Multifuncionalidade de conversores eletrônicos de potência utilizados em microrredes inteligentes

i

JAKSON PAULO BONALDO

MULTIFUNCIONALIDADE DE CONVERSORES ELETRÔNICOS DE POTÊNCIA UTILIZADOS EM MICRORREDES INTELIGENTES

CAMPINAS 2015

vii

RESUMO

Esta tese apresenta contribuições para a utilização multifuncional de conversores eletrôni-cos de potência aplicados à geração distribuída de energia. Através das técnicas propostas, o con-versor, que convencionalmente atua como interface entre fontes alternativas de energia e a rede elétrica, agrega funcionalidades relacionadas ao tratamento de problemas de qualidade da energia elétrica, passando a operar, também, como um filtro ativo de potência. As estratégias desenvolvi-das para viabilizar o uso multifuncional do conversor têm como base a corrente que flui por uma carga local conectada ao ponto de acoplamento do conversor. Através da decomposição da corren-te da carga em parcelas ortogonais relacionadas aos distúrbios de qualidade de energia, podem ser escolhidos os distúrbios a serem compensados, bem como o grau de compensação a ser aplicado. Entretanto, devido ao comportamento intermitente e imprevisível das cargas e das fontes alternati-vas de energia, a capacidade de potência ou corrente do conversor pode ser insuficiente para reali-zar sua função primária, isto é, a injeção da energia produzida pela fonte local, simultaneamente à compensação de distúrbios de qualidade de energia. Por isso, são desenvolvidas estratégias para limitar a potência ou corrente processadas pelo conversor, priorizando a injeção da potência gera-da pela fonte local. Também é apresentado um breve estudo sobre a operação coordenagera-da entre conversores multifuncionais em microrredes inteligentes de energia. Através de uma rede de dados os conversores são conectados a uma central de monitoramento e supervisão que ajusta de forma “online” as funções auxiliares que devem ser executadas por cada um dos conversores. As análises e testes realizados ao decorrer do trabalho consideram um cenário comumente encontrado em re-des de distribuição de energia em baixa tensão, cujas impedâncias são elevadas e a distorção har-mônica presente na tensão é considerável. As estratégias multifuncionais propostas neste trabalho foram validadas por resultados experimentais obtidos através da implementação de protótipos de conversores multifuncionais.

ix

ABSTRACT

This thesis presents the development of strategies to operate grid-tied power electronic converters, which are conventionally used as power interface between renewable power sources and the grid, as a multifunctional device. Through the application of the proposed control tech-niques, the grid-tied converter is able to aggregate additional features intended to perform ancil-lary services related to power quality improvement. Therefore, the original function of the grid-tied converter is combined with features of an active power filter. The strategies developed to al-low the multifunctional operation are based on the current throughout a local load which is con-nected at the point of coupling of the converter. By means of the decomposition of the load current into orthogonal components it is possible to choose the kind of disturbance to be compensated, as well as, the level of compensation. However, due to the unpredictable behavior of renewable ener-gy sources and loads, the power or current capacity available in grid-tied converter may be insuf-ficient to perform its primary function, i.e. the injection of the active power generated by the ener-gy source, along with the power quality improvement. Therefore, strategies to limit the power or current processed by the converter are developed giving priority to the active power injection. It is also presented a brief study about the coordinated operation of multifunctional power converters used in smart microgrids. A communication network is used to connect the power converters to a remote central of supervision that adjusts the ancillary services each converter should perform. Analysis, tests and discussions performed in this thesis consider a scenario commonly observed in low voltage energy networks, where the grid is weak and, in general, non-sinusoidal. The strate-gies and techniques proposed were validated through experimental results obtained by the imple-mentation of multifunctional power converters prototypes.

xi

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 1

1.1 OS CONVERSORES ELETRÔNICOS E SUAS APLICAÇÕES ... 3

1.1.1 Geração distribuída com fontes de corrente contínua ou alternada ... 3

1.1.2 Filtros Ativos de Potência ... 5

1.1.3 Conversores multifuncionais ... 6

1.2 REVISÃO SOBRE CONVERSORES MULTIFUNCIONAIS ... 7

1.3 OBJETIVOS ... 10

1.4 PRINCIPAIS CONTRIBUIÇÕES ... 11

1.5 PUBLICAÇÕES ... 12

1.6 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 13

2 MODELAGEM DO CEP FONTE DE TENSÃO CONTROLADO EM CORRENTE 15 2.1 ESTÁGIO DE SAÍDA DO CEP ... 16

2.1.1 Amortecimento ativo ... 17

2.1.2 Projeto do controlador de corrente ... 20

2.1.3 Consideração sobre a variação da indutância da rede ... 22

2.2 BARRAMENTO CC ... 23

2.2.1 Modelagem ... 23

2.2.2 Projeto do controlador de tensão ... 24

2.3 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ... 25

2.4 CONCLUSÃO ... 28

3 ESTRATÉGIA DE COMPENSAÇÃO SELETIVA BASEADA NA CPT ... 31

3.1 REVISÃO DA TEORIA DA POTÊNCIA CONSERVATIVA ... 32

3.2 ESTRATÉGIA DE COMPENSAÇÃO SELETIVA PROPOSTA ... 34

3.2.1 Geração da referência para compensação seletiva de distúrbios ... 34

3.2.2 Referência de corrente para injeção de energia na rede ... 36

3.2.3 Discussão sobre a forma de onda da corrente pela rede ... 37

3.2.3.1 CEP operando como FAP ... 38

xii

3.4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ... 44

3.4.1 CEP operando apenas como FAP ... 45

3.4.2 CEP Operando como IEP e FAP Simultaneamente ... 48

3.4.3 CEP operando apenas como IEP ... 51

3.5 CONCLUSÃO ... 53

4 ESTRATÉGIA FLEXÍVEL DE COMPENSAÇÃO DE DISTÚRBIOS ... 55

4.1 DECOMPOSIÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA SEGUNDO A CPT ... 56

4.2 ESTRATÉGIA DE CONTROLE FLEXÍVEL PROPOSTA ... 58

4.2.1 Geração flexível da referência de corrente para compensação de distúrbios relacionados à carga ... 58

4.2.2 Geração da referência para injeção de corrente ativa ... 61

4.2.3 Generalização da estratégia de geração de referência para compensação considerando injeção de potência ativa ... 61

4.2.4 Estrutura para controle flexível do CEP multifuncional ... 63

4.3 SIMULAÇÕES ... 64

4.3.1 Estratégia baseada nos fatores de reatividade e distorção ... 64

4.3.2 Estratégia baseada no fator de potência ... 68

4.4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ... 72

4.4.1 Compensação flexível baseada no fator de potência _{∗ ... 73}

4.4.2 Compensação flexível baseada nos fatores de conformidade _{∗ e ∗ .. 77}

5.4 CONCLUSÕES ... 80

5 LIMITAÇÃO DE POTÊNCIA E CORRENTE PROCESSADAS PELO CEP ... 83

5.1 INTRODUÇÃO ... 83

5.2 LIMITAÇÃO AUTOMÁTICA DA POTÊNCIA PROCESSADA PELO CEP ... 84

5.2.1 Fator de potência que garante operação do CEP com máxima capacidade .... 84

5.2.2 Simulações ... 88

5.2.3 Discussão sobre a corrente nominal do CEP ... 89

5.2.4 Resultados Experimentais ... 91

5.3 LIMITAÇÃO AUTOMÁTICA DA CORRENTE FORNECIDA PELO CEP ... 93

5.3.1 Simulações ... 95

5.3.2 Resultados Experimentais ... 98

xiii

5.4.1 Perfil dinâmico real de uma carga local ... 99

5.4.2 Perfil real de geração de energia solar ... 100

5.4.3 Adequação dos perfis de carga e geração ... 101

5.4.4 Simulações ... 103

5.5 INTERPRETAÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA ... 108

5.5.1 Análise do fator de potência da rede ... 109

5.6 CONCLUSÃO ... 111

6 CEPS CONTROLADOS EM CORRENTE OPERANDO EM PARALELO ... 113

6.1 ARQUITETURA DE SUPERVISÃO DOS CEPS ... 113

6.2 DEFINIÇÃO DA MICRORREDE ... 114

6.3 RESULTADOS EXPERIMENTAIS DA OPERAÇÃO DE CEPS EM PARALELO . 116 6.3.1 CEPs operando apenas como IEP sem cargas locais ... 116

6.3.2 CEPs com operação multifuncional ... 118

6.4 OPERAÇÃO COORDENADA DOS CONVERSORES ATUANDO COMO FAP .... 119

6.5 OPERAÇÃO COORDENADA DOS CONVERSORES MULTIFUNCIONAIS ... 125

6.6 CONCLUSÃO ... 128

7 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS ... 129

7.1 CONCLUSÃO GERAL ... 129

7.2 PERSPECTIVAS DE TRABALHOS FUTUROS... 132

REFERÊNCIAS ... 133

APÊNDICES ... 141

APÊNDICE A – CENTRAL DE GERENCIAMENTO REMOTO DOS CEPS ... 143

A.1 CENTRAL DE GERENCIAMENTO REMOTO DOS CONVERSORES ... 143

A.2 VISÃO GERAL DA ARQUITETURA DE COMUNICAÇÃO ... 144

A.3 CENTRAL DE SUPERVISÃO, CONTROLE E MONITORAMENTO ... 147

A.4 CONTROLE LOCAL DOS CEPS ... 150

A.4.1 Firmware do processador de uso geral ... 150

A.4.2 Firmware do DSP para controle do CEP ... 151

APÊNDICE B – INJEÇÃO DE ENERGIA REATIVA NA REDE ... 155

B.1 INJEÇÃO DE ENERGIA REATIVA NA REDE ... 155

xv

AGRADECIMENTO

Agradeço ao Professor Dr. José Antenor Pomilio pela sua dedicação e pela orientação des-te trabalho, e por meio dele me reporto a toda comunidade da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) pelo apoio incondicional.

Agradeço ao Professor Dr. Helmo Kelis Morales Paredes pela orientação e pelos momen-tos de aprendizado.

Agradeço à FAPESP - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - que atra-vés do Processo FAPESP No. 2011/15884-6 contribuiu para a concretização dos resultados alcan-çados neste trabalho.

Aos colegas Danilo Brandão, Fellipe Saldanha, Filipe Braga, Gabriela Pérez, Hildo, Joel Guerreiro, Leonardo Ruffeil, Tárcio e Tiago Curi pela ótima convivência.

Agradeço aos pesquisadores e professores da banca examinadora pela atenção e contribui-ção dedicadas a este trabalho.

Gostaria de deixar registrado meu reconhecimento à minha família, bem como aos meus grandes amigos Fabiano Schmidt e Gilliard Nardel, que sem o apoio deles seria muito difícil ven-cer esse desafio. E por último, e nem por isso menos importante, agradeço a minha esposa pelo carinho, amor e compreensão.

Certamente estes parágrafos não atendem a todas as pessoas que fizeram parte dessa im-portante fase de minha vida. Portanto, desde já peço desculpas àquelas que não estiveram presen-tes entre estas palavras, mas é certo que fazem parte do meu pensamento e de minha gratidão.

xvii

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS

CEP Conversor Eletrônico de Potência

CPT Teoria da Potência Conservativa (Conservative Power Theory) DHT Distorção Harmônica Total

DSP Digital Signal Processor FAP Filtro Ativo de Potência FLE Fonte Local de Energia FRE Fonte Renovável de Energia IEP Interface Eletrônica de Potência

IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LCL Filtro passivo de terceira ordem

PAC Ponto de Acoplamento Comum PI Controlador Proporcional-Integral

PLL Phase-Locked Loop

PR+HC Controlador Proporcional Ressonante Harmônico QEE Qualidade da Energia Elétrica

RMS Valor Eficaz (Root Mean Square) SCR Síntese de Carga Resistiva

SCS Síntese de Corrente Senoidal

TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol

Potência Ativa da carga Potência Ativa medida na rede

Potência Ativa injetada pelo conversor Potência Reativa da carga

Potência Reativa medida na rede

Potência Reativa injetada pelo conversor

Potência Void (residual) da carga (relacionada às harmônicas da carga) Potência Void (residual) medida na rede

xviii Potência Aparente medida na rede

Potência Aparente processada pelo conversor Fator de Potência medido na carga

Fator de Potência da medido na rede

∗ _{Fator de Potência desejado no lado da rede}

Fator de Reatividade medido na carga Fator de Reatividade da medido na rede

∗ _{Fator de Reatividade desejado no lado da rede}

Fator de Distorção medido na carga Fator de Distorção da medido na rede

∗ _{Fator de Distorção desejado no lado da rede}

Fator de Deslocamento

Corrente instantânea injetada pelo conversor Corrente instantânea injetada pelo conversor Corrente instantânea que circula pela rede Corrente instantânea que circula pela carga Tensão instantânea no PAC

1 INTRODUÇÃO

A questão que fundamenta esta tese é o múltiplo uso dos conversores eletrônicos de potên-cia (CEP) necessários ao aproveitamento de praticamente todas as fontes alternativas e renováveis de energia. Como exemplo preliminar, pode-se considerar um conversor que faz a injeção de energia (de origem fotovoltaica, eólica, etc.) em uma rede CA, o qual pode atuar (dentro de seus limites operacionais) como um compensador de qualidade de energia, compensando potência rea-tiva ou correntes harmônicas, sem perda de sua função inicial. Esta tese se insere dentro dos atuais estudos sobre as chamadas microrredes inteligentes [1-5].

Conversores eletrônicos de potência são elementos essenciais para adequar a energia dis-ponível às exigências específicas da carga. Tal processamento da energia se relaciona ao que se entende por condicionamento da energia elétrica.

Em termos da interação com a rede CA, as regulamentações de fator de potência, de níveis de harmônicas de corrente e tensão, de interferência eletromagnética, de cintilação luminosa [6-17] têm impulsionado o desenvolvimento de topologias de conversores e de técnicas de controle que visam compensar os distúrbios existentes na rede e evitar a geração de novas perturbações.

A tecnologia de eletrônica de potência, que permite o controle da energia elétrica, até nos mais altos níveis de potência, começou modestamente com os diodos semicondutores e evoluiu com o surgimento e aprimoramento de novos dispositivos semicondutores, ampliando cada vez mais os níveis de potência controláveis e a velocidade de comutação [18,19]. Dispositivos como IGCTs (Integrated Gate Controlled Thyristor) e IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), capa-zes de manobrar níveis médios e altos de potência, abriram importantes perspectivas de aplicação no controle da energia elétrica [20-25]. Com o desenvolvimento dos filtros ativos de potência (FAP), a compensação, de modo quase instantâneo, de distúrbios presentes no sistema elétrico, trouxe a possibilidade de compensar harmônicas de corrente e o próprio fator de potência de uma maneira muito mais eficiente do que com os tradicionais filtros passivos [26-34]. Em algumas situações, os filtros passivos não são capazes de realizar a compensação, pois muitas das cargas não-lineares possuem fator de deslocamento próximo da unidade, o que inviabiliza a compensação das harmônicas sem prejudicar o fator de deslocamento e, consequentemente, podendo não haver melhora no fator de potência.

Na área dos conversores estáticos, tem evoluído um enfoque sistêmico que se preocupa não apenas com a satisfação dos requisitos da carga a ser alimentada, mas também com a forma de onda da corrente absorvida da rede [35-37]. Cargas não lineares, que distorcem as formas de onda de tensão e corrente, sempre estiveram presentes no sistema elétrico em maior ou menor escala. Com a introdução dos dispositivos chaveados, o grau de distorção produzida aumentou significati-vamente, gerando a necessidade de constantes verificações dos níveis harmônicos presentes no sistema. A presença de harmônicas na rede cria uma série de problemas como ressonâncias, sobre-aquecimento, erros de medição, vibrações em máquinas, etc [38-41].

Os sistemas de conversão CA/CC constituem-se, ainda hoje, na principal fonte geradora de harmônicas de corrente. Nas aplicações de média para alta potência (da ordem de kW a MW) tem-se os processos eletroquímicos e acionamento CC, alimentação de inversores para controle de má-quinas CA, e sistemas de alimentação ininterrupta, além de fontes de alimentação em geral.

Os retificadores de pequena potência, destinados à alimentação de pequenos sistemas ele-trônicos, são caracterizados pela conexão direta do retificador a um filtro capacitivo. Esta solução, embora de custo muito reduzido, produz uma forma de onda de corrente impulsiva, com um con-sequente elevado conteúdo harmônico, cuja distorção harmônica total (DHT) pode chegar a 150% [42-44]. Dada a grande quantidade deste tipo de carga espalhada por toda a rede (aparelhos eletro-domésticos, computadores pessoais, reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes, etc.), o efei-to combinado efei-torna-se comparável ao dos grandes usuários industriais. Dada a grande importância do fator custo para tais equipamentos, são ainda raros os fabricantes que se preocupam com a questão da forma da corrente de entrada de seus aparelhos, o que não ocorre com os usuários de sistemas de grande potência, cujo emprego de filtros (passivos) é tradicional [45-48]. Assim, na situação atual, o efeito das cargas que produzem distorções se faz sentir mais claramente nas redes de distribuição, tanto na baixa quanto no lado de alta tensão.

À medida que o problema de distorção harmônica foi se agravando, cresceu a necessidade de estabelecer limites mais adequados, atendendo aos interesses de consumidores, fabricantes de equipamentos elétricos e concessionárias de energia. Essa discussão, que deve levar a uma norma-tização específica, ainda está inconclusa no Brasil [10].

1.1 OS CONVERSORES ELETRÔNICOS E SUAS APLICAÇÕES

Na sequência são apresentadas algumas aplicações de conversores eletrônicos de potência. Tem-se como cenário de aplicação redes de pequeno porte, com “inteligência” agregada (micro smart grids), com fontes próprias de geração (CC e CA) e cargas lineares e não lineares, com in-terligação com uma rede de distribuição, a qual pode estar sujeita a problemas de qualidade de energia, especialmente distorções harmônicas e desequilíbrios [1-5, 49].

1.1.1 Geração distribuída com fontes de corrente contínua ou alternada

Conversores eletrônicos de potência podem ser usados para conectar diversos tipos de fon-tes renováveis de energia (FRE) na rede elétrica. Independentemente do tipo de fonte, a estrutura mostrada Figura 1.1 pode ser utilizada. Esta estrutura emprega a dupla conversão de energia [50-56].

O primeiro estágio, o qual tem como entrada a fonte local de energia, pode ser composto por um conversor CC-CC ou CA-CC. Se a geração de energia se der em corrente contínua, tal como painéis fotovoltaicos, do inglês photovoltaic (PV), ou células a combustível, pode-se usar a estrutura mostrada na Figura 1.1(a) [57-62]. Por outro lado, se a fonte de energia for do tipo CA, tal como um gerador síncrono (GS) ou um gerador de indução (GI) usado para aproveitamento de energia eólica, utiliza-se a estrutura mostrada na Figura 1.1(b) [63-66]. Independentemente do tipo da fonte local de energia, na saída do primeiro estágio (CA-CC ou CC-CC) será obtida uma tensão CC de valor regulado.

O segundo estágio é usado para conexão com redes alternadas (CA), sendo composto por um conversor CC-CA. Por convenção, nesta tese, o termo interface eletrônica de potência (IEP) é usado quando um CEP realiza apenas a injeção da energia gerada pela fonte local na rede elétrica.

Figura 1.1 - Esquema para conexão de fonte local de energia com a rede elétrica usando dupla conversão de energia: a) fonte local do tipo CC; b) fonte local do tipo CA.

Um sistema convencionalmente utilizado para injetar energia na rede elétrica é mostrado na Figura 1.2. Este tipo de estrutura permite que uma corrente com baixa distorção seja injetada na rede, conforme se verifica na Figura 1.3(a). Por outro lado, se uma carga não linear for conectada ao PAC, a corrente pela rede pode assumir a forma de onda mostrada na Figura 1.3(b). Esta é uma possibilidade bastante plausível, já que a maioria das cargas domésticas apresenta comportamento não-linear.

Figura 1.3 - Tensão no PAC e corrente pela rede: a) sem cargas locais conectadas ao PAC; b) com cargas locais co-nectadas ao PAC.

1.1.2 Filtros Ativos de Potência

O estudo e desenvolvimento de filtros ativos de potência para a compensação de harmôni-cas e correção de fator de potência se baseia na medição de variáveis elétriharmôni-cas da rede e, eventu-almente, da carga, gerando sinais a serem utilizados no controle dos conversores estáticos (princi-palmente as estruturas que operam com modulação PWM) [66-75]. A filtragem passiva e, portan-to, as soluções híbridas, apresentam uma característica em comum que é a injeção de reativos na frequência fundamental, de modo que são soluções adequadas em situações em que a demanda de potência reativa da carga ou conjunto de cargas seja aproximadamente constante. Por outro lado, a filtragem ativa convencional, tal qual apresentada na Figura 1.4, permite a compensação mesmo em sistemas com cargas dinâmicas, as quais podem apresentar variações na demanda de reativos, bem como variações no conteúdo harmônico das correntes.

Um filtro ativo não necessita de suporte de potência ativa em seu elo CC. No entanto, pode operar com este tipo de conexão, ou seja, é possível agregar as funções de filtragem com a de inje-ção de potência ativa e reativa no sistema, o que dá à estrutura conversora uma aplicabilidade múl-tipla, sendo necessário que a mesma esteja adequada à potência exigida.

Figura 1.4 - Visão geral da aplicação de um filtro ativo de potência.

1.1.3 Conversores multifuncionais

Um dos principais objetivos das pesquisas sobre IEPs é melhorar a confiabilidade e reduzir os custos de construção e operação destes dispositivos. [58, 60-62, 73, 66]. Não apenas a redução de custos torna estes dispositivos economicamente atrativos, mas também a possibilidade de ofe-recer funcionalidades adicionais usando a estrutura física padrão das IEPs. Tais funcionalidades podem contribuir para incrementar o desempenho global de redes e microrredes de energia, nas quais existam geradores distribuídos interligados à rede por meio de CEPs.

A Figura 1.5(a) apresenta um esquema simplificado de IEP, onde o conversor CC-CC e a fonte local de energia são modelados como uma fonte de corrente. Nota-se que, exceto pela fonte de corrente, a estrutura do conversor é muito similar à estrutura de um FAP. Logo, a possibilidade de uso do CEP de forma a realizar múltiplas funções fica evidente.

A compensação de correntes harmônicas, oriundas da conexão de cargas não lineares no PAC, está entre as principais aplicações relacionadas aos CEPs multifuncionais [77-82]. A Figura 1.5(b) mostra as formas de onda de um CEP multifuncional injetando energia e compensando a corrente da carga. Nota-se que a corrente pelo CEP ( ) é distorcida, entretanto a corrente pela rede ( ) apresenta alta qualidade.

Figura 1.5 – Conversor multifuncional usado em uma rede monofásica: a) Visão geral da aplicação; b) Formas de onda da tensão no PAC ( ), corrente pela rede ( ), corrente da carga ( ) e corrente pelo conversor ( ).

1.2 REVISÃO SOBRE CONVERSORES MULTIFUNCIONAIS

Nos últimos anos, muitos trabalhos têm sido publicados abordando o uso multifuncional de CEPs [77-96]. Assim como mostrado nos parágrafos anteriores, nos trabalhos recentes, o conver-sor opera de forma multifuncional, injetando potência da fonte renovável e realizando a compen-sação dos distúrbios relacionados à carga local conectada ao PAC. Porém, não há aprofundamento sobre a capacidade do conversor para realizar tais tarefas simultaneamente, assim como a opera-ção é pouco flexível, pois a estrutura de controle e geraopera-ção de referências exige que todos os dis-túrbios sejam compensados. Em grande parte destes trabalhos não é possível escolher o distúrbio a ser compensando e tampouco, a porcentagem de compensação.

Em [83-85] o CEP é usado como IEP para injetar potência ativa na rede, bem como para injetar reativos, provendo, indiretamente, suporte de tensão no PAC. Em [86] o CEP é operado de forma a injetar potência ativa e controlar diretamente o perfil de tensão no PAC. Por outro lado, em [77-82] o CEP opera de forma multifuncional injetando potência ativa e compensando harmô-nicas de corrente e tensão. Entretanto, a forma usual de operação de conversores multifuncionais se dá conforme mostrado em [87-96], onde tanto harmônicas quanto potência reativa são compen-sadas pelo CEP, que também injeta no PAC a potência gerada pela fonte renovável.

Apesar do crescente uso de conversores multifuncionais em aplicações de geração distribuí-da, existem questões latentes, tal como a limitação das tarefas auxiliares prestadas pelo CEP devi-do à falta de capacidade de potência ou corrente. Este tema torna-se ainda mais crítico devidevi-do à natureza intermitente das fontes renováveis de energia, tais como geradores eólicos e painéis fo-tovoltaicos. Estas fontes podem apresentar picos de geração de energia durante algumas horas do dia. Como, em geral, as IEPs são projetadas para operar com o pico de potência das fontes de energia, não sobra margem de capacidade para as tarefas auxiliares. No entanto, em outros perío-dos, a potência gerada pode ser imprevisível, pois no caso de painéis fotovoltaicos a geração pode sofrer grandes oscilações devido ao sombreamento por nuvens. O mesmo ocorre com geradores eólicos que têm produção variável em função do regime de ventos. Nestes instantes, parte da ca-pacidade do CEP que não é usado para injetar energia na rede pode ser usada para realizar as fun-ções auxiliares como compensação de harmônicas e reativos.

Do ponto de vista de qualidade da energia elétrica (QEE) é interessante compensar totalmen-te os distúrbios. Entretanto, a capacidade do CEP disponível para estas tarefas pode ser insuficien-te. Desta forma, alguns trabalhos recentes separam os distúrbios de forma a compensar apenas algumas componentes, considerando a capacidade disponível no CEP. Em [77-79, 97], apenas algumas harmônicas de corrente são compensadas. Em [98-102], são demonstradas possibilidades para realização de compensação parcial através da separação dos distúrbios em componentes co-mo harmônicas, potência reativa e desbalanço. Entretanto, esta abordagem não permite explorar a máxima capacidade do CEP, pois a capacidade associada à compensação de um destes distúrbios pode ser maior que a capacidade disponível no CEP.

Além disso, os objetivos de compensação podem variar com o tempo, por decisão do opera-dor do sistema, para satisfazer algum critério de QEE, como, por exemplo, ajustar o perfil de ten-são ou compensar o fator de deslocamento. Deve-se considerar também o comportamento

dinâmi-co da carga. Em redes de distribuição, a carga varia durante um dia. Da mesma forma, a geração das fontes locais de energia, principalmente as renováveis, é alterada de acordo com as condições de operação. Tais alterações são devidas ao comportamento variável e imprevisível, tanto da carga quanto das fontes de geração de energia. Assim, as estratégias de compensação devem apresentar flexibilidade para ajustar a referência de compensação para atingir os índices de QEE predetermi-nados e acomodar as variações causadas pela carga e pela FLE, explorando ao máximo a capaci-dade do CEP.

Recentemente, alguns trabalhos começaram a abordar formas de escalonar as referências de compensação de modo a acomodar as variações na geração e nas cargas. Em [94] o CEP multifun-cional injeta potência ativa no PAC juntamente com a corrente de compensação, com o objetivo de melhorar a forma de onda da tensão. Para tal, o CEP se comporta como uma susceptância, a qual é controlada para não exceder a capacidade do CEP. Em [95], as correntes de compensação relacionadas às harmônicas e aos reativos da carga são obtidas pelo uso do sistema de referência dq0. Estas componentes são ponderadas por dois coeficientes obtidos através da utilização da teo-ria analítica de processos hierárquicos, considerando a capacidade disponível no CEP. Além de apresentar carga computacional elevada, os coeficientes resultantes não têm relação direta com parâmetros clássicos de QEE, tais como DHT e fator de potência. Um conversor multifuncional monofásico é mostrado em [96], no qual a teoria P-Q é usada para determinar as referências de corrente para injeção de energia e compensação de distúrbios. Por necessitar de adaptações para determinar os sinais em quadratura em sistemas monofásicos, esta abordagem introduz atrasos e oscilações devidas aos integradores de ordem elevada utilizados, os quais comprometem o com-portamento dinâmico e a estabilidade do CEP.

Neste sentindo, esta tese busca contribuir para a flexibilização dos métodos de geração de referência para compensação de distúrbios e para injeção de energia na rede. Pois o uso multifun-cional dos CEPs depende de estratégias de controle capazes de cumprir o principal objetivo, que é de injetar no sistema elétrico toda a energia gerada pela FLE, bem como atingir o objetivo secun-dário, de realizar tarefas auxiliares, principalmente relacionadas à melhoria de indicadores de QEE no ponto de acoplamento do CEP. Neste trabalho, o conversor opera como uma fonte de corrente controlada. Visando limitar o escopo da tese e melhorar a sequência de apresentação da mesma, temas como ilhamento e operação do CEP como fonte de tensão autônoma não serão abordados.

1.3 OBJETIVOS

O principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de tecnologia para uso multifunci-onal de conversores eletrônicos de potência em redes de distribuição inteligentes, especialmente em situações com problemas de qualidade de energia. Deseja-se que o conversor multifuncional esteja preparado para receber comandos indicando quais tarefas adicionais deverão ser realizadas em paralelo com a injeção da potência ativa gerada pela fonte local de energia. Desta forma, a estratégia multifuncional de operação do conversor deve contemplar a compensação de reativos e harmônicas de corrente, além de tornar possível a obtenção de valores específicos para indicadores de qualidade de energia, tais como fator de potência, DHT, fator de deslocamento, etc, no ponto de acoplamento do conversor.

Como objetivos específicos, destacam-se:

• Utilização de um filtro de ordem elevada na saída do conversor, visando obter alta quali-dade na forma de onda de tensão e corrente, evitando a contaminação do PAC com com-ponentes em alta frequência;

• Desenvolvimento de estratégias para geração de correntes de referência que permitam rea-lizar a compensação de distúrbios de forma parcial e em qualquer proporção, simultanea-mente à injeção da potência ativa gerada pela fonte local de energia.

• Desenvolvimento de estratégias para limitar a potência ou corrente processadas pelo con-versor durante a operação multifuncional visando não ultrapassar os limites nominais do conversor.

• Ajuste de referências e estratégias de compensação sem que seja necessário paralisar a operação do CEP para possibilitar a integração dos conversores que venham a formar uma microrrede.

• Conexão do CEP multifuncional a uma central supervisão para que possa ser monitorado o funcionamento do CEP e ajustados os parâmetros de operação, tais como a estratégia mul-tifuncional a ser utilizada e o nível de compensação dos distúrbios.

1.4 PRINCIPAIS CONTRIBUIÇÕES

Este trabalho mostra de forma simplificada uma metodologia para modelagem da malha de controle de corrente e projeto dos controladores, considerando amortecimento ativo do filtro LCL, a qual é baseada em trabalhos relevantes sobre o tema. Apesar de não consistir em um desenvol-vimento inédito, esta revisão abre caminho para que futuros projetos de conversores multifuncio-nais, interfaces de potência ou mesmo filtros ativos desenvolvidos no LCEE adotem este tipo de filtro, o qual possibilita obtenção de corrente de alta qualidade, livre de altas frequências.

A estratégia flexível de geração de referência de corrente com fim de injeção de energia e compensação de distúrbios torna possível o ajuste de índices de QEE no ponto de acoplamento em qualquer valor desejável, desde que o conversor apresente capacidade suficiente para tal.

O uso da Teoria da Potência Conservativa, do inglês Conservative Power Theory (CPT), como base para a estratégia de uso multifuncional do CEP dispensa a utilização de PLLs para sin-cronismo com a rede e torna direta a separação de componentes de corrente ou potência, sem ne-cessidade implementar artifícios para gerar sinais em quadratura e transformações de coordenadas.

As técnicas que limitam automaticamente potência ou a corrente processada pelo CEP permitem que o potencial do CEP seja explorado ao máximo. O CEP é capaz de operar de forma autônoma, sem comunicação para ajuste de referências, realizando tarefas auxiliares como com-pensação de distúrbios sempre que houver necessidade. O nível de comcom-pensação depende da capa-cidade disponível no CEP, a qual não é usada para transferir energia da fonte local para a rede.

A central remota de supervisão, bem como o hardware de controle local do CEP composto por dois núcleos de processadores, permite a conexão do CEP a qualquer rede de dados baseada no padrão Ethernet com protocolo TCP/IP. A central permite que vários CEPs sejam controlados remotamente, podendo operar de forma cooperativa, visando melhorar a QEE na microrrede na qual os CEPs estão instalados.

O desenvolvimento da central de supervisão usando ferramentas de software livre sinaliza que novos trabalhos e pesquisas em microrredes e conversores inteligentes podem realizados com custo baixo.

Por fim, com o desenvolvimento da estratégia flexível de compensação, das técnicas de li-mitação de capacidade e da central de supervisão e gerenciamento, o conversor multifuncional

está apto a receber instruções de um nível de gerência imediatamente superior, o qual pode orien-tar a operação, ditando as orien-tarefas que devam ser realizadas pelo conversor multifuncional.

1.5 PUBLICAÇÕES

Foram publicados os seguintes artigos como fruto das pesquisas realizadas:

J. P. Bonaldo, H. K. M. Paredes, J. A. Pomilio. "Controle Flexível para Conversores Monofásicos Conectados a Sistemas Elétricos Distorcidos de Baixa Tensão." Eletrônica de Potência (Impresso), v. 19, p. 354-367, 2015.

J. P. Bonaldo, H. K. M. Paredes, J. A. Pomilio. "Multifunctional Current Reference Generation Strategy for Grid-tied Power Electronic Converter." Przeglad Elektrotechniczny, v. 2015, p. 142-148, 2015.

J. P. Bonaldo, H. K. M. Paredes, J. A. Pomilio, "Modelagem e Análise Dinâmica de Inversor Fon-te de Fon-tensão e Controladores de Droop." Congresso Brasileiro de Automática, 2014, Belo Horizon-te, 2014. p. 4256-4263.

J. P. Bonaldo, J. A. Pomilio. "Multi-functional use of single-phase power converters." IEEE PES Conference on Innovative Smart Grid Technologies (ISGT Latin America), 2013, Sao Paulo. p. 1. J. P. Bonaldo, F. N. Braga, J. A. Pomilio. "Single-phase multifunctional grid interface converter without grid sincronization." International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP), 2013, Alghero, 2013. p. 306.

J. P. Bonaldo, H. K. M. Paredes, J. A. Pomilio. "Flexible Operation of Grid-Tied Single-Phase Power Converter." Brazilian Power Electronics Conference (COBEP 2013), Gramado, 2013, v. 1. p. 987-992.

Os seguintes artigos foram aceitos e aguardam publicação:

J. P. Bonaldo, H. K. M. Paredes, J. A. Pomilio, "Control of Single-Phase Power Converters Con-nected to Low Voltage Distorted Power Systems with Variable Compensation Objectives," IEEE Transactions on Power Electronics, vol.PP, no.99, pp.1,1.

J. P. Bonaldo, H. K. M. Paredes, A. Costabeber, J. A. Pomilio. "Adaptive Saturation System for Grid-Tied Inverters in Low Voltage Residential Micro-Grids", 15th International Conference on Environment and Electrical Engineering (ICEEE 2015), Rome, Italy, June, 2015.

1.6 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

Neste trabalho são estudadas estratégias para utilização multifuncional dos conversores que injetam energia na rede, a qual é oriunda de fontes locais de energia. Logo o conversor deve ser capaz de sintetizar as formas de onda de corrente desejadas com o menor erro possível, a fim de não comprometer os resultados das estratégias multifuncionais. Então, no Capítulo 2, o conversor que opera como fonte de tensão controlada em corrente é modelado e os ganhos dos controladores das malhas de tensão e corrente são projetados.

No Capítulo 3 é introduzida a primeira estratégia estudada, a qual propõe a compensação se-letiva dos distúrbios de QEE causados pela carga. As correntes de referência para compensação são obtidas pelo uso da Teoria de Potência Conservativa (CPT), que define parcelas ortogonais de corrente, as quais estão relacionadas a cada tipo de distúrbio. O conversor pode realizar apenas a injeção de potência ativa na rede (oriunda da fonte local de energia), apenas a compensação de distúrbios ou as duas tarefas podem ser realizadas simultaneamente. Uma breve discussão sobre a forma da onda da corrente resultante na rede também é apresentada neste capítulo. Duas aborda-gens são analisadas: corrente com forma de onda senoidal e corrente com forma de onde igual à tensão no ponto de acoplamento.

No Capítulo 4 são introduzidos fatores de conformidade que relacionam as componentes de corrente de distúrbio, presentes em sistema de geração distribuída, com os principais indicadores

de QEE. Tais fatores dão origem à estratégia flexível de compensação de distúrbios e uso multi-funcional do conversor. Nesta estratégia, os distúrbios podem ser compensados de forma flexível, isto é, pode-se realizar a compensação total ou parcial dos distúrbios. A compensação parcial pode ser realizada em qualquer proporção, isto é, pode ser compensada uma porcentagem da distorção harmônica ou dos reativos de acordo com a quantidade de potência ou corrente que o CEP pode processar. Devido ao fato da potência processada pelo CEP estar associada a índices de QEE, co-mo fator de potência e distorção harmônica de corrente, pode-se utilizar a capacidade disponível do CEP para melhorar tais índices de acordo com objetivos preestalecedidos pelo operador do sistema.

O Capítulo 5 apresenta o desenvolvimento de estratégias para limitação automática da po-tência ou da corrente processada pelo CEP. Estas estratégias têm como maior atrativo a possibili-dade de fazer uso pleno da capacipossibili-dade do inversor, mesmo considerando a intermitência da fonte local de energia e a imprevisibilidade da carga. Um cenário baseado em uma rede de distribuição real é usado para testar, por meio de simulações, as técnicas de limitação. Também é discutida a utilidade de alguns índices de QEE em um cenário de redes de energia com conversores multifun-cionais.

O Capítulo 6 mostra a aplicação das estratégias flexíveis de operação dos conversores em uma microrrede radial. Os CEPS compensam suas cargas locais e injetam potência na microrrede. A supervisão dos CEPs é realizada remotamente através de uma plataforma centralizada, a qual utiliza redes de dados para enviar referências para operação dos CEPs e receber informações a respeito da operação dos mesmos.

Finalmente, no Capítulo 7 são apresentadas as conclusões finais sobre e sugestões para tra-balhos futuros.

2 MODELAGEM DO CEP FONTE DE TENSÃO CONTROLADO EM CORRENTE

A Figura 2.1 mostra um arranjo comumente usado para injetar potência na rede elétrica. Trata-se de um inversor fonte de tensão com saída controlada em corrente, que neste trabalho é denominando CEP. O filtro LCL permite obter formas de onda de tensão e corrente de saída com alta qualidade, além de impedir que o ripple de chaveamento contamine a tensão no ponto de aco-plamento [103]. A indutância torna o sistema menos susceptível a variações da impedância da rede que, além de ser desconhecida, pode variar com o tempo. Na Tabela 2.1 estão indicados os valores dos principais parâmetros físicos do CEP e da rede elétrica de teste usada no decorrer des-te trabalho. O filtro LCL foi projetado conforme [104, 105].

Esta topologia permite controlar com precisão a corrente de saída do conversor e ainda prover alta eficiência ao sistema. Porém, para que o sistema funcione adequadamente é necessário modelar o conversor e projetar malhas de realimentação de tensão e corrente que garantam estabi-lidade e boa resposta dinâmica.

O sistema de controle do CEP utiliza duas malhas de controle [106-108]. A primeira é uma malha rápida para controlar a corrente de saída do CEP ( ) e a outra malha é mais lenta, respon-sável por manter constante a tensão no barramento CC ( ). Uma malha adicional controla a in-jeção de corrente ( ) da fonte de energia local no barramento CC.

Figura 2.1 - Circuito usado para injetar energia na rede elétrica.

C

S

S

S

S

L

L

C

V

R

C

L

L

L

R

v

i

i

i

v

I

Tabela 2.1 - Parâmetros do conversor, rede e carga

Parâmetros Valores

Rede Indutância da rede, Lg 0,56 mH

Resistência da rede, Rg 100 mΩ

CEP

Indutâncias do filtro LCL, L1= L2 0,5 mH Resistência interna dos indutores do filtro LCL, R1=R2 100 mΩ Capacitância do filtro LCL, Co 3 uF Resistência equivalente do capacitor do filtro LCL, Ro 10 mΩ

Tensão do barramento CC, VCC 300 V Corrente CC injetada pela fonte ICC 3 A Capacitância do barramento CC, CCC 5 mF

Carga Linear Indutância da carga linear, LB 70 mH

Resistência da carga linear, 3 Ω

Carga Não Linear

Resistência da carga não-linear RA 95 Ω Capacitância da carga não-linear, CA 1000 uF Indutância de acoplamento da carga não-linear, LA 1 mH

2.1 ESTÁGIO DE SAÍDA DO CEP

Como mostrado na Figura 2.1, o estágio de saída do CEP é composto por um filtro LCL [109-116]. A Figura 2.2 mostra o circuito equivalente do filtro LCL, o qual é obtido considerando que a tensão da rede é puramente senoidal e, portanto, a rede representa um curto-circuito para frequências diferentes de 60 Hz. A partir deste circuito é possível obter a função de transferência (2.1), que relaciona a corrente de saída do filtro ( ) com a tensão gerada pelo CEP ( ). Onde (2.2) e (2.3) representam indutância e resistência equivalente da rede e do indutor de saída do fil-tro.

!"# = !"#= "%& &+ 1 ") * ′ %&+ " %&, * - + +

- _*+

+ * &+ ′ & . + "%&,

*+ - + * ′ +

+ * &+ ′ & . + *+ ′

(2.1)

- _{= + / (2.2)}

Figura 2.2 - Circuito equivalente do filtro LCL.

A frequência de ressonância do filtro LCL é dada por: 01232 = 4 1 * ′ *+ ′ %& . _(2.4) 2.1.1 Amortecimento ativo

Devido ao ganho elevado na frequência de ressonância, o CEP com filtro LCL pode se tor-nar instável. A mitigação deste problema pode ser realizada pela inserção de uma resistência em série com o capacitor, o que aumenta o amortecimento do sistema [103, 113]. Embora a técnica seja muito simples, uma parte da energia gerada seria dissipada no resistor, diminuindo o rendi-mento global do sistema [117]. Assim, um método eficaz é emular uma resistência virtual em vez de usar uma resistência verdadeira em série com o capacitor do filtro LCL [104, 109]. Por outro lado, a necessidade de um sensor adicional para medir a corrente do capacitor é a desvantagem deste método.

Todo o sistema de controle da corrente de saída, bem como o sistema de amortecimento de ressonância é executando em um DSP [118]. Então, visando facilitar a implementação dos algo-ritmos de controle tanto em DSPs de ponto fixo, quanto em DSPs de ponto flutuante, as correntes são normalizadas através dos ganhos de corrente, conforme mostrado na Figura 2.3. Assim, a fun-ção de transferência (2.1) pode ser reescrita em funfun-ção de tensão e corrente normalizadas e consi-derando, também, o ganho estático do inversor monofásico, conforme (2.5).

L

R

C

R

v

’

R

L

‘

i

_ !"# = 7_8!"# 8 _8!"# =

98 9; 7!"%& &+ 1# ") * ′ %&+ " %&, * - + +

- _*+

+ * &+ ′ & . + "%&,

*+ - + * ′ +

+ * &+ ′ & . + *+ ′

(2.5)

Sendo:

_ → Sinal modulante normalizado para o inversor de tensão; _ → Corrente de saída normalizada;

9 → Ganho estático do inversor fonte de tensão monofásico ( ); 9=> → Ganho do sensor de corrente.

Figura 2.3 - Diagrama de blocos da malha de controle de corrente.

O amortecimento da ressonância pode ser obtido considerando que a corrente pelo capaci-tor, obtida conforme (2.6), é somada à referência de tensão do modulador PWM do inversor, con-forme mostrado no diagrama de blocos do sistema de controle da corrente do conversor da Figura 2.3. A corrente pelo capacitor é ponderada pelo ganho KD, o qual tem dimensão de resistência, levando ao amortecimento da ressonância.

A função de transferência amortecida é obtida conforme (2.7). Uma vez que o sistema está descrito em função de valores normalizados, a corrente pelo capacitor também é normalizada atra-vés do ganho de corrente 9_=> . Por fim, a função de transferência, com correntes normalizadas, considerando o amortecimento ativo é dada por (2.8).

1!"# !"# = " "% + 1% + "% (2.6) KD 1 L1 1 C0 1 L2 VPAC VL2 VC0 iC0 iL1 VL1 Vinv iF iF Ga(s) KSIF GC(s) GPW M(s) Gd(s) Kinv iF ´ Vinv_n KSIC * iF_n

!"# = _ !"# _ !"# ? 9 9=> 1!"# (2.7) !"# = 7_8!"# 8 _8!"# = 9 9=> !"%& &+ 1# ") * - %&+ " %&,9 9=> 9=> 9 - _{+ * - +} + - _{*+ * &+} - _& . + " ,9 9=> 9=> 9 - _{%&+ *+} - ₊

+ * ′ %&+ * &%&+ ′ &%& . + *+ ′

(2.8)

A Figura 2.4 mostra a função de transferência do filtro para diferentes valores de amorte-cimento. O valor do coeficiente de amortecimento deve ser escolhido considerando uma alta ate-nuação do pico de ressonância. Porém, a resposta da fase restringe o fator de ateate-nuação, pois, para alto amortecimento, a margem de fase diminui. O modelo foi validado através de simulações rea-lizadas com os softwares PSIM e Matlab.

Figura 2.4 - Função de transferência do filtro LCL considerando diferentes valores de amortecimento.

103 104 -270 -225 -180 -135 -90 -45 P h a s e ( d e g ) Frequency (Hz) -80 -60 -40 -20 0 20 40 M a g n it u d e ( d B ) Kd 0.0 Kd 1.0 Kd 2.5 Kd 5.0 Kd 10.0 Kd 15.0

Frequência (Hz)

M

a

g

n

it

u

d

e

(

d

B

)

F

a

s

e

(°

)

2.1.2 Projeto do controlador de corrente

A Figura 2.3 mostra o diagrama de blocos usado para projetar o controlador da malha de corrente. A função de transferência da malha aberta _@ !"#, mostrada em (2.9), é obtida conside-rando o atraso devido ao modulador PWM, _A@!"#, conforme (2.10). Uma vez que o controla-dor deve ser implementado em uma plataforma digital, deve ser considerado o atraso devido ao tempo de processamento do algoritmo de controle, _B!"#, conforme (2.11) [106]. O filtro anti-aliasing, _C!"#, colocado na entrada do conversor analógico-digital é modelado por (2.12).

@ !"# = 9 9=> !"# A@!"# B!"# C!"# (2.9) A@!"# =1 ? " 14EF 1 + " 14EF (2.10) B!"# =1 ? " 12EF 1 + " 12EF (2.11) C!"# =_{" + 0}01_C H 1_C H (2.12)

Sendo 9 o ganho do inversor, 9_=> o ganho do sensor de corrente, 0_{1_C H} a frequência de corte do filtro anti-aliasing e E_F o período de amostragem, que é a metade do período de comu-tação.

O controlador de corrente !"# baseia-se no controlador proporcional somado a controla-dores ressonantes harmônicos [106, 119-122], implementado conforme:

!"# = 9 + I 29>JK01JK" " + 201JK" + !L0M# NO*,),Q,…,*Q

.

(2.13) A ordem harmônica a ser compensada é representada por L, 0_M é a frequência fundamental da rede e 9 , 9_>JK e 0_1JK são o ganho proporcional, o ganho integral e a banda passante do con-trolador ressonante, respectivamente. O valor de 9_>JK é escolhido de forma a produzir um alto ganho nas frequências harmônicas e 0_1JK deve ser projetado de forma a manter um compromisso entre a seletividade das harmônicas compensadas e a tolerância em relação ao desvio da frequên-cia nominal da rede.

O controlador de corrente é projetado considerando que, abaixo da frequência de ressonân-cia, _@ !"# comporta-se como uma indutância. Tal afirmação pode ser verificada através da Figu-ra 2.4, na qual se nota que, em baixas frequências, a função de tFigu-ransferência do filtro LCL apre-senta uma taxa de atenuação de 20 dB/década. Este comportamento é similar ao de um indutor. Assim, em baixas frequências, o filtro LCL pode ser simplificado por uma indutância total dada por:

S = *+ -. (2.14)

Portanto, conforme [106], o ganho proporcional do controlador !"# pode ser aproximado por:

91 =_{9 9}0 S => .

(2.15) A equação (2.15) produz valores aceitáveis para 9₁ desde que a resistência do indutor equivalente ( _*+ -) seja menor do que a sua reatância na frequência 0 (frequência de corte da malha fechada de corrente), que determina a frequência de cruzamento, ou banda passante, dese-jada para o sistema de compensação. A Tabela 2.2 mostra os parâmetros utilizados no controlador de corrente e a Figura 2.5 mostra a resposta em frequência da função de transferência de malha aberta, _@ !"#, antes e após a compensação com !"#. A margem de fase é de aproximadamente 45° e a margem de ganho é de 5 dB. A banda passante da malha de corrente é de 1,2 kHz.

Figura 2.5 - Resposta em frequência da função de transferência em malha aberta do controlador de corrente.

Frequência (Hz) M a g n it u d e (d B ) F a s e (° ) -40 -20 0 20 40 60 102 103 104 -90 0 90 180 270 360 Bode Diagram Sem Compens. Com Compens. MF=45° MG=5dB

Tabela 2.2 - Parâmetros do controlador de corrente

TUVW 300 TX 0,72

TYZ[ 0,0667 TY\] 100

TYZ^ 0,0667 _^` 7,54 [krad/s] _X\] 5 [rad/s] _X_aVbU 81,7 [krad/s]

cd 38 [μs] _f 377 [rad/s]

2.1.3 Consideração sobre a variação da indutância da rede

Conforme se observa na Figura 2.1, a rede apresenta uma indutância ( _/) e resistência ( _/), cujos valores, geralmente, são desconhecidos. Segundo as equações (2.8) e (2.9), estes pa-râmetros afetam o comportamento dinâmico do sistema, afetando, inclusive, a estabilidade. Assim, para avaliar o efeito destes parâmetros na estabilidade do sistema foi gerada a Figura 2.6, que mostra a posição dos principais pólos do sistema em malha fechada para diferentes valores de _/. A Figura 2.6 é obtida pela aplicação de realimentação unitária à função de transferência de malha aberta, (2.9), do sistema de controle de corrente já compensado utilizando os parâmetros mostra-dos na Tabela 2.2 e na Figura 2.5.

Nota-se que, conforme a indutância da rede diminui, os pólos se aproximam do eixo ima-ginário, o que tende a diminuir o amortecimento do sistema e aumentar as oscilações. Para _/ g 0,25 jk o sistema torna-se instável, pois os pólos passam a estar localizados no lado direito do plano complexo.

O sistema pode se tornar ainda menos susceptível a variações dos parâmetros da rede se a indutância do filtro LCL for aumentada. No entanto, tal modificação pode ser evitada, uma vez que o sistema torna-se instável apenas quando a rede apresenta uma indutância consideravelmente baixa ( _/ < 0,25 mH).

O impacto de _/ na estabilidade é mínimo, pois todo o amortecimento necessário é provi-do pela resistência virtual e, caso a resistência _/ aumente, o sistema se tornará ainda mais amor-tecido.

2.2 BARRAMENTO CC

2.2.1 Modelagem

O controle do barramento CC é responsável por manter o balanço entre a potência que é entregue ao sistema na saída do conversor e a potência no barramento CC, mesmo quando o con-versor atua apenas como um FAP. A Figura 2.7 mostra o diagrama de blocos do controle em ma-lha fechada da tensão do barramento CC, no qual está incluso o ganho da mama-lha de controle de corrente, 1/9_=> , conforme [106].

A função de transferência, !"# é obtida através de uma análise de pequenos sinais e re-laciona a tensão do barramento CC com a corrente de pico pela rede [123-126], como mostrado em: !"# =_nopm !"# q_r!"# = _r "√2% ∗ . (2.16) A capacitância do barramento CC é representada por C_uu, enquanto V_uu∗ representa a refe-rência para a tensão do barramento e _{Vwxy_z} o valor eficaz da tensão no ponto de acoplamento do conversor.

2.2.2 Projeto do controlador de tensão

O compensador !"# que produz o pico de corrente de referência para o conversor é dado por:

!"# = 9 ₃₃+9>33 " .

(2.17) Este controlador deve resultar em uma banda passante estreita, evitando oscilações no va-lor de pico da referência de corrente e minimizando a interação com o controlador rápido de cor-rente, que tem uma banda passante maior.

O filtro passa-baixas, k !"#, mostrado em (2.18), é projetado para atenuar a ondulação de 120 Hz presente na tensão do barramento CC. Neste trabalho, foi considerada uma frequência de corte (0_1J{) igual a 30 Hz.

k !"# = 01J{ " + 01J{

(2.18) Finalmente, a função de transferência em malha fechada é obtida conforme:

k _|}!"# =_{1 +} !"#_{!"# !"#k !"#9}!"# 19=>

~.

(2.19)

A Figura 2.8 mostra a função de transferência da tensão no barramento CC com e sem o compensador PI. A Tabela 2.3 traz os principais parâmetros do sistema de controle da tensão do barramento CC. A banda passante é ajustada em 7 Hz, e a margem de fase em 70° a fim de obter

um sistema compensado com baixo overshoot, resultando em um compensador PI com 9 ₃₃ = 2,2 e 9>33 = 49.

Tabela 2.3 - Parâmetros do controlador de tensão CC. €XX∗ 300 [V] €\•^_‚ 180 [V]

TYZ 0,0667 T€ 0,00333

T_\^^ 2,2 T_Y^^ 49 _^` 7 [Hz] ƒ[ 70°

_X\„

Figura 2.8 - Diagrama de bode da função de transferência do barramento CC antes e depois da compensação PI.

2.3 RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Com o intuito de validação experimental da modelagem e do projeto de controle, o sistema mostrado na Figura 2.1 foi implementado como um protótipo, o qual foi conectado diretamente à rede do laboratório. Os algoritmos de controle, processamento de sinais e geração de referência foram implementados em um DSP de ponto flutuante TMS320F28335 com clock de 150 MHz. O hardware de potência é composto por um inversor monofásico e uma fonte de corrente CC, a qual foi implementada usando um conversor boost e uma fonte de tensão CC. Tanto o inversor quanto

Frequência (Hz) -80 -60 -40 -20 0 20 40 M a g n itu d e ( d B ) 100 101 102 103 -180 -135 -90 M a g n it u d e ( d B ) F a s e (°

) _{Com Compens.}Sem Compens.

o conversor boost são implementados usando IGBTs Semikron SKM50GB. Os IGBTs são chave-ados a uma frequência de 13 kHz. A frequência de amostragem de 26 kHz resulta em um intervalo de tempo entre amostras suficiente para realização dos cálculos das malhas de controle que são executadas pelo DSP.

A Figura 2.9 mostra as formas de onda para o CEP operando como FAP. A distorção da corrente da carga ( ) é kE = 90%, após a compensação a distorção da corrente pela rede ( ) é kE = 5%. A Figura 2.10 mostra o comportamento do sistema frente a um degrau de carga quando o CEP está operando como FAP. Nota-se que três ciclos após a mudança de carga, a cor-rente da rede volta a apresentar distorção baixa.

Figura 2.9 - Formas de onda para CEP operando como FAP.

Figura 2.10 - CEP operando como FAP quando ocorre um degrau de carga.

v

200V/div

i

10A/div

i

10A/div

i

10A/div

v

200V/div

iG

10A/div

iF

10A/div

i

10A/div

A operação da técnica de amortecimento ativa da ressonância entre o capacitor do filtro LCL e a indutância equivalente do sistema é mostrada na Figura 2.11, onde são mostradas as for-mas de onda da tensão no PAC a da corrente pela rede, bem como o espectro da corrente pela rede com e sem amortecimento ativo.

A Figura 2.11(a) é obtida sem amortecimento algum da ressonância (9 =0). Nota-se pelo espectro da corrente pela rede, na Figura 2.11(c), que a ressonância ocorre em torno de 3,8 kHz. O amortecimento ativo é mostrado na Figura 2.11(b), onde é usado 9 = 5. Nota-se que, a forma de onda da corrente pela rege, , está praticamente livre de componentes de alta frequência. Tal afirmação pode ser confirmada pelo espectro de , o qual é mostrado na Figura 2.11(d).

Figura 2.11 - Detalhe das formas de onda da tensão no PAC e da corrente pela rede: a) Sem amortecimento ativo da ressonância; b) Com amortecimento ativo. Espectro da corrente pela rede: c) Sem amortecimento; d) Com

amorteci-mento.

v

200V/div

i

5A/div

v

200V/div

iG

5A/div

a)

b)

c)

d)

15 dB/div

500 Hz/div

FFT(i

)

15 dB/div

500 Hz/div

FFT(i

)

A resposta dinâmica do controlador de tensão do barramento CC é mostrada na Figura 2.12, juntamente com a dinâmica da corrente pela rede e pelo conversor de potência. Inicialmente a fonte de corrente encontra-se desligada. Em (1) a fonte de corrente é ligada injetando 2 A no barramento CC do inversor. Em (2) a carga não linear é desconectada do PAC, caracterizando um degrau de carga. Em (3) a carga é reconectada ao PAC. Figura 2.12 mostra ainda o ripple presente na tensão lado CC do inversor.

Figura 2.12 - Tensão do barramento CC ( ), corrente pela rede ( ) e corrente pelo CEP ( ): a) Comportamento dinâmico; b) Detalhe das formas de onda em regime permanente.

2.4 CONCLUSÃO

Neste capítulo foi apresentada a modelagem do inversor monofásico fonte de tensão. Con-forme demonstrado, o filtro de terceira ordem do tipo LCL possibilita a obtenção de formas de onda de corrente e tensão praticamente livres do ripple de alta frequência devido ao chaveamento do conversor. A estabilidade contra variações de parâmetros da rede melhora devido ao uso do filtro LCL, pois a indutância do filtro que é conectada à rede garante uma impedância mínima en-tre o conversor e a rede.

O projeto da malha de controle da corrente de saída do inversor, considerando o amorteci-mento ativo da ressonância, foi realizado buscando trabalhar com uma banda passante suficiente-mente alta. Tal característica torna o sistema capaz de sintetizar correntes de alta frequência,

vi-a) b) 3 V/div 5 A/div 5 A/div (1) (2) (3) 500 ms/div 5 ms/div

v

50V/div

iG

5A/div

iF

5A/div

sando garantir os objetivos de compensação e injeção de corrente na rede que serão apresentados nos capítulos subsequentes.

Conforme os resultados experimentais demonstram, a malha de controle da tensão do bar-ramento CC, com banda passante muito menor que a banda da malha de corrente, não interfere significativamente na dinâmica da compensação de corrente. Porém, é importante garantir margem de fase suficientemente alta para diminuir a sobretensão do barramento quando o sistema é subme-tido a degraus de carga ou de referência.

Portanto, ao fim deste capítulo fica demonstrado que o conversor é capaz de seguir refe-rências de corrente arbitrárias, além de manter constante a tensão no barramento CC. Nos próxi-mos capítulos serão abordadas técnicas para geração de correntes de referência. Tais técnicas se-rão testadas e validadas fazendo uso do sistema projetado neste capítulo, inclusive, mantendo os valores dos componentes utilizados e dos parâmetros de projetos calculados.

3 ESTRATÉGIA DE COMPENSAÇÃO SELETIVA BASEADA NA CPT

Neste trabalho é utilizada a Teoria da Potência Conservativa [127-129] para realizar a de-composição da corrente da carga em componentes ortogonais, permitindo a compensação seletiva dos distúrbios de QEE relacionados à carga, os quais afetam a qualidade da energia no ponto de acoplamento do conversor.

A CPT permite separar cada tipo de distúrbio de forma independente, pois relacionada ca-da tipo de distúrbio a uma componente de corrente. Logo, para compensar um ca-dado distúrbio, bas-ta que o CEP sintetize a parcela de corrente correspondente. Uma característica imporbas-tante está no fato de que as parcelas de corrente e, por consequência de potência, são ortogonais. Portanto, a compensação de uma dada parcela de corrente não altera as demais. Tais características indicam que a CPT apresenta grande potencial para ser usada em aplicações nas quais se deseja realizar compensação seletiva de distúrbios.

No caso de sistemas monofásicos a CPT permite separar a corrente reativa devida a ele-mentos passivos ou não-lineares e a corrente void que é devida às harmônicas de corrente da carga ou devida à distorção na tensão de alimentação. Em sistemas multifásicos a CPT propicia, além das componentes de corrente citadas para o caso monofásico, a separação de componentes de cor-rentes adicionais. Entre estas componentes, cita-se a corrente devida ao desequilíbrio da carga (ativa e reativa), assim como os efeitos de desequilíbrios na tensão de alimentação.

A CPT é conhecida no cenário de compensação passiva e ativa de problemas de QEE. En-tretanto, existem poucos trabalhos que tratam do uso multifuncional de conversores eletrônicos de potência usando esta teoria [98-102]. Neste capítulo é realizada uma revisão sobre a compensação seletiva de distúrbios, que é realizada por um CEP também usado para injetar potência ativa ori-unda de uma fonte local de energia.

Apesar da similaridade com o conteúdo do trabalho [101] desenvolvido pelo mesmo grupo de pesquisa no qual esta tese está inserida, a revisão é importante para contextualizar a aplicação da CPT em sistemas monofásicos e para tornar mais claras e compreensíveis as análises e a meto-dologia de desenvolvimento das estratégias de operação de conversores multifuncionais que serão apresentadas nos próximos capítulos.

3.1 REVISÃO DA TEORIA DA POTÊNCIA CONSERVATIVA

Utilizando a CPT é possível decompor a corrente em parcelas ortogonais, as quais estão associadas às características da carga. Algumas destas parcelas de corrente são relacionadas aos distúrbios causados pela carga, os quais afetam a QEE no ponto de acoplamento do conversor. Para tal, faz-se uso da integral imparcial, a qual é a base para o cálculo de uma das parcelas de potência, chamada de energia reativa. A integral imparcial é dada por:

†‡!ˆ# = † H!ˆ# ? †&, (3.1)

onde † _H!ˆ# representa a integral da tensão:

† H!ˆ# = ‰ †!ˆ#Šˆ

H

&

, (3.2)

e †_& representa o valor médio de † _H!ˆ#:

†&=_{E ‰ †}1 H!ˆ#Šˆ S

&

. (3.3)

A integral imparcial corresponde à integral do sinal x(t) sem o valor médio. A potência ati-va média por fase ( ) é calculada conforme (3.4), representando a potência que efetiati-vamente é transformada em trabalho, sendo que !ˆ# representa a tensão instantânea sobre uma carga que drena uma corrente instantânea !ˆ#. A operação 〈 , 〉 representa o produto interno entre a tensão e a corrente.

=_{E ‰ !ˆ# !ˆ#Šˆ}1 H

& = 〈 , 〉

(3.4) A energia reativa (definição nova) média é calculada de maneira similar à potência ativa, porém, ao invés de utilizar a tensão medida, utiliza a integral imparcial desta tensão, conforme (3.5). A operação 〈‡, 〉 representa o produto interno entre a integral imparcial da tensão e a cor-rente.

• =1_{E ‰ ‡}Ž!ˆ#Ž!ˆ#Šˆ H

& = 〈•, 〉

(3.5) Esta componente modela as oscilações de potência e fluxos de corrente provocados por elementos armazenadores de energia ou por cargas não-lineares que provocam defasagem entre

tensão e corrente. No caso particular em que a tensão de alimentação é senoidal, a potência reativa pode ser calculada por:

= 0• (3.6)

A potência ativa e a energia reativa são as bases para a decomposição da corrente instantâ-nea !ˆ# em parcelas de corrente em que cada termo mantém um significado físico específico. As-sim, em operação periódica (senoidal ou não), a corrente de uma rede genérica pode ser decom-posta em três componentes básicas: corrente ativa (_C), corrente reativa ( _q) e corrente residual, também denominada de corrente nula ou void, ( ).

A corrente ativa é determinada como sendo a corrente mínima necessária para transmitir a potência ativa ( ) absorvida no PAC, sendo definida por (3.7). Onde é o valor eficaz (norma Euclidiana) da tensão e o parâmetro _• é a condutância equivalente.

C = 〈 , 〉 = = • (3.7)

A corrente reativa é determinada como sendo a corrente mínima necessária para transmitir energia reativa (•) no PAC e é dada por (3.8). Onde ‡ é a integral sem valor médio da tensão e o parâmetro ‘_• é a reatividade equivalente.

q = 〈‡, 〉_{’ ‡ =} •_{’ ‡ = ‘}•‡ , (3.8)

A corrente residual é aquela que não transfere potência ativa nem energia reativa e é dada por:

= ? C? q (3.9)

Por definição, todas as componentes de corrente anteriormente definidas são ortogonais en-tre si. Desta forma, a corrente medida no PAC em um sistema monofásico qualquer, pode ser de-composta conforme (3.10). Onde _C representa a parcela de corrente não ativa, a qual não contri-bui para transferência de potência ativa, sendo dada por (3.11).

= C+ q+ = C+ C (3.10)