ADSON BEZERRA MOREIRA
PROPOSTAS DE CONTROLE DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉ-TRICA A PARTIR DE ENERGIA EÓLICA COM GERADOR DE INDUÇÃO
DUPLA-MENTE ALIMENTADO COM MITIGAÇÃO DE CORRENTES HARMÔNICAS NA REDE ELÉTRICA GERADAS POR CARGA NÃO LINEAR
CAMPINAS 2017
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO
CAMPINAS 2017
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas para obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica, na área de Energia Elétrica.
Este exemplar corresponde à versão final da tese defendida pelo aluno Adson Bezerra Moreira, orientado pelo Prof. Dr. Ernesto Ruppert Filho.
ADSONBEZERRA MOREIRA
PROPOSTAS DE CONTROLE DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉ-TRICA A PARTIR DE ENERGIA EÓLICA COM GERADOR DE INDUÇÃO
DUPLA-MENTE ALIMENTADO COM MITIGAÇÃO DE CORRENTES HARMÔNICAS NA REDE ELÉTRICA GERADAS POR CARGA NÃO LINEAR
COMISSÃO JULGADORA - TESE DE DOUTORADO
Candidato: Adson Bezerra Moreira RA: 144475
Data da Defesa: 21 de dezembro de 2017
Título da Tese: “Propostas de controle de um sistema de geração de energia elétrica a partir de energia eólica com gerador de indução duplamente alimentado com mitigação de correntes har-mônicas na rede elétrica geradas por carga não linear”.
Prof. Dr. Ernesto Ruppert Filho (Presidente, FEEC/UNICAMP) Prof. Dr. José Roberto Boffino de Almeida Monteiro (EESC/USP) Prof. Dr. Flávio Alessandro Serrão Gonçalves (UNESP/Sorocaba) Prof. Dr. Mateus Giesbrecht (FEEC/UNICAMP)
Prof. Dr. Elnatan Chagas Ferreira (FEEC/UNICAMP)
A ata de defesa, com as respectivas assinaturas dos membros da Comissão Julgadora, encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
À minha mãe Maria Dolores Ao meu pai Adolfo in memorium Ao meu irmão Allison
Aos meus avós Zeuda (in memorium) e Zacarias Aos meus tios e tias
AGRADECIMENTOS
A Deus pela saúde para trabalhar, pelos problemas que resolvi e principalmente pela oportunidade que recebi para desenvolver este trabalho.
À toda minha família que sempre me apoiou durante todo este período.
Ao professor Ernesto Ruppert Filho pela valiosa orientação, otimismo, confiança e de-dicação neste projeto e nas atividades do LEPO - UNICAMP.
Aos amigos, em especial, Tárcio Barros e Paulo Nascimento por colaborarem na execu-ção deste trabalho.
Aos amigos, Vanessa Siqueira, Leonardo Ruffeil, Tiago Busarello, Ramon Rodrigues, Marcos Reis, Dante Inga, Fernando Romano, Rolando Caicedo, Marcelo de Paula, Pedro Neto, Hugo Moreira, Tisciane Perpétuo, pelo companheirismo, momentos de descontração, colabo-ração e trocas de experiências.
Aos membros da banca examinadora pelos comentários, sugestões e contribuições que tornaram melhor a qualidade deste trabalho.
À UFC/Campus de Sobral pela oportunidade de afastamento das atividades de presen-cias durante o período de doutorado.
À FEEC/UNICAMP pela oportunidade e pela excelente estrutura que oferece aos pes-quisadores.
À FAPESP (Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo) que ofereceu o suporte financeiro (proc. 2015/03248-9), de importância vital para realização desse trabalho.
RESUMO
Este trabalho descreve três propostas de um sistema de geração de energia elétrica a partir da energia eólica utilizando o gerador elétrico de indução trifásico duplamente alimentado (GIDA) conectado ao sistema de energia elétrica. Estas propostas permitem o controle das po-tências ativa e reativa e realizam a função de filtragem ativa das componentes harmônicas de correntes da rede elétrica. A compensação harmônica é realizada por um algoritmo aplicado ao controle do conversor eletrônico de potência do lado da rede elétrica (CLR) que atua com a função de filtro ativo de harmônicas de corrente elétrica na presença de uma carga trifásica não linear situada no ponto de acoplamento comum. A proposta 1 utiliza o método de compensação SRF (Synchronous Reference Frame) em coordenadas dq, empregando o controlador PI no controle de corrente do CLR. A proposta 2 corresponde ao controle do CLR em coordenadas
αβ, utilizando o controlador P-multiressonante no controle de corrente do CLR. A proposta 3
aplica a técnica de compensação de correntes hamônicas baseada na teoria p-q, utilizando o controlador PI. As técnicas propostas melhoram a qualidade de energia elétrica, de modo a reduzir a distorção harmônica total da corrente da rede elétrica. O controle do conversor eletrô-nico do lado do gerador elétrico regula as potências ativa e reativa que são entregues à rede elétrica através do uso do controle vetorial por orientação de fluxo magnético do estator. O sistema foi modelado matematicamente usando ferramentas computacionais para testar a sua viabilidade operacional e, posteriormente, foi implementada uma plataforma experimental para validação das análises realizadas. O sistema também foi analisado teoricamente para a potência de 1,5 MW. Umas das originalidades do sistema proposto é a análise do comportamento da filtragem harmônica para vários pontos de operação do sistema GIDA / Filtro ativo de potência (FAP). Uma metodologia para avaliar a estabilidade do sistema GIDA/FAP foi descrita a partir da estabilidade do controle de tensão do barramento CC do CLR. A análise de estabilidade das três propostas de sistema GIDA/FAP demonstrou que estas funcionam e permanecem estáveis. Os resultados de simulações e experimentais confirmaram a viabilidade técnica bem como o desempenho dos métodos propostos para o sistema GIDA com função de filtragem de correntes harmônicas produzida na rede elétrica.
Palavras-chave: Conversor eletrônico back-to-back; Filtragem harmônica; Filtro ativo de po-tência; Geração de energia; GIDA; Projeto de controladores, DHT.
ABSTRACT
This work describes three proposals for a wind power generation system using the doubly fed induction generator (DFIG) connected to the electric power system, which allows powers con-trol and performs the active filtering function of the current harmonic of electric grid. The harmonic compensation is performed by an algorithm applied to the grid side converter control that acts with the active power filter (APF) function of electric current harmonics in the pres-ence of a non-linear three-phase load at the point of common coupling. These techniques ensure the improvement of power quality, in order to reduce total harmonic distortion of the electric current sent to the electric grid. Proposal 1 uses the Synchronous Reference Frame (SRF) compensation method in dq coordinates, using the PI controller in current control of grid side converter (GSC). Proposal 2 corresponds to the GSC control in αβ coordinates, using the P-multiresonant controller in the current control of the GSC. Proposal 3 applies the hamonic currents compensation technique based on the p-q theory, using the PI controller. The machine side converter control regulates the powers that are delivered to the electric grid by using the stator flux oriented control. The studied system was mathematically modeled using computa-tional tools to test its operacomputa-tional viability and, later, an experimental platform was imple-mented to validate the performed analyzes. The system was also analyzed for the power of 1,5 MW. One of the originalities of the proposed system is the analysis of the behavior of the har-monic filtering for several operating points of the DFIG / APF system. The application of the precise model of the DC link voltage dynamics, allowing verifying the stability of the system control for each DFIG / APF operating point. The stability analysis of the three proposals DFIG / APF system has shown that runs and remain stable. Simulation and experimental results confirm the technical feasibility and efficacy of the proposed methods for the DFIG system with filtering function of harmonic currents generated in the electric grid.
Keywords: Active power filter; Back-to-back converter; Controllers design; DFIG; Harmonic
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Diagrama de operação tradicional do GIDA. ... 23
Figura 1.2 – Diagrama de operação do GIDA/FAP. ... 24
Figura 2.1 – Conversor eletrônico CC-CA trifásico conectado à rede elétrica através de filtro L. ... 30
Figura 2.2- Esquema de controle do conversor eletrônico do lado da rede elétrica (CLR). .... 33
Figura 2.3 - Diagramas de blocos simplificados dos controladores de corrente elétrica do CLR com filtro L em coordenadas dq. ... 35
Figura 2.4- Resposta em frequência de malha aberta do controlador das correntes elétricas id e iq do CLR. ... 37
Figura 2.5 - Diagrama de blocos simplificado do controlador de tensão elétrica do barramento CC. ... 37
Figura 2.6- Resposta em frequência de malha aberta do controlador de tensão elétrica do barramento CC do CLR. ... 38
Figura 2.7-Diagrama de blocos do PLL. ... 39
Figura 2.8- Resposta do controle de tensão elétrica do barramento CC... 41
Figura 2.9- Resultado experimental da resposta do controle de tensão elétrica do barramento CC. ... 41
Figura 2.10- Variáveis do PLL: Tensões Vd, Vq, Va e ϴ o ângulo da tensão Va. ... 42
Figura 2.11- Resultado experimental das Variáveis do PLL: Tensões Vd, Vq, Va e ϴ o ângulo da tensão elétrica Va. ... 42
Figura 2.12- Circuito equivalente de eixo d do GIDA. ... 43
Figura 2.13- Circuito equivalente de eixo q do GIDA. ... 43
Figura 2.14- Diagrama vetorial utilizado no controle da máquina. ... 45
Figura 2.15- Esquema de controle do conversor eletrônico do lado do gerador elétrico. ... 47
Figura 2.16- Diagrama de blocos do controlador de corrente elétrica do rotor do gerador elétrico, ird (a) e irq (b). ... 48
Figura 2.17- Resposta em frequência de malha aberta do controlador de correntes elétricas do rotor ird e irq. ... 49
Figura 2.18- Diagrama de blocos do controlador PI digital. ... 50
Figura 2.20 – Tensão na fase “a” da rede elétrica e tensão produzida pelo gerador elétrico antes
do sincronismo. ... 52
Figura 2.21- Fluxograma do processo de sincronização do gerador elétrico. ... 54
Figura 2.22 – Estrutura geral do sistema GIDA conectado à rede elétrica. ... 55
Figura 2.23 – Etapas do controle do CLG. ... 56
Figura 2.24 – Etapas do controle do CLR. ... 56
Figura 3.1 – Resposta da malha de controle para o controlador de corrente elétrica do rotor ird e irq, resultados (a) de simulação e (b) experimental, ird = 0 e irq = 4 a 8A. ... 58
Figura 3.2 Resposta das potências ativa (Ps) e reativa (Qs) entregues à rede elétrica, resultados (a) de simulação e (b) experimental, Ps = 350W a 700W e Qs = -1300Var... 59
Figura 3.3 – Tensão na fase “a” e correntes nas fases a,b e c da rede elétrica para Ps = 700W e Qs = -1300Var. ... 59
Figura 3.4 – Resultado experimental da tensão na fase “a” e correntes nas fases a,b e c da rede elétrica para Ps = 700W e Qs = -1300Var. ... 60
Figura 3.5 – Resposta da malha de controle para o controlador de corrente elétrica do rotor ird e irq, resultados (a) de simulação e (b) experimental, ird = 4 a 8A e irq = 4A. ... 60
Figura 3.6 – Resposta das potências ativa (Ps) e reativa (Qs) entregues à rede elétrica, resultados (a) de simulação e (b) experimental, Ps = 350W e Qs de -1000Var a -700Var. ... 61
Figura 3.7 – Tensão na fase “a” e correntes nas fases “a”, “b” e “c” da rede elétrica para Ps = 350W e Qs = -700Var. Resultado de simulação. ... 61
Figura 3.8 – Resultado experimental da tensão na fase “a” e correntes nas fases “a”, “b” e “c” da rede elétrica para Ps = 350W e Qs = -700Var... 62
Figura 3.9 – Potências ativa (degrau de Ps = 350W para 700W), reativa (Qs = -1300Var) e correntes elétricas do estator (Is) e rotor (Ir). ... 62
Figura 3.10 – Resultado experimental de potências ativa (degrau de Ps = 700W para 1050W), reativa (Qs = -1300Var) e correntes elétricas do estator (Is) e rotor (Ir)... 63
Figura 3.11 – Potências ativa (Ps = 350 W), reativa (degrau de Qs = -1000Var para -700Var) e correntes elétricas do estator (Is) e rotor (Ir). ... 63
Figura 3.12 – Resultado experimental de potências ativa (Ps = 350 W), reativa (degrau de Qs = -1000Var para -700Var) e correntes elétricas do estator (Is) e rotor (Ir). ... 64
Figura 3.13 – Resposta do controle de tensão elétrica do barramento CC do sistema de geração eólica de MW. ... 64
Figura 3.14 – (a) Resposta da malha de controle para o controlador de corrente elétrica do rotor
irq (de 800A a 1600A) e ird (zero)do sistema de geração de MW, (b) controlando as potências
ativa (rampa de Ps = 0,5MW a 1,1MW) e reativa (Qs = -0,55MVar). ... 65
Figura 3.15 – Tensão na fase “a” e correntes nas fases “a”, “b” e “c” da rede elétrica para sistema de geração de MW para Ps = 1,1MW e Qs = - 0,55MVar. ... 66
Figura 3.16 – Resposta das potências ativa (rampa de Ps = 0,5MW a 1,1MW) e reativa (Qs = - 0,55MVar) e correntes elétricas do estator (Is) e rotor (Ir). ... 66
Figura 3.17 – (a) Resposta da malha de controle para o controlador de correntes elétrica do rotor irq (1000A) e ird (de 0 a 800A)e ird do sistema de geração de MW, (b) controlando as potências ativa (0,67MW) e reativa (rampa de -0,55MVar a 0Var). ... 67
Figura 3.18 – Tensão na fase “a” e correntes nas fases “a”, “b” e “c” da rede elétrica para sistema de geração de MW para Ps = 0,67MW e Qs = 0 MVar. ... 67
Figura 3.19 – Potências ativa (Ps = 0,67MW), acréscimo na potência reativa (Qs = de -0,5MVAR para 0MVar) e correntes elétricas do estator (Is) e rotor (Ir). ... 68
Figura 4.1- Esquema de controle do filtro ativo - proposta 1. ... 70
Figura 4.2- Identificador harmônico de corrente elétrica proposto em coordenadas dq. ... 71
Figura 4.3- Estrutura digital do filtro passa baixas de segunda ordem. ... 71
Figura 4.4- Identificador harmônico de corrente elétrica proposto em coordenadas αβ. ... 73
Figura 4.5- Esquema de controle do filtro ativo - proposta 2. ... 73
Figura 4.6 - Diagrama de blocos simplificado do controlador de corrente elétrica do CLR com filtro L em coordenadas αβ. ... 74
Figura 4.7- Resposta em frequência de malha aberta do controlador das correntes elétricas iα e iβ do CLR. ... 76
Figura 4.8- Diagrama de blocos simplificado do controlador de tensão elétrica do barramento CC. ... 77
Figura 4.9- Resposta em frequência de malha aberta do controlador de tensão elétrica do barramento CC do CLR. ... 77
Figura 4.10- Controlador P-multiressonante digital. ... 78
Figura 4.11- Método de controle para compensação de corrente elétrica baseada na teoria p-q. ... 80
Figura 4.12- Esquema de controle do filtro ativo proposta 3. ... 81
Figura 5.1 – Diagrama da Operação do GIDA/FAP. ... 83
Figura 5.2 – Estrutura geral do sistema GIDA/FAP conectado à rede elétrica. ... 84
Figura 5.4 – Bancada experimental... 87 Figura 5.5 – Bancada experimental: (a) placa de controle central, (b) placa de medição e condicionamento de sinais, (c) circuitos de pré-carga e contatores, (d) conversor eletrônico back-to-back. ... 87 Figura 5.6 – Diagrama da montagem experimental. ... 88
Figura 5.7 – Tela do sistema supervisório que controla e monitora as variáveis do controle do CLR. ... 89
Figura 5.8 – Tela do sistema supervisório que controla e monitora as variáveis do controle do CLG. ... 89
Figura 5.9 – Resposta do controle de tensão elétrica do barramento CC do protótipo de 2,25kW (simulação). ... 91 Figura 5.10 – Resposta do controle de tensão elétrica do barramento CC do protótipo de 2,25kW, resultado experimental. ... 91 Figura 5.11 – Resposta da malha de controle para o controlador de corrente elétrica do rotor, ird
= 0 e irq = de 8A a 12A... 92
Figura 5.12 – Resposta das potências ativa (variação de Ps de 700W a 1050W) e reativa (Qs de
- 1300Var) do GIDA. ... 92 Figura 5.13 – Degrau de potência ativa (Ps = 700W a 1050W) e comportamento das correntes
elétricas do rotor (Ir), do estator (Is) do gerador elétrico e potência reativa (Qs = - 1300Var). 93
Figura 5.14 – Resultado experimental do degrau de potência ativa (Ps = 700W a 1050W) e
comportamento das correntes do rotor (Ir) e do estator (Is) do gerador elétrico e potência reativa
(Qs = - 1300Var). ... 93
Figura 5.15 – Formas de ondas das correntes da rede elétrica (Irede), da carga (Icarga )e do GIDA
(Is) operando no modo gerador elétrico, resultado de simulação. ... 94
Figura 5.16 – Formas de ondas das correntes da rede elétrica (Irede), da carga (Icarga) e do GIDA
(Is) operando no modo gerador elétrico, resultado experimental. ... 94
Figura 5.17 – Espectro da corrente elétrica da carga: (a) resultado de simulação e (b) de experimento. ... 95 Figura 5.18 – Espectro harmônico da corrente da rede elétrica sem filtragem de harmônicas: (a) resultado de simulação e (b) de experimento. ... 96 Figura 5.19 – Formas de ondas das correntes do GIDA (Is), da rede elétrica (Irede), do filtro ativo
(Ifap) e da carga (Icarga), operando no modo FAP (proposta 1). ... 97
Figura 5.20 – Resultado experimental das formas de ondas das correntes do GIDA (Is), da rede
Figura 5.21 – Espectro harmônico da corrente na rede elétrica com filtragem harmônica (proposta 1) para velocidade 178 rad/s: (a) resultado de simulação e (b) de experimento. ... 98 Figura 5.22 – Formas de ondas das correntes elétricas do GIDA (Is), da rede elétrica (Irede), do
filtro ativo (Ifap) e da carga (Icarga), operando no modo FAP (proposta 2)... 99
Figura 5.23 – Resultado experimental das formas de ondas das correntes elétricas do GIDA (Is),
da rede elétrica (Irede), do filtro ativo (Ifap) e da carga (Icarga), operando no modo
FAP (proposta 2). ... 100 Figura 5.24 – Espectro da corrente na rede elétrica com filtragem harmônica (proposta 2) para velocidade 178 rad/s, (a) resultado de simulação e (b) de experimento. ... 100 Figura 5.25 –Formas de ondas das correntes do GIDA (Is), da rede elétrica (Irede), do filtro ativo
(Ifap) e da carga (Icarga), operando no modo FAP (proposta 3)... 102
Figura 5.26 – Resultado experimental das formas de ondas das correntes do GIDA (Is), da rede
elétrica (Irede), do filtro ativo (Ifap) e da carga (Icarga), operando no modo FAP (proposta 3). 102
Figura 5.27 –Espectro da corrente na rede elétrica com filtragem harmônica (proposta 3) para velocidade 178 rad/s (a) resultado de simulação e (b) de experimento. ... 103 Figura 5.28 – Resposta em frequência de malha aberta do controlador PI(s) e C(s) das correntes elétricas do CLR. ... 106 Figura 5.29- Potência entregue pelo GIDA (Ps) versus potência processada pelo CLR (Pexto)
para a operação do sistema GIDA/FAP. ... 108 Figura 5.30- Resposta em frequência do controlador de tensão elétrica do barramento CC para
a) ponto de operação 1, b) ponto de operação 2, c) ponto de operação 3 e d) ponto de operação 4. ... 109
Figura 5.31 – Resposta do controle de tensão elétrica do barramento CC para o sistema de geração de 1,5MW. ... 112 Figura 5.32 – Resposta da malha de controle para o controlador de corrente elétrica do rotor ird
= 750A a 1250A e irq = 0 para o sistema de geração de 1,5MW. ... 112
Figura 5.33 – Rampa de potência ativa (Ps = 0,5MW a 0,83MW) e potência reativa (Qs =
-0,55MVar) para o sistema de geração de 1,5MW. ... 113 Figura 5.34 – Rampa de potência ativa (Ps = 0,5MW a 0,83MW) com potência reativa constante
(Qs = - 0,55MVar) e o comportamento das correntes elétricas do rotor (Ir) e do estator (Is) do
gerador elétrico para o sistema de geração de 1,5MW. ... 113 Figura 5.35 – Formas de ondas das correntes do GIDA (Is), da rede elétrica (Irede) e da carga
Figura 5.36 – Espectro harmônico da corrente elétrica da carga para o sistema de geração de 1,5MW. ... 114 Figura 5.37 – Espectro harmônico da corrente da rede elétrica sem filtragem de correntes harmônicas para o sistema de geração de 1,5MW. ... 115 Figura 5.38 – Formas de ondas das correntes elétricas do GIDA (Is), do FAP(Ifap), da rede
elétrica (Irede) e da carga (Icarga), operando no modo FAP (proposta 1) para o sistema de geração
de 1,5MW... 115 Figura 5.39 – Espectro harmônico da corrente da rede elétrica com filtragem de correntes harmônicas (proposta 1) da rede elétrica para o sistema de geração de 1,5MW. ... 116 Figura 5.40 – Formas de ondas das correntes do GIDA (Is), da rede elétrica (Irede), do FAP (Ifap)
e da carga (Icarga), operando no modo FAP (proposta 2) para o sistema de geração
de 1,5MW... 117 Figura 5.41 – Espectro harmônico da corrente da rede elétrica com filtragem de correntes harmônicas (proposta 2) na rede elétrica para o sistema de geração de 1,5MW. ... 117 Figura 5.42 – Formas de ondas das correntes do GIDA (Is), da rede elétrica (Irede), do FAP (Ifap)
e da carga (Icarga), operando no modo FAP (proposta 3) para o sistema de geração
de 1,5MW... 118 Figura 5.43 – Espectro harmônico da corrente da rede elétrica com filtragem de correntes harmônicas (proposta 3) na rede elétrica para o sistema de geração de 1,5MW. ... 119 Figura 5.44 - Rampa de velocidade do rotor do GIDA de 96 rad/s a156 rad/s. ... 121 Figura 5.45- Resposta do controle de tensão do barramento CC para o sistema de geração de 1,5MW. ... 121 Figura 5.46 - Resposta da malha de controle para o controlador de corrente elétrica do rotor irq
= 750A a 1250A e ird = 0 para o sistema de geração de 1,5MW. ... 122
Figura 5.47 - Rampa de potência ativa (Ps = 0,5MW a 0,83MW) com potência reativa constante
(Qs = - 0,55MVar) e o comportamento das correntes ir e is. ... 122
Figura 5.48 – Formas de ondas das correntes elétricas do GIDA (Is), da rede elétrica (Irede) e da
carga (Icarga), operando sem FAP. ... 123
Figura 5.49 – Espectro harmônico da corrente da rede elétrica sem filtragem de correntes harmônicas da rede elétrica. ... 123 Figura 5.50 – Formas de ondas das correntes elétricas do GIDA (Is), do FAP (Ifap), da rede
elétrica (Irede) e da carga (Icarga), operando no modo FAP (proposta 1). ... 123
Figura 5.51 – Espectro harmônico da corrente da rede elétrica com filtragem de correntes harmônicas (proposta 1) da rede elétrica. ... 123
Figura 5.52 – Formas de ondas das correntes do GIDA (Is), do FAP (Ifap), da rede elétrica (Irede)
e da carga (Icarga), operando no modo FAP (proposta 2). ... 124
Figura 5.53 – Espectro harmônico da corrente da rede elétrica com filtragem de correntes harmônicas (proposta 2) na rede elétrica. ... 124 Figura 5.54 – Formas de ondas das correntes do GIDA (Is), do FAP (Ifap), da rede elétrica (Irede)
e da carga (Icarga), operando no modo FAP (proposta 3). ... 125
Figura 5.55 – Espectro harmônico da corrente da rede elétrica com filtragem de correntes harmônicas (proposta 3) na rede elétrica. ... 125 Figura 5.56 – Inversor fonte de tensão elétrica trifásica... 126 Figura A.1 – Modelagem do controle do conversor do lado da rede elétrica (CLR) sem ou com filtragem (proposta 1). ... 145
Figura A.2 – Modelagem do bloco “Medição, antialiasing e discretização” das variáveis do CLR. ... 146
Figura A.3 – Modelagem do PLL no matalab/simulink. ... 146
Figura A.4 – Modelagem do controle das correntes do conversor do lado do gerador elétrico (CLG)... 147
Figura A.5 – Modelagem do bloco “Medição, antialiasing e discretização” das variáveis do CLG. ... 148
Figura A.6 – Modelagem do bloco “Cálculos de ângulos, wsl e phis” do CLG. ... 148
Figura A.7 – Modelagem do controle do conversor do lado da rede elétrica (CLR) – Proposta 2. ... 149
Figura A.8 – Modelagem do controle do conversor do lado da rede elétrica (CLR) – Proposta 3. ... 150
LISTA DE TABELAS
Tabela 5.1 – DHT de corrente da rede elétrica para diferentes pontos de operação
do GIDA. ... 96
Tabela 5.2 – DHT de corrente da rede elétrica para diferentes pontos de operação do GIDA/FAP - proposta 1... 98
Tabela 5.3 – DHT de corrente da rede elétrica para diferentes pontos de operação do GIDA/FAP - proposta 2... 101
Tabela 5.4 – DHT de corrente da rede elétrica para diferentes pontos de operação do GIDA/FAP – proposta 3. ... 103
Tabela 5.5 – Resultados experimentais de DHT da corrente da rede elétrica para a operação de controle de potências e filtragem ativa simultânea do GIDA/FAP para as propostas apresentadas. ... 104
Tabela 5.6 – Resposta em frequência do controlador de tensão elétrica do barramento CC para os pontos de operação do sistema GIDA/FAP – proposta 1. ... 109
Tabela 5.7 – Resposta em frequência do controlador de tensão elétrica do barramento CC para os pontos de operação do sistema GIDA/FAP – proposta 2. ... 110
Tabela 5.8 – Resposta em frequência do controlador de tensão elétrica do barramento CC para os pontos de operação do sistema GIDA/FAP –proposta 3. ... 111
Tabela 5.9 – DHT da corrente da rede elétrica para diferentes pontos de operação do sistema GIDA sem e com filtragem ativa de correntes harmônicas da corrente da rede elétrica (resultados de simulações) ... 120
Tabela 5.10 – Perdas e temperatura para o inversor (Si) e (SiC). ... 126
Tabela A.1 – Características do sistema de geração eólica de 2,25 kW. ... 141
Tabela A.2 – Características do sistema de geração eólica de 1,5 MW. ... 142
Tabela A.3 – Valores dos controladores para a proposta 1 e 3 do sistema de 2,25 kW. ... 143
Tabela A.4 – Valores dos controladores para a proposta 2 do sistema de 2,25 kW. ... 143
Tabela A.5 – Valores dos controladores para a proposta 1 e 3 do sistema de 1,5 MW. ... 144
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABEOLICA Associação Brasileira de Energia Eólica
CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica CA Corrente elétrica contínua
CC Corrente elétrica alternada
CLR Conversor eletrônico do lado da rede elétrica CLG Conversor eletrônico do lado do gerador elétrico DHT Distorção harmônica total
DHTi Distorção harmônica total da corrente elétrica FAP Filtro ativo de potência
FEEC Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação GIDA Gerador elétrico de indução duplamente alimentado IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LEPO Laboratório de eletrônica de potência
MIT Motor de indução trifásico
MF Margem de fase
MG Margem de ganho
ONS Operador Nacional do Sistema PAC Ponto de acoplamento comum
PLL Phase Locked Loop
PWM Pulse Width Modulation SRF Synchronous Reference Frame SIN Sistema Interligado Nacional
UNICAMP Universidade Estadual de Campinas VCO Voltage Controlled Oscillator
SUMÁRIO CAPÍTULO 1... 22 INTRODUÇÃO ... 22 INTRODUÇÃO ... 22 1.1 OBJETIVO ... 25 1.2 JUSTIFICATIVA ... 25 1.3 METODOLOGIA ... 26 1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 26 1.5 ESTADO DA ARTE ... 28 1.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 29 CAPÍTULO 2... 30
MODELAGEM DO SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A PARTIR DO GIDA ... 30
INTRODUÇÃO ... 30
2.1 CONVERSOR ELETRÔNICO DO LADO DA REDE ELÉTRICA – CLR ... 30
2.1.1 Projeto de controladores do controle de corrente e de tensão elétrica do elo CC do CLR em coordenadas dq ... 35
2.1.2 Sincronismo com a rede elétrica ... 39
2.1.3 Resultados do controle do CLR ... 40
2.2 MODELO DO GIDA ... 43
2.2.1 Projeto de controladores do controle de corrente elétrica do CLG em coordenadas dq ... 48
2.2.1.1 Discretização dos controladores ... 49
2.3 SINCRONISMO DO GIDA COM A REDE ELÉTRICA ... 50
2.3.1 Procedimento de sincronismo do GIDA ... 51
2.4 SIMULAÇÃO DO SISTEMA DE GERAÇÃO CONECTADO À REDE ELÉTRICA ... 53
2.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 57
CAPÍTULO 3... 58
RESULTADOS DE SIMULAÇÃO E EXPERIMENTAIS DO GIDA CONECTADO À REDE ELÉTRICA ... 58
INTRODUÇÃO ... 58
3.1.1 Resultados de simulação para um sistema de geração de 1,5 MW ... 64
3.2 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 68
CAPÍTULO 4 ... 69
ESTRATÉGIAS DE COMPENSAÇÃO DE CORRENTES ELÉTRICAS HARMÔNICAS ATRAVÉS DO CLR ... 69
INTRODUÇÃO ... 69
4.1 TÉCNICA DE FILTRAGEM HARMÔNICA BASEADA NO MÉTODO SRF EM VARIÁVEIS DQ – PROPOSTA 1 ... 69
4.2 TÉCNICA DE FILTRAGEM HARMÔNICA BASEADA NO CONTROLE DO CLR EM COORDENADAS ΑΒ – PROPOSTA 2 ... 72
4.2.1 Projeto de controladores do controle de corrente e de tensão elétrica do barramento CC do CLR em coordenadas αβ ... 74
4.2.2 Discretização do controlador de corrente do CLR ... 78
4.3 TÉCNICA DE FILTRAGEM HARMÔNICA BASEADA NA TEORIA PQ – PROPOSTA 3 ... 79
4.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 81
CAPÍTULO 5 ... 82
RESULTADOS DAS PROPOSTAS DE CONTROLE DO SISTEMA GIDA/FAP ... 82
INTRODUÇÃO ... 82
5.1.1 Simulação do sistema de geração conectado à rede elétrica ... 83
5.2 PLATAFORMA EXPERIMENTAL ... 86
5.3 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES E DOS EXPERIMENTOS ... 90
5.3.1 Caso 1 ... 90
5.3.2 Caso 2 ... 96
5.3.3 Caso 3 ... 99
5.3.4 Caso 4 ... 101
5.4 DESEMPENHO DAS ESTRATÉGIAS DO SISTEMA GIDA/FAP ... 105
5.5 ANÁLISE DE ESTABILIDADE DO SISTEMA DE CONTROLE ... 107
5.6 SIMULAÇÕES COM GERAÇÃO EÓLICA COM GIDA DE 1,5 MW ... 111
5.6.1 Caso 1 ... 111
5.6.2 Caso 2 ... 115
5.6.4 Caso 4 ... 118
5.7 SIMULAÇÕES COM GERAÇÃO EÓLICA COM GIDA DE 1,5 MW COM VELOCIDADE VARIÁVEL ... 121
5.7.1 Caso 1 ... 122
5.7.2 Caso 2 ... 123
5.7.3 Caso 3 ... 124
5.7.4 Caso 4 ... 124
5.8 SIMULAÇÕES EM SOFTWARE DE PROJETO DE CONVERSOR ELETRÔNICO ... 125
5.9 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 127
CAPÍTULO 6... 130
CONCLUSÕES ... 130
CONCLUSÕES ... 130
6.1 PRINCIPAIS CONTRIBUIÇÕES DESTE TRABALHO ... 132
6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 133
6.3 PUBLICAÇÕES RESULTANTES DA PESQUISA REALIZADA ... 133
6.3.1 Artigos completos publicados em periódicos ... 133
6.3.2 Trabalhos publicados em anais de congressos ... 134
6.3.3 Projeto aprovado pela FAPESP para suporte desta pesquisa ... 135
REFERÊNCIAS ... 136
APÊNDICES ... 140
APÊNDICE A – CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS DE GERAÇÃO EÓLICA EQUIPADOS COM GIDA... 141
APÊNDICE B – MODELO DO CONTROLE DAS CORRENTES E TENSÃO DO DO CONVERSOR ELETRÔNICO DO LADO DA REDE ELÉTRICA (CLR) PARA USO DO SIMULINK ... 145
APÊNDICE C – MODELO DO CONTROLE DO CONVERSOR ELETRÔNICO DO LADO DA REDE ELÉTRICA (CLR) PARA USO DO SIMULINK – OUTROS BLOCOS ... 146
APÊNDICE D – MODELO DO CONTROLE DAS CORRENTES DO CONVERSOR ELETRÔNICO DO LADO DO GERADOR ELÉTRICO (CLG) PARA USO DO SIMULINK ... 147
APÊNDICE E – MODELO DO CONTROLE DO CONVERSOR ELETRÔNICO DO LADO DO GERADOR ELÉTRICO (CLG) PARA USO DO SIMULINK – OUTROS BLOCOS ... 148 APÊNDICE F – MODELO DO CONTROLE DAS CORRENTES E TENSÃO DO CONVERSOR ELETRÔNICO DO LADO DA REDE ELÉTRICA (CLR) PARA USO DO SIMULINK - PROPOSTA 2 ... 149 APÊNDICE G – MODELO DO CONTROLE DAS CORRENTES E TENSÃO DO CONVERSOR ELETRÔNICO DO LADO DA REDE ELÉTRICA (CLR) PARA USO DO SIMULINK - PROPOSTA 3 ... 150 ANEXOS ... 151 ANEXO A – RELATÓRIOS DE SIMULAÇÕES DO SOFTWARE SEMISEL E FOLHA DE DADOS DAS CHAVES ELETRÔNICAS UTILIZADAS NAS
CAPÍTULO 1
Introdução
INTRODUÇÃO
A geração de energia elétrica a partir da energia eólica, daqui para a frente chamada simplesmente de geração eólica, é importante devido às suas características renovável e limpa em relação a energia gerada a partir de combustíveis fósseis. A crescente demanda por energia, a busca por alternativas energéticas ao uso dos combustíveis fósseis e a atenção que se dá às questões ambientais tornam imprescindível o estudo de soluções de geração de energia elétrica com o emprego de fontes alternativas e renováveis.
A geração eólica brasileira tem apresentado dados relevantes recentemente. Segundo a Associação Brasileira de Energia Eólica (ABEOLICA), no início de dezembro de 2017 o Brasil alcançou a marca recorde de capacidade instalada de 12,64 GW com 500 parques eólicos. A Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE) revela que a produção de energia eó-lica em operação comercial no Sistema Interligado Nacional (SIN), entre janeiro e setembro de 2017 foi 28% superior à geração no mesmo período do ano passado [1]. Segundo a CCEE, em setembro de 2017, a geração de energia eólica foi responsável por 11% de energia da matriz elétrica brasileira. Outro dado relevante é que o Brasil subiu mais uma posição e assumiu o sétimo lugar entre os países com maior geração de energia eólica no mundo, ultrapassando o Canadá, que caiu para a oitava posição [2]. Esses dados demostram que a geração eólica vem aumentando sua participação na matriz energética brasileira.
O gerador elétrico de indução duplamente alimentado (GIDA) predomina nas instala-ções globais de gerainstala-ções eólicas de velocidade variável. Isto se deve, principalmente, ao fato dos seus conversores eletrônicos de potência processarem apenas cerca de 30% da potência total do sistema, tornando-se atrativos dos pontos de vista econômico e de redução de dimen-sões [3].
A Figura 1.1 mostra o diagrama esquemático do sistema de geração eólico conectado à rede elétrica utilizando o GIDA. O sistema de geração é baseado no controle de dois converso-res eletrônicos de potência separadamente. O conversor eletrônico conectado diretamente ao rotor do GIDA é um conversor eletrônico CC-CA que controla a extração da máxima potência elétrica de acordo com o perfil eólico do sistema, e é convencionalmente chamado de conversor do lado do gerador elétrico (CLG). O segundo conversor é um conversor eletrônico CA-CC,
inversor fonte de tensão elétrica alternada, que está conectado aos terminais dos enrolamentos do estator do gerador elétrico e também à rede elétrica, chamado de conversor do lado da rede elétrica (CLR). A sua função é a de controlar a tensão elétrica do elo CC que existe entre os dois conversores eletrônicos de potência, onde operam capacitores eletrolíticos formando um elo de corrente contínua, possibilitando o envio da energia elétrica gerada pelo GIDA para rede elétrica.
Figura 1.1 – Diagrama de operação tradicional do GIDA.
A qualidade de energia elétrica é um importante aspecto nas aplicações de sistemas de energia elétrica que usam conversores eletrônicos de potência conectados à rede elétrica. O aumento da utilização de equipamentos eletrônicos, tais como os acionamentos de motores em velocidade variável e as fontes eletrônicas de computadores resultam na injeção de harmônicas de corrente elétrica na rede elétrica. A “poluição harmônica” gerada causa problemas tais como: distorções de formas de ondas de tensões e de correntes elétricas na rede elétrica, diminuição o fator de potência, aumento de perdas por aquecimento, flutuações de potência reativa, cintila-ções de tensão elétrica (flicker) e elevacintila-ções repentinas de tensão elétrica (swell).
O filtro ativo de potência (FAP) é uma solução difundida na redução de harmônicas de corrente elétrica. O FAP detecta a corrente elétrica harmônica da carga não linear e injeta uma compensação de corrente elétrica para mitigar as componentes harmônicas que passam para a rede elétrica [4].
Na Figura 1.2, observa-se um esquema de operação no qual o GIDA compensa as cor-rentes elétricas distorcidas de cargas não lineares conectadas à rede elétrica, de modo que as correntes elétricas no ponto de acoplamento comum (PAC) não apresentem distorções para um sistema com alimentação por tensão elétrica senoidal.
O desempenho da função FAP do GIDA no sistema elétrico deve seguir a legislação específica que define a distorção harmônica total (DHTi) admissível na corrente elétrica a ser
Ps, Qs is CLM CLR Rede Pg, Qg ig GIDA CLG CLR
entregue para a rede elétrica local. Em países como os Estados Unidos, o nível de DHTi para os sistemas de distribuição é determinado pela norma do IEEE [5]. A norma IEEE estabelece os limites que variam de acordo com o nível de tensão elétrica e com o nível de curto-circuito do PAC. Quanto maior for a corrente elétrica de curto-circuito em relação à corrente elétrica de carga, maiores serão as distorções de corrente elétrica admitidas, uma vez que estas distorcem em menor intensidade a tensão elétrica no PAC. Quanto maior for o nível de tensão, menores serão os limites aceitáveis [5].
Rede elétrica Ps, Qs is ir V cc CLG CLR ωm Qs* ωm* ic
Cargas não lineares Vcc* Pg, Qg ig PAC GIDA igida Isolador Harmônico is PWM Controlador de corrente icdqh Figura 1.2 – Diagrama de operação do GIDA/FAP.
Já a norma IEC, usada principalmente por alguns países da comunidade europeia, define limites que se aplicam a equipamentos elétricos e eletrônicos de corrente elétrica de entrada de até 16 A por fase, conectados a uma rede elétrica pública de baixa tensão elétrica alternada, de 50Hz ou 60 Hz, com tensão elétrica fase-neutro entre 220V e 240 V. Os equipamentos são divididos em quatro classes. Cada classe define o valor máximo individual de cada harmônica da corrente elétrica para ordens ímpares e pares. Os valores máximos das harmônicas de cor-rente elétrica admissíveis são maiores para ordens menores, ou seja, quanto maior a ordem menor a magnitude permitida [6].
No Brasil, o operador nacional do sistema (ONS) estabelece a legislação vigente que define os níveis de distorção harmônica total para tensão elétrica no ponto de acoplamento co-mum (PAC) [7]. No entanto, o ONS ainda não definiu legislação sobre a distorção harmônica total de corrente elétrica admissível [7]. Enquanto não há legislação brasileira definida para a regulação dos índices de distorção harmônica total de correntes elétricas no sistema elétrico brasileiro, soluções para reduzir ou eliminar o conteúdo harmônico de correntes injetadas na rede elétrica são desenvolvidas.
Este trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Eletrônica de Potência (LEPO) do Departamento de Sistemas e Energia (DSE) da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Compu-tação da UNICAMP (FEEC/UNICAMP) e aborda a mitigação de harmônicos de corrente elé-trica injetados na rede eléelé-trica, usando os conversores eletrônicos do GIDA. A presente pes-quisa analisa a operação dos geradores elétricos em um sistema de geração eólica, produzindo potências ativa e reativa, bem como a operação no modo de mitigação de harmônicas de cor-rente elétrica.
1.1 OBJETIVO
O principal objetivo e contribuição deste trabalho é o desenvolvimento de três técnicas de controle do GIDA integrando a função de mitigação de corrente harmônicas da rede elétrica visando melhorar a qualidade de energia do sistema de energia elétrica na presença de cargas não lineares.
Dentre outros objetivos do trabalho pode-se citar: a. formação de recursos humanos na área; b. estudo do modelo matemático dinâmico do gerador elétrico duplamente alimentado; c. estudo de dinâmica do modelo do conversor eletrônico "back-to-back"; d. estudo das técnicas de controle do conversor eletrônico de potência; e. implementação de simulação no ambiente Matlab/Simulink/Simpowersystems do sistema composto por conversor eletrônico de potência e GIDA conectado à rede elétrica; f) análise do comportamento do sistema de geração eólica para controle de potências e de compensação de harmônicas de corrente elétrica a partir de simulação computacional; g) montagem de uma bancada experimental para comprovação de resultados teóricos; h) avaliação do sistema GIDA com compensação de harmônicas de corrente elétrica injetadas na rede elétrica e controle de potências a partir de ensaios em bancada; i) contribuirão para o desenvolvimento de técnicas ou soluções tecnológicas para a mitigação de harmônicas de corrente elétrica, melhorando a qualidade de energia elétrica gerada, j) divulga-ção dos resultados obtidos na pesquisa através da publicadivulga-ção de artigos em congressos, revistas e da tese de doutorado desenvolvida.
1.2 JUSTIFICATIVA
A existência de cargas não lineares diminui a qualidade de energia elétrica no sistema de energia elétrica. A instalação de filtro ativo de potência melhora, com custo adicional, a qualidade de energia elétrica. A presença de geradores elétricos distribuídos conectados à rede
elétrica a partir de conversores CC-CA pode melhorar a qualidade de energia do sistema e pro-porcionar uma redução no custo adicional de filtros ativos exclusivos para esse fim. Assim, com uma modificação no controle do GIDA pode-se realizar a função de produção e controle de potência elétrica gerada, bem como realizar a função de filtragem ativa da corrente elétrica enviada para a rede elétrica.
Desse modo, as estratégias de controle propostas neste trabalho, tornam-se atrativas no que diz respeito à mitigação de harmônicas de corrente elétrica e controle de potências do GIDA, contribuindo também com a qualidade de energia elétrica do sistema elétrico.
1.3 METODOLOGIA
Foi utilizada neste trabalho a metodologia clássica do desenvolvimento do assunto pro-posto com forte característica experimental. Simulações computacionais foram previamente re-alizadas, com o uso do software de simulações matemáticas Matlab/Simulink/Simpowersys-tems, baseadas no modelo matemático dinâmico do sistema de geração eólica, para guiar o trabalho de desenvolvimento do protótipo experimental.
O sistema de geração eólica que foi modelado, simulado, construído e testado consiste num GIDA com conversores eletrônicos de potência controlados por um sistema microproces-sado que possui interface homem-máquina (IHM) para análise dos sinais. A partir da modela-gem matemática e da simulação computacional uma série de ensaios foi realizada para a com-provação dos desenvolvimentos teóricos produzidos.
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
O capítulo 2 tem como objetivo apresentar os aspectos básicos do sistema de geração eólica equipado com gerador elétrico de indução trifásico duplamente alimentado (GIDA) co-nectado à rede elétrica. O modelo do conversor eletrônico CC-CA trifásico coco-nectado à rede elétrica com filtro indutivo (filtro L), bem como metodologia de projeto dos controladores do CLR, procedimento de conexão com a rede elétrica, os resultados de simulação e de experi-mentos do controle do conversor eletrônico são apresentados. O modelo matemático dinâmico do GIDA em coordenadas dq e a estratégia de controle por orientação de fluxo magnético do estator para o controle das potências do gerador elétrico também são apresentados. A metodo-logia de projeto dos controladores e os procedimentos do sincronismo do GIDA com a rede
elétrica são descritos com detalhes. O capítulo 3 apresenta os resultados de simulações e expe-rimentais para o controle de potências do gerador elétrico conectado à rede elétrica.
O capítulo 4 aborda as estratégias de compensação utilizadas no controle do CLR. Três propostas são apresentadas neste trabalho para realizar a compensação harmônica. A proposta 1 descreve o método de compensação SRF (Synchronous Reference Frame) em coordenadas dq, utilizando o controlador PI no controle de corrente elétrica do CLR. A proposta 2 corres-ponde ao controle do CLR/FAP em coordenadas αβ empregando no controle de corrente elé-trica do CLR o controlador P-multiressonante nas frequências de 300Hz, 420Hz, 660Hz e 780Hz. A proposta 3 aplica a técnica de compensação de corrente elétrica baseada na teoria p-q [8], utilizando o controlador PI.
O capitulo 5 relata os resultados obtidos usando as estratégias propostas para o sistema de geração eólica com GIDA utilizando e não utilizando a função de filtragem harmônica das correntes elétricas da rede elétrica na presença de uma carga não linear. A simulação desenvol-vida é descrita com detalhes e as suas principais etapas que envolvem os blocos modelados para o Simulink são apresentados. Em seguida, descreve-se a plataforma experimental desenvolvida para realização dos ensaios.
Os resultados de simulação e os experimentais são divididos em quatro estudos de casos. O primeiro caso se refere a um sistema de geração eólica equipado com GIDA e sem filtragem ativa, enquanto que os demais casos tratam do mesmo sistema com a inclusão da função de filtragem de harmônicas de corrente na rede elétrica. No segundo caso, os resultados da filtra-gem de harmônicas de corrente da rede elétrica que utiliza o método de compensação SRF em dq com controlador PI (proposta 1) são verificados. No terceiro caso, os resultados do método de compensação a partir do CLR/FAP em variáveis αβ com controlador P-multiressonante (pro-posta 2) são mostrados. O quarto caso trata da compensação de harmônicas de corrente na rede elétrica pelo CLR através da aplicação da teoria PQ (proposta 3).
Para a verificação do desempenho das estratégias foram discutidos os resultados de si-mulações e de experimentos de um protótipo montado no laboratório. Os resultados de simula-ções também são apresentados para um sistema de geração eólica com gerador elétrico de 1,5 MW seguindo a organização semelhante a do sistema de geração construído no laboratório. Por fim, resultados de simulação em software de projeto de conversores eletrônicos de potência para as tecnologias de silício e carbeto de silício são analisados.
As conclusões sobre a pesquisa realizada são apresentadas no capítulo 6, incluindo as propostas para trabalhos futuros e as publicações realizadas durante o período de doutorado.
As características dos sistemas de geração eólica equipados com GIDA, bem como os valores dos parâmetros dos controladores utilizados nas propostas investigadas são apresenta-dos no apêndice A.
Nos apêndices B, C, D e E, as modelagens do controle do CLR e do CLG em linguagem de blocos do software Matlab-Simulink são apresentadas com detalhes.
Os relatórios de simulações do software SemiSel e folhas de dados utilizados nas simu-lações são mostradas no anexo A.
1.5 ESTADO DA ARTE
As funções de FAP vêm sendo realizadas por meio de modificações no controle do con-versor eletrônico do GIDA, o que pode melhorar a qualidade da energia elétrica fornecida e mitigar as componentes harmônicas de correntes elétricas [4] e [9]. Em [10] e [11] foi proposta uma estratégia de controle, através do conversor eletrônico do lado do gerador elétrico (CLG), que controla a energia gerada, a compensação reativa e realiza filtragem seletiva das correntes elétricas harmônicas de 5a. e 7a. ordens. Enquanto [11] apresenta uma proposta semelhante a [10], porém o sistema administra a prioridade entre o rastreamento de máxima potência e a melhoria da qualidade de energia.
Os artigos [4], [12], [13] e [14] utilizam a estratégia de controle das potências ativa e reativa e realizam a mitigação das correntes elétricas harmônicas pelo controle do CLG, através de um controlador de modos deslizantes. Nos estudos [4] e [14] as correntes elétrica de refe-rência para a compensação de correntes harmônicas foram determinadas a partir da corrente elétrica de carga, calculadas pela teoria de potência instantânea PQ (potências ativa e reativa) [8]. Em [12] propôs-se um sistema de geração eólica que também realiza a mitigação de cor-rentes harmônicas da rede elétrica, utilizando controladores de corrente elétrica que usam mo-dulação por histerese com frequência de chaveamento constante obtendo maiores valores de DHT do que em [13] , que utilizou o controlador de corrente elétrica por histerese com frequên-cia de chaveamento variável. Os autores em [9] apresentam o GIDA com função de FAP e com controle de potências realizado através do controle vetorial sem sensor de velocidade, reali-zando o rastreamento da máxima potência e a mitigação das correntes harmônicas da rede elé-trica.
As pesquisas com mitigação harmônica da corrente da rede elétrica, a partir do CLG, utilizam a injeção harmônica no GIDA, contudo a máquina elétrica não foi projetada para essa finalidade, o que pode acarretar no aumento das perdas, operação inadequada e redução da vida
útil da máquina. Recentemente alguns estudos apresentaram sistemas de geração eólica com GIDA realizando a compensação de harmônicas de correntes elétricas baseadas em modifica-ções no controle do conversor eletrônico do lado da rede elétrica (CLR) [15][16]. Em [15], as correntes elétricas de referência para a compensação de corrente elétrica harmônica são deter-minadas a partir da corrente elétrica de carga e calculadas pela teoria de potência instantânea PQ [8]. Em [16] e [17] as referências de corrente elétrica harmônica foram extraídas da com-paração componente da fundamental da corrente elétrica de carga com a corrente elétrica total da carga, baseada na teoria de coordenadas de referência síncrona [18].
Um estudo teórico apresentado em [19] compara três técnicas que realizam o controle de potências e a compensação de harmônicas através de simulação. A primeira técnica realiza a compensação pelo controle do CLG, a segunda faz a mitigação das harmônicas a partir do CLR, enquanto a última combina a compensação pelo CLG e pelo CLR. Esta última técnica teve melhor desempenho.
Na literatura consultada, a maioria dos trabalhos possui resultados de simulação, poucos apresentam resultados experimentais [9][16]. Os autores em [9] implementaram as funções do sistema GIDA/FAP utilizando uma plataforma experimental desenvolvida com microcontrola-dor que possuem a função de filtragem a partir do CLG. No entanto, os autores não determinam a DHT da corrente da rede elétrica antes e depois da filtragem ativa, o que dificulta a análise do resultado da aplicação da estratégia do sistema GIDA/FAP. Em [16], a operação do sistema GIDA/FAP foi implementada no sistema dSPACE (DS1103). Os autores apresentaram resulta-dos de simulação e experimentais de DHT com e sem filtragem ativa no CLR, utilizando uma técnica de controle que utiliza controladores de corrente elétrica por histerese.
O estudo das técnicas de mitigação das harmônicas de corrente rede elétrica serve como base para a proposta de técnicas que permitem a operação do sistema GIDA/FAP, ou seja, um sistema que executa o controle de potências e que funciona também com a função de filtragem ativa.
1.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste capítulo foram apresentadas a introdução, o objetivo, a justificativa, a metodolo-gia, a organização do trabalho e uma revisão da literatura com o intuito de mostrar os principais trabalhos desenvolvidos até o momento atual.
CAPÍTULO 2
Modelagem do Sistema de Geração
de Energia Elétrica a partir do
GIDA
INTRODUÇÃO
Neste capítulo é apresenta-se o modelo do conversor eletrônico CC-CA trifásico conec-tado à rede elétrica (CLR) através de um filtro L, bem como a metodologia de projeto dos seus controladores, o procedimento de sua conexão com a rede elétrica e os resultados de simulação e experimentais do controle desse conversor eletrônico. Apresenta-se, também, o modelo ma-temático dinâmico do gerador elétrico de indução duplamente alimentado (GIDA) em coorde-nadas dq e a estratégia de controle por orientação de fluxo magnético do estator para o controle das potências ativa e reativa do gerador elétrico.
A metodologia de projeto dos controladores e os procedimentos de sincronismo do GIDA com a rede elétrica são descritos com detalhes. Na sequência, são apresentados resulta-dos de simulações e resultaresulta-dos experimentais do controle de potências ativa e reativa do gerador elétrico.
2.1 CONVERSOR ELETRÔNICO DO LADO DA REDE ELÉTRICA – CLR
O conversor eletrônico fonte de tensão elétrica conectado à rede elétrica com filtro L é apresentado na Figura 2.1. 2 cc V 2 cc V 1 T 4 T T5 T6 3 T 2 T 0 ta V tb V tc V a V b V c V R R R L L L Rede elétrica
A partir da Figura 2.1 e da lei das malhas, as equações que descrevem a dinâmica do conversor eletrônico trifásico fonte de tensão elétrica conectado à rede elétrica com filtro L são dadas por (2.1) a (2.3): ta a a a
d
V
Ri
L
i
V
dt
(2.1) tb b b bd
V
Ri
L
i
V
dt
(2.2) tc c c cd
V
Ri
L
i
V
dt
(2.3)Onde R é a resistência elétrica série do indutor, L é sua indutância, Vabc são as tensões da rede
elétrica e Vtabc são as tensões nos terminais do CLR.
O modelo matemático do sistema elétrico em coordenadas abc pode ser representado em coordenadas αβ, utilizando a transformação entre as coordenadas abc e αβ a partir de (2.4).
1 1 1 2 2 2 3 3 0 2 2 3 1 1 1 abc T (2.4)
Aplicando (2.4) nas equações (2.1) a (2.3), as equações da dinâmica do sistema podem ser representadas nas coordenadas αβ a partir da equação simplificada (2.5).
t
d
V
Ri
L
i
jL i
V
dt
(2.5)O sistema em coordenadas αβ, por sua vez, pode ser representado em coordenadas dq, aplicando a transformação entre as coordenadas αβ e dq dado por (2.6).
cos sen cos s s dq s s t t T sen t t (2.6)Aplicando (2.6) em (2.5), a dinâmica do conversor eletrônico passa a ser descrita em coordenadas dq que é representada por (2.7).
tdq dq dq dq dq
d
V
Ri
L
i
jL i
V
dt
(2.7)A expressão (2.7) pode ser decomposta em duas parcelas de acordo com a equação (2.8) .
tdq td tq
Expandindo a equação (2.7) usando (2.8), obtém-se as equações (2.9) e (2.10) em coor-denadas dq. d td d q d
d
L
i
V
Ri
L i
V
dt
(2.9) q tq q d qd
L
i
V
Ri
L i
V
dt
(2.10)As tensões nos terminais do conversor eletrônico em coordenadas dq (Vtd e Vtq), na
Fi-gura 2.1, dependem da tensão elétrica do barramento CC (Vcc) e dos índices de modulação em
coordenadas dq (md e mq), sendo dadas por (2.11) e (2.12) [20].
2
cc td dV
V
m
(2.11)2
cc tq qV
V
m
(2.12)Os índices de modulação md e mq são definidos por (2.13) e (2.14) em [20] e realizam o
desacoplamento das correntes elétricas e anulam o efeito de distúrbios, sendo ud e uq as novas
entradas do sistema. Devido a presença do termo Lω em (2.13) e (2.14), a dinâmica de id e iq é
desacoplada.
2 d q d d cc u L i V m V (2.13)
2 q d q q cc u L i V m V (2.14)Onde ud e uq são duas novas entradas de controle [20] e ω é frequência em rad/s da rede elétrica.
Substituindo md e mq a partir de (2.13) e (2.14), em (2.11) e (2.12), respectivamente, e
substituindo Vtd e Vtq em (2.9) e (2.10), obtém-se as expressões simplificadas do sistema que
se observa em (2.15) e (2.16). d d d
d
L
i
Ri
u
dt
(2.15) q q qd
L
i
Ri
u
dt
(2.16)Usando a transformada de Laplace em (2.15) e (2.16), obtém-se a planta de corrente elétrica do conversor eletrônico trifásico fonte de tensão conectado à rede elétrica com filtro L em coordenadas dq, dada por (2.17).
d
q
1 p d q i s i s G s u s u s Ls R (2.17)O diagrama de bloco do CLR (Figura 2.2) utiliza malhas de controle de corrente elétrica
id, iq e id*, iq* como as referências a partir do controle de tensão elétrica do barramento CC. As
variáveis ud e uq representam as saídas dos dois controladores PI. Observam-se também na
Fi-gura 2.2, md e mq oriundos das equações (2.13) e (2.14).
O bloco PLL (Phase Locked Loop) é responsável pelo sincronismo entre as tensões da rede elétrica e as produzidas pelo inversor, gerando um ângulo, θ em fase com a tensão da rede elétrica. Este ângulo é utilizado na transformação de coordenadas abc para dq.
Vd - iqLω iq* id* iq id PI(s) PI(s)
/ /
PWM 0.5.Vcc CLR
dq abc Vq + idLω Gerador de sinal de referência Vcc Qref Pref Pmax Pmin X X PI(s) Vcc* i d* iq* θ PLL v ud uq md mq
Figura 2.2- Esquema de controle do conversor eletrônico do lado da rede elétrica (CLR).
O bloco da transformada dq-abc foi usado para obter as referências de corrente elétrica no algoritmo de controle do CLR (Figura 2.2), sendo que estas referências de corrente elétrica foram usadas para implementar a modulação PWM (Pulse Width Modulation) no CLR.
O gerador de referência de sinal (Figura 2.2) produz as referências de corrente elétrica (id*, iq*), a partir de (2.18) e (2.19):
3
2
ref d d q qP
V i
V i
(2.18)3
2
ref d q q dQ
V i
V i
(2.19)Considerando que vq = 0, (2.18) e (2.19) podem ser simplificadas como (2.20) e (2.21):
* 2 3 d ref d i P V (2.20)
* 2 3 d ref d i Q V (2.21)
O bloco gerador de referência de sinal, na Figura 2.2, apresenta como saídas as correntes elétricas id* e iq* calculadas com base nos valores de potencias ativa e reativa desejadas, que são, Pref e Qref.
O CLR na topologia back-to-back tem potência nominal especificada para até 30% da potência nominal da máquina elétrica. Apesar da limitação de potência do CLR, pode-se reali-zar a compensação reativa através deste conversor eletrônico de potência para regular a tensão elétrica alternada no PAC.
A compensação reativa também pode ser realizada através do conversor eletrônico do lado do gerador elétrico em plena carga, ou seja, 100% de sua capacidade de operação.
A tensão elétrica no barramento CC é controlada a partir do fluxo de potência entre os conversores eletrônicos do lado da rede elétrica e do lado do gerador elétrico. Para o conversor CLR e uma fonte de energia no barramento CC, o balanço de energia é dado por (2.22).
2 1 2 cc exto perdas cc d P P P CV dt (2.22)
Sendo Pperdas = Vcciperdas, Pexto é a potência ativa processada pelo CLR, Pcc =Vccicc é o último
termo e representa a taxa de variação da energia armazenada no capacitor do barramento CC. As potências Pperdas e Pexto são distúrbios, Pt é entrada no sistema e Vcc2 é variável de estado.
A potência nos terminais do conversor eletrônico, Pt = Pcc, dessa forma (2.22) pode ser
reescrita como (2.23), assim o modelo dinâmico da tensão do barramento CC é dado por
2.
2
cc exto perdas tC d
V
P
P
P
dt
(2.23)Através do desenvolvimento da equação (2.23) detalhada em [20], determina-se a fun-ção de transferência Gv(s), dada por:
cc2
2 1 v t V s s G s P s C s (2.24)C é a capacitância equivalente do conversor eletrônico CA-CC.
2 2 3 exto sd LP V
(2.25)2.1.1 Projeto de controladores do controle de corrente e de tensão elétrica do elo CC do CLR em coordenadas dq
O sistema de controle do conversor eletrônico trifásico fonte de tensão conectado à rede elétrica com filtro L é apresentada na Figura 2.3 pelos diagramas de blocos simplificados que são equivalentes ao esquema de controle da Figura 2.2 [20]. O sistema é representado por três blocos: o bloco PI(s) é um controlador PI, o bloco Gp(s) é a planta do conversor eletrônico fonte
de tensão trifásico com filtro L e G(s) representa a dinâmica do PWM do conversor eletrônico CA/CC, Gp2(s) é G(s) em cascata com Gp(s). O controle da planta, em coordenadas dq, é
idên-tico para as malhas de corrente elétrica, assim os controladores podem ser os mesmos.
i
d*
i
d
( )
PI s
G s
( )
G s
p( )
G
p2(s)
(a)i
q*
i
q
( )
PI s
G s
( )
G s
p( )
G
p2(s)
(b)Figura 2.3 - Diagramas de blocos simplificados dos controladores de corrente elétrica do CLR com filtro L em coordenadas dq.
O projeto dos controladores do CLR e do CLG é baseado no método de resposta em frequência e considera a dinâmica do PWM do conversor eletrônico, que é representado pela função de transferência, G(s) [21]: 1 4 ( ) 1 4 s s T s G s T s (2.26)
em que Ts é o tempo de amostragem.
A metodologia de projeto dos controladores PI é obtida a partir da resposta em frequên-cia [22]. A função de transferênfrequên-cia do controlador PI é:
1 ( ) 1 . p i PI s k T s (2.27) para s = jω, tem-se: 1 ( ) 1 . p i PI j k T j (2.28) 1 ( ) arctan . i PI j T (2.29)
De acordo com a definição de margem de fase [23], a margem de fase desejada (MFd)
para o sistema controlado é calculada por:
2( ) ( ),
d p c c
MF G j PI j (2.30) em que ωc é a frequência de cruzamento de ganho.
Substituindo (2.29) em (2.30) e isolando Ti, uma condição de projeto é obtida:
2
1 .tan ( ) i c p c d T G j MF (2.31)Como a magnitude da função de transferência de malha aberta do sistema controlado é a unidade na frequência de cruzamento, tem-se que:
c
. p2
c
1PI j G j (2.32)
Assim, substituindo (2.28) em (2.32) e isolando kp, a segunda condição para o projeto
do controlador é: 2 1 ( ) . 1 p p c c i k j G j T (2.33)
De acordo com [23] e [24], um bom projeto de controle deve ter uma margem de ganho (MG) maior do que 6 dB e uma margem de fase (MF) entre 30o e 60o. Assim, para ω
c =16.000
rad/s e MFd = 60o, os valores de kp = 119.9989 e Ti = 0,0126 do controlador de corrente elétrica
do CLR foram obtidos a partir de (2.31) e (2.33).
De acordo com a Figura 2.4, a resposta em frequência do sistema controlado pelo con-trolador de corrente elétrica do CLR (PI) segue a condição de margem de ganho maior que 6 dB e margem de fase de 60o para a frequência de cruzamento de 16.000 rad/s. Essa frequência
de cruzamento para o controle de corrente foi escolhida a partir de resultados teóricos obtidos em simulações.
Figura 2.4- Resposta em frequência de malha aberta do controlador das correntes elétricas id e iq do CLR.
O diagrama de bloco do controle de tensão elétrica do barramento CC do CLR, na Figura 2.5, é representada por um controlador PI, Gi(s) é a malha fechada do controle de corrente
elétrica do CLR e Gv(s) representa a dinâmica de tensão elétrica do barramento CC, Gv2(s) é Gi(s) em cascata com Gv(s). O sinal do controlador PI é multiplicado por -1 para compensar o
sinal negativo de Gv(s). *2 cc
v
v
cc2 ( ) i G s G sv( )( )
PI s
G
v2(s)
Figura 2.5 - Diagrama de blocos simplificado do controlador de tensão elétrica do barramento CC.
Na literatura técnica, a potência instantânea dos indutores do filtros é frequentemente desprezada [25][26][27], assim a função de transferência do modelo simplificado Gv(s) descrito
em [20] é dada por:
2
2 1 . cc v V s G s P s C s (2.34) −50 0 50 100 M a g n itu d e ( d B ) 100 101 102 103 104 105 106 90 135 180 225 270 F ra u s a s e ( g ) Diagrama de BodeMG= 11.5 dB (em6e+04 rad/s) , MF= 60graus em( 1.6e+04 rad/s)
