como no modo anterior, por meio do valor das potências que se deseja obter. A figura 2-19 ilustra o esquema.
42 ref fd
i
, fdi
ref fqi
, fi
αβ abc Inversor abc dq PLL θ i
i
+ + -dq αβ θ PR CH + + PR CH + + θFigura 2-19 – Controle de corrente no sistema de referência αβ.
Controle no sistema de referência abc.
Neste caso, não há mudança de referência. As correntes de linha são utilizadas no sistema trifásico. A ideia é ter um controlador individual para cada corrente (CC). Dependendo da configuração do sistema trifásico, estrela ou delta, com ou sem neutro, o projeto e tipo de controlador a ser usado varia. Essa estrutura de controle tipicamente emprega controladores não lineares, do tipo dead-beat e do tipo histerese, embora seja possível usar compensadores lineares. A figura 2-20 ilustra o esquema de controle.
ref fd
i
, ref fqi
, Inversor PLL θ + -dq αβ θ Compensador De Corrente + -+ -a V b V c V Compensador De Corrente Compensador De CorrenteFigura 2-20 – Controle de corrente no sistema de referência abc.
É importante frisar que, em regime permanente, seja qual for a estratégia de controle (tensão ou corrente), as formas de onda resultantes no PAC serão as mesmas. Por exemplo, se a estratégia utilizada impõe que a corrente pela rede resulte senoidal, resultará uma forma de onda de tensão no PAC. De outra forma, se a estratégia resulta uma tensão senoidal no PAC, a mesma corrente circulará pelo circuito, independentemente do tipo de controle usado. Desse modo, a questão do uso de um ou outro modo de controle está relacionado a aspectos dinâmicos e de controle do conversor e do sistema.
43
Capítulo 3
3 Descrição do Sistema
O sistema estudado tem como características principais, uma máquina de indução com rotor de gaiola, acionada mecanicamente por meio de um motor de corrente contínua, de modo a poder operar como gerador. Essa máquina é conectada à rede CA no PAC, juntamente com a carga local a ser alimentada, a rede elétrica externa, por meio de um indutor de acoplamento. No mesmo PAC é conectado também o inversor, como mostra a figura 3-1. [5]
Inversor an c V_ bn c V_ cn c V_ a i b i c i S L sa V sb V sc V PAC s Q s P Rede f L f C Máquina de Indução g L Máquina Corrente Contínua Eixo de Acoplamento Carga
Figura 3-1 – Sistema considerado.
Quando operado acima da velocidade síncrona, por meio do motor de corrente contínua, a máquina de indução, gaiola de esquilo com potência de 3 CV, opera como gerador e injeta potência no circuito. Com esse arranjo, a partir da variação na alimentação da máquina CC, é possível fazer variar a potência gerada de maneira a, por exemplo, simular a variação de captação de energia de uma turbina eólica e a consequente alteração na potência gerada.
O propósito desta estrutura é que seja possível injetar a produção de potência no PAC, sem que haja necessidade do processo de retificação, seguido de inversão, como nos sistemas que utilizam back to back, eliminando-se as perdas que seriam produzidas pelos conversores eletrônicos. Observe que a solução tradicional para a conexão de fontes assíncronas
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é por meio da retificação seguida de inversão, havendo um processamento da totalidade da potência duplamente.
Na estrutura estudada há apenas um conversor e o mesmo processa apenas parte da potência. Tal parcela depende da corrente que circula pelo inversor, a qual dependerá de propriedades da carga e do controle adotado.
Conforme já foi dito, o controle do balanço de potência entre gerador, carga e rede é feito observando e controlando a tensão do capacitor do barramento CC do inversor. Supondo que a carga e que a tensão do PAC sejam constantes, quando há um aumento na potência gerada, devido a um aumento na velocidade mecânica do motor CC, aumentando o escorregamento negativo do gerador, tal potência flui para o inversor de modo a carregar o capacitor e produzir um aumento em sua tensão.
Em um primeiro momento não há aumento na potência que flui para a rede pois, na hipótese de que a tensão no PAC está constante (em amplitude e fase), a corrente para a rede não sofre variação. O papel do inversor é o de reajustar o ângulo entre as tensões da rede e do PAC alterando o fluxo de potência e levando a tensão do capacitor à referência. O mesmo acontece quando há um déficit de potência, mas agora o valor da tensão do capacitor irá decair, fazendo com que o controle atue.
O inversor é conectado ao PAC por meio de um filtro LC de saída. A tensão dos capacitores de filtro é a variável a ser controlada por meio do inversor, quando opera como fonte de tensão. O mesmo também pode operar de forma a injetar potência reativa, absorver componentes harmônicas da corrente de cargas não lineares, operando como filtro ativo, conforme já descrito em [4], [5].
Utilizando o mesmo princípio de controle há também a possibilidade de o inversor injetar potência ativa proveniente de uma fonte de energia do tipo CC conectada no respectivo barramento.
A necessidade de potência reativa pode ser suprida pelo inversor que, em função do controle adequado de tensão no PAC de forma a tornar a operação com fator de potência unitária. Condição essa que regula a amplitude da tensão no PAC, regulando o fluxo de potência reativa do sistema.
O sistema deve prever ações de segurança de forma a se desconectar quando há alguma falha no sistema de GD ou na rede, ou por motivos de operação em condições indesejadas e fora das normas regulamentadoras.
A seguir serão detalhados os controles do inversor e também a modelagem matemática do sistema.
45
3.1 Modelagem do Sistema e do Conversor 3.1.1 Controle do Inversor
Quando conectado ao PAC, o inversor tem a função de regular o fluxo de potência ativa e reativa entre a rede e a fonte de geração local e as cargas. Adicionalmente, como se verá também pode cumprir a função de filtro ativo.
Para isso, basicamente o inversor opera ajustando o ângulo entre as tensões do PAC e da rede, em função do controle que regula a tensão do capacitor do barramento CC. Para regular o fluxo de potência reativa, o controle da mesma atua na amplitude da tensão no PAC.
A frequência de referência para o inversor é a frequência da rede, obtida por meio de um PLL.
Esses valores de ângulo, amplitude e frequência são as referências usadas para o controle do inversor. Observe que essas são as referências padrão para um controle de um inversor tipo fonte de tensão [30]. São usadas a fim de se obter o vetor de referência espacial para o controle, esse cálculo será mostrado mais adiante.
O vetor espacial de referência é transformado para o sistema αβ e aplicado ao bloco de controle da tensão do capacitor de filtro do inversor. A saída do sistema é o sinal que comanda o modulador PWM do inversor. A figura 3-2 ilustra o sistema de controle:
PLL abc s V, Vetor espacial de tensão de referência DC V ref DC V _ S Q ref S Q_ RMS c V_ RMS S V_ ref c V_ Controle da tensão do link CC Controle da Potência Reativa Cálculo da Potência Reativa c m b m a m Modulador PWM e Inversor ref c V_ ref c V_ Controle do Inversor
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O esquema de controle do inversor é composto de uma malha externa de controle das tensões dos capacitores de filtro, com controladores tipo proporcional ressonante, com compensadores harmônicos, e uma malha interna de corrente, que controla a corrente pelos indutores do filtro LC.
3.1.1 Controle da tensão do barramento CC
O fluxo de potências se dá de acordo com a equação 3-1:
Equação 3-1
𝑃
𝑆= 𝑃
𝐿− 𝑃
𝑖𝑛𝑣− 𝑃
𝐺𝐷Onde: PS é a potência ativa da rede; PL é a potência ativa da carga; Pinv é a potência ativa do
inversor; PGD é a potência entregue pela fonte de geração distribuída.
Quando se produz um desequilíbrio entre as potências, por exemplo, uma mudança na carga ou uma variação na potência gerada pela fonte distribuída, o inversor é capaz de fornecer ou absorver essa variação de potência, o que se reflete no barramento CC.
Quando há aumento no consumo da carga, ou a potência gerada pela fonte de GD cai, a tensão no capacitor decai, acarretando uma necessidade de importação de potência ativa da rede [31].
A figura 3-3 representa o modelo de bloco do controle para a tensão do capacitor do barramento CC.
+
-
PI
ref DCV
ref DCV
_
max min
Figura 3-3 – Controlador para o barramento CC.
No esquema, o erro da tensão é corrigido pelo controlador do tipo PI e limitado pelos valores correspondentes à região linear do ângulo beta, ou seja, nessa região, a função seno tem comportamento bem próximo ao linear, que aqui é limitado a ±30º.
A função de transferência GCC(s), mostrada na equação 3-2, estabelece a relação
