Controle por modos deslizantes aplicado a um dstatcom utilizado em sistemas com gerador de indução autoexcitado para compensação de harmônicos e desbalanceamento

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA. Gabriel Attuati. CONTROLE POR MODOS DESLIZANTES APLICADO A UM DSTATCOM UTILIZADO EM SISTEMAS COM GERADOR DE INDUÇÃO AUTOEXCITADO PARA COMPENSAÇÃO DE HARMÔNICOS E DESBALANCEAMENTO. Santa Maria, RS, Brasil 2018.

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(3) Gabriel Attuati. CONTROLE POR MODOS DESLIZANTES APLICADO A UM DSTATCOM UTILIZADO EM SISTEMAS COM GERADOR DE INDUÇÃO AUTOEXCITADO PARA COMPENSAÇÃO DE HARMÔNICOS E DESBALANCEAMENTO. Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Área de Concentração em Processamento de Energia Elétrica, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.. Orientador: Prof. Dr. Robinson Figueiredo de Camargo Coorientador: Prof. Dr. Lucas Giuliani Scherer. Santa Maria, RS, Brasil 2018.

(4) Ficha catalográfica elaborada através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Central da UFSM, com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).. Attuati, Gabriel Controle Por Modos Deslizantes Aplicado a um DSTATCOM Utilizado em Sistemas com Gerador de Indução Autoexcitado para Compensação de Harmônicos e Desbalanceamento / Gabriel Attuati - 2018 111 p.; 30 cm Orientador: Robinson Figueiredo de Camargo Coorientador: Lucas Giuliani Scherer Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, RS, 2018 1. Gerador de Indução Autoexcitado 2. DSTATCOM 3. Controle de Corrente 4. Qualidade de Energia 5. Controle por Modos Deslizantes I. Figueiredo de Camargo, Robinson II. Giuliani Scherer, Lucas III. Título.. c 2018. Todos os direitos autorais reservados a Gabriel Attuati. A reprodução de partes ou do todo deste trabalho só poderá ser feita com autorização por escrito do autor. Endereço: Av. Roraima, No 1000, Bairro Camobi, Santa Maria, RS, Brasil, CEP: 97105-900; Endereço Eletrônico: ga.attuati@gmail.com.

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(7) RESUMO. CONTROLE POR MODOS DESLIZANTES APLICADO A UM DSTATCOM UTILIZADO EM SISTEMAS COM GERADOR DE INDUÇÃO AUTOEXCITADO PARA COMPENSAÇÃO DE HARMÔNICOS E DESBALANCEAMENTO Autor: Gabriel Attuati Orientador: Robinson Figueiredo de Camargo Coorientador: Lucas Giuliani Scherer. A presente dissertação tem como objetivo apresentar o projeto de um sistema de controle de um compensador estático síncrono de distribuição (DSTATCOM) aplicado à regulação de tensão e compensação de harmônicos e desbalanceamento de correntes de carga em sistemas com gerador de indução autoexcitado (GIAE). Para isso, é considerado um sistema genérico isolado trifásico a três fios, com máquina primária de velocidade constante. São demonstrados os processos de modelagem matemática do sistema e de projeto dos controladores de tensão e corrente necessários. O sistema é composto por controladores operando em malha fechada, com malhas externas para a regulação das tensões nos barramentos CA e CC, e malhas internas para o controle de corrente do DSTATCOM. Para as malhas externas, utilizam-se controladores clássicos do tipo PI. Especificamente em relação à malha de corrente, é proposto um controlador por modos deslizantes. A utilização desta técnica justifica-se em função de características como rápida resposta dinâmica, robustez e rejeição a distúrbios, as quais são desejáveis para realizar as compensações no sistema. O controlador resultante projetado apresenta resposta transitória rápida, com baixa influência de acoplamentos, além de não ser sensível a variações de frequência do sistema isolado, apresentando-se como alternativa aos controladores de corrente propostos pela literatura para essa aplicação específica, como por exemplo histerese ou proporcional ressonante. São demonstrados resultados de simulação e experimentais para a conexão de cargas não lineares, desbalanceadas, e combinação de ambas. Os resultados demonstram a viabilidade do sistema de controle proposto ao DSTATCOM, sendo possível regular a tensão e reduzir efetivamente o conteúdo harmônico e de desbalanço das correntes e tensões do GIAE para dentro de valores recomendados pelas normas IEEE 519-2014 e IEEE 1159 - 2009.. Palavras-chave: Gerador de Indução Autoexcitado, DSTATCOM, Controle de Corrente, Qualidade de Energia, Controle por Modos Deslizantes..

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(9) ABSTRACT SLIDING MODE CONTROL APPLIED TO DSTATCOM USED IN SELF-EXCITED INDUCTION GENERATOR BASED SYSTEMS FOR HARMONIC AND UNBALANCE COMPENSATION. Author: Gabriel Attuati Advisor: Robinson Figueiredo de Camargo Coadvisor: Lucas Giuliani Scherer. This dissertation aims to present the design of a distribution synchronous static compensator (DSTATCOM) control system applied to the voltage regulation and harmonic and unbalanced load currents compensation in self excited induction generator (SEIG) based systems. For this, it is considered an isolated three-phase three-wire generic system, with a constant speed primary machine. The process of mathematical modeling of the system and of the design of the necessary voltage and current controllers are demonstrated. The system consists of closed-loop controllers, with external loops for regulating the voltages in the AC and DC buses, and internal loops for the DSTATCOM current control. For the external loops, classical PI controllers are used. Specifically in relation to the current loop, it is proposed a sliding mode controller. The use of this technique is justified by characteristics such as fast dynamic response, robustness and rejection of disturbances, wich are desirable to carry out the proposed compensation in the system. The resulting designed controller presents a rapid transient response with low coupling influence, and is not sensitive to frequency variantions of the isolated system, presenting itself as an alternative to current controllers proposed by the literature for this specific application, such as hysteresis or proportional resonant. Simulation and experimental results are shown for the connection of non-linear, unbalanced loads, and a combination of both. The results demonstrate the feasibility of the proposed control system to the DSTATCOM, being possible to regulate the voltage and effectively reduce the harmonic and unblance content of the SEIG current and voltages to the values recommended by the IEEE 519-2014 and IEEE 1159-2009 standards.. Keywords: Self-Excited Induction Generator, DSTATCOM, Current Control, Power Quality, Sliding Mode Control..

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(11) LISTA DE FIGURAS Figura Figura Figura Figura Figura. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5. – – – – –. Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3.1 3.2 3.3. – – – – – – – – – – –. Figura 3.4 – Figura 3.5 – Figura 3.6 – Figura 3.7 – Figura 4.1 – Figura 4.2 – Figura 4.3 – Figura 5.1 – Figura 5.2 – Figura 5.3 –. Geração de energia elétrica através de microrredes em áreas remotas Técnicas de compensação em paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Controle de tensão com DSTATCOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de controle do DSTATCOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Controlador Eletrônico de Carga: (a) CEC acoplado ao DSTATCOM; (b) CEC acoplado a um retificador trifásico não controlado . . Sistema proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito equivalente para modelagem do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito de validação do modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resposta de corrente para degrau de ud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resposta de corrente para degrau de uq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resposta em frequência de Gid (s) e Giq (s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resposta em frequência de Gvd (s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resposta em frequência de GV cc (s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Topologia do sistema de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de blocos do sistema de controle das tensões do GIAE . . . . Diagrama de bode da malha compensada para o controlador de tensão CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resposta ao degrau para simulação do controlador de tensão do GIAE Diagrama de blocos do sistema de controle da tensão do barramento CC do DSTATCOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de bode da malha compensada para o controlador de tensão CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resposta ao degrau para simulação do controlador de tensão do barramento CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comportamento de sistema de controle por modos deslizantes . . . . . . . Variações da função sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulação de resposta ao degrau para controlador de corrente por modos deslizantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulação de resposta ao degrau para controlador de corrente por modos deslizantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulação do sistema completo para conexão de carga não linear . . Detalhamento das correntes id e iq para simulação de carga não linear. 20 24 25 25. ............................................................................... 77. Figura 5.4 – Comparativo do espectro harmônico das correntes e tensões do GIAE antes e depois da compensação pelo DSTATCOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.5 – Simulação do sistema completo para conexão de carga desbalanceada Figura 5.6 – Detalhamento das correntes id e iq para simulação de carga desbalanceada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.7 – Fator de desbalanço para carga desbalanceada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.8 – Simulação do sistema para conexão de carga não linear e desbalanceada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.9 – Correntes id e iq para simulação de carga não linear e desbalanceada Figura 5.10 – Fator de desbalanço para carga não linear e desbalanceada . . . . . . . . . . Figura 5.11 – Comparativo do espectro harmônico das correntes e tensões do GIAE antes e depois da compensação pelo DSTATCOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.12 – Resultados experimentais para a implementação da malha interna de corrente do DSTATCOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28 35 37 43 44 44 46 47 48 52 57 57 58 58 59 60 62 63 72 76 77. 78 79 79 80 81 81 82 82 83.

(12) LISTA DE FIGURAS Figura 5.13 – Resultado experimental para degrau na malha de tensão CC do DSTATCOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.14 – Resultado experimental para degrau na malha de tensão CA do DSTATCOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.15 – Resultados experimentais para partida do sistema e conexão do DSTATCOM: (a) Partida do GIAE; (b) Tensão Vcc durante a partida do GIAE; (c) Correntes iga , igb e igc do GIAE a vazio; (d) Tensões vab e vbc do GIAE a vazio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.16 – Resultados experimentais para conexão de carga não linear . . . . . . . . . Figura 5.17 – Resultados experimentais para as correntes id e iq para compensação de carga não linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.18 – Comparativo do espectro harmônico das correntes e tensões do GIAE na condição à vazio e após a conexão de carga não-linear . . . . . . . . . . . . Figura 5.19 – Resultados experimentais em regime transitório para conexão de carga não linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.20 – Resultados experimentais para conexão de carga desbalanceada . . . . . Figura 5.21 – Correntes id e iq para compensação de carga desbalanceada . . . . . . . . . . Figura 5.22 – Fator de desbalanço com carga desbalanceada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.23 – Regime transitório para conexão de carga desbalanceada . . . . . . . . . . . . . Figura 5.24 – Resultados experimentais para conexão de combinação de cargas . . . Figura 5.25 – Correntes id e iq para compensação de combinação de cargas . . . . . . . . Figura 5.26 – Fator de desbalanço com combinação de cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.27 – Comparativo do espectro harmônico das correntes e tensões do GIAE na condição à vazio e após a conexão da combinação de cargas . . . . . . Figura 5.28 – Regime transitório para combinação de cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura A.1 – Fotografia da bancada experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura B.1 – Conversor trifásico dois níveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84 84. 85 86 87 87 88 89 89 90 90 91 92 92 93 93 107 109.

(13) LISTA DE TABELAS Tabela Tabela Tabela Tabela. 4.1 A.1 A.2 A.3. – – – –. Parâmetros Parâmetros Parâmetros Parâmetros. do do da do. controlador de corrente por modos deslizantes . . . . . . . . 72 sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 máquina primária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 gerador de indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108.

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(15) LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CA CC CEC DSP DST AT COM GI GIAE GT O IEA MD M IM O PI PR PWM RM S SISO FPB ZOH P LL. Corrente Alternada Corrente Contínua Controlador Eletrônico de Carga Digital Signal Processor Distribution Static Synchronous Compensator Gerador de Indução Gerador de Indução Autoexcitado Gate Turn-Off Thyristor International Energy Agency Modos Deslizantes Multiple Input Multiple Output Proporcional Integral Proporcional Ressonante Pulse-Width Modulation Root Mean Square Single Input Single Output Filtro Passa-Baixa Zero-Order Hold Phase-Locked Loop.

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(17) LISTA DE SÍMBOLOS Ccc Ceq Cexc CV cc Cvd Gid , Giq Gvcc Gvd Gf pb ia , ib , ic id , iq id ∗ , iq ∗ i¯d , i¯q iga , igb , igc igd , igq ila , ilb , ilc il¯d , il¯q il˜d , il˜q Kid ,Kiq Lf q1 ,q2 ,ε1 ,ε2 Rc Req Rf Ts ua , ub , uc ud , uq , va , vb , vc vab , vbc , vca Vcc vd , vq vd ∗ ωf pb ω θ. Capacitância do barramento CC do DSTATCOM Capacitância equivalente de excitação do GIAE Capacitância de excitação do GIAE Função de transferência do controlador de tensão do barramento CC do DSTATCOM Função de transferência do controlador de tensão do GIAE Funções de transferência das plantas das malhas de corrente do DSTATCOM nos eixos d e q Função de transferência da planta da malha de tensão do barramento CC do DSTATCOM Função de transferência da planta da malha de tensão do GIAE no eixo d Função de transferência do filtro passa-baixa Correntes do DSTATCOM em coordenadas abc Correntes do DSTATCOM em coordenadas dq Referências de corrente do DSTATCOM nos eixos d e q Componentes contínuos das referências de corrente do DSTATCOM nos eixos d e q Correntes do GIAE em coordenadas abc Correntes do GIAE em coordenadas dq Correntes de carga em coordenadas abc Componentes contínuos das correntes de carga nos eixos d e q Componentes alternados das correntes de carga nos eixos d e q Ganhos referentes ao termo integral das superfícies de deslizamento Indutância de filtro do DSTATCOM Ganhos referentes ao controlador por modos deslizantes Resistência de carga Resistência de carga equivalente Resistência associada ao filtro do DSTATCOM Período de Amostragem Tensões de fase DSTATCOM em coordenadas abc Tensões do DSTATCOM em coordenadas dq Tensões de fase do GIAE em coordenadas abc Tensões de linha do GIAE em coordenadas abc Tensão no barramento CC do DSTATCOM Tensões do GIAE em coordenadas dq Referência de tensão do GIAE no eixo d Frequência de corte do filtro passa baixa Frequência angular das tensões do sistema Ângulo de sincronismo.

(18)

(19) SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO. .................................................................... 19. 1.1 Motivação e Apresentação do Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 1.2 Revisão Bibliográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. 1.2.1 Regulação de Tensão para GIAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. 1.2.2 Regulação de Frequência para GIAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 1.2.3 Considerações acerca do controle do DSTATCOM em aplicações com GIAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. 1.2.4 Técnica de controle por modos deslizantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. 1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 1.3.1 Objetivos Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 1.3.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 1.3.3 Organização da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 2 DESCRIÇÃO E MODELAGEM DO SISTEMA. ................. 35. 2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 2.2 Descrição do sistema proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 2.3 Modelagem matemática do lado CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 2.4 Validação do modelo CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 2.5 Função de transferência do modelo CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 2.6 Modelagem matemática do barramento CC do DSTACOM . . . . . . . . .. 47. 2.7 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. 3 SISTEMA DE CONTROLE. ................................................ 51. 3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 3.2 Sistema de controle proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 3.3 Projeto de compensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56. 3.3.1 Malha de tensão CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56. 3.3.2 Malha de tensão CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58. 3.4 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60. 4 CONTROLE DE CORRENTE POR MODOS DESLIZANTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61. 4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61. 4.1.1 Princípios básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61. 4.1.2 Controle em tempo contínuo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63. 4.1.3 Controle em tempo discreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65. 4.2 Controlador proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67. 4.2.1 Projeto do controlador de corrente por modos deslizantes . . . . . . . . . . .. 67.

(20) SUMÁRIO 4.2.2 Análise das correntes do DSTATCOM com o controlador por modos deslizantes projetado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71. 4.3 Análise de simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72. 4.4 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. 5 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO E EXPERIMENTAIS. .. 75. 5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 5.2 Resultados de Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 5.2.1 Análise de conexão de carga não linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76. 5.2.2 Análise de conexão de carga desbalanceada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78. 5.2.3 Análise de conexão de cargas não lineares e desbalanceadas . . . . . . . .. 80. 5.3 Resultados experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82. 5.3.1 Análise das respostas das malhas de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83. 5.3.2 Análise de conexão de carga não linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85. 5.3.3 Análise de conexão de carga desbalanceada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. 5.3.4 Análise de conexão de cargas não lineares e desbalanceadas . . . . . . . .. 90. 5.4 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93. 6 CONCLUSÃO. ...................................................................... 95. 6.1 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95. 6.2 Sugestões para trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96. 6.3 Publicações relacionadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97. REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 APÊNDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.

(21) 1 INTRODUÇÃO. 1.1 MOTIVAÇÃO E APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA. A energia elétrica é parte essencial do estilo de vida e do sistema econômico moderno, com estes dependendo de sua entrega de forma confiável e acessível. Isto se deve ao fato de a eletricidade ser a forma de energia mais versátil e fácil de ser controlada, transmitida e consumida. Não há modo de se beneficiar de todos os avanços tecnológicos no que se diz respeito à utilidades domésticas, saúde, comunicação, entretenimento, entre outros, sem a presença dela. De fato, em países desenvolvidos o acesso à eletricidade da população é praticamente total, restando apenas alguns locais isolados onde a energia é produzida localmente, em sua maioria através de técnicas tradicionais como geração a diesel. Apesar disso, tratando-se de uma escala global, pode-se dizer que o acesso universal à energia elétrica ainda é uma questão a ser considerada. De acordo com International Energy Agency [IEA] (2016), apesar de 84% da população mundial possuir acesso à eletricidade, aproximadamente 1,2 bilhão de pessoas ainda vivem sem ela. África e países asiáticos em desenvolvimento são responsáveis pela maior parte desses números. Esforços governamentais para enfrentar essa questão vem estão sendo feitos. Apesar disso, em um cenário onde os compromissos e planos gerais de política anunciados pelos países se mantenham, a projeção realizada por IEA (2016) indica que mais de meio bilhão de pessoas ainda estarão sem acesso a eletricidade em 2040. O problema do acesso à energia se concentra principalmente em países e regiões com grandes áreas dispersamente povoadas, longe da infraestrutura existente de rede elétrica. Isso torna os custos da construção de infraestrutura para transmissão de energia a esses locais muito altos, sendo necessárias alternativas mais eficientes para a sua eletrificação. A consequência disso é que as tecnologias de geração isolada através de microrredes são partes significativas da solução do problema do acesso universal à energia elétrica. De fato, segundo IEA (2016), em um cenário hipotético onde o acesso universal à energia é atingido até 2040, cerca de 60% da capacidade adicionada relativa à ampliação ao acesso à energia será composta por sistemas isolados em microrredes. Atualmente, a técnica mais utilizada para geração isolada é a utilização de geradores a diesel. Porém, à medida que o custo da tecnologia vai diminuindo, as alternativas renováveis vão ficando mais atrativas, de modo que nesta projeção aproximadamente 71% da energia gerada nessas microrredes isoladas será proveniente de fontes renováveis, conforme demonstra a Figura 1.1. Apesar disso, para este cenário se tornar realidade são necessários investimentos de aproximadamente 1,1 trilhão de dólares até 2040, o que é 50% a mais do que o investimento.

(22) 1 INTRODUÇÃO. 20. Figura 1.1 – Geração de energia elétrica através de microrredes em áreas remotas. Fonte: (IEA, 2016).. esperado atualmente (IEA, 2016). Deste modo, observa-se que esta estimativa está longe de ser atingida, e o mais provável é que o cenário de políticas correntes se mantenha, com mais de meio bilhão de pessoas ainda sem acesso à energia elétrica em 2040, conforme já mencionado. De toda maneira, estes estudos indicam que a solução para o acesso universal à energia elétrica passa obrigatoriamente pela utilização de fontes renováveis em sistemas isolados. Neste cenário, as microrredes são classificadas em dois tipos, a off-grid e a minigrid. A primeira corresponde a uma rede em menor escala, tipicamente alimentando famílias únicas, já a segunda corresponde à uma rede de um tamanho maior, onde geralmente mais de um tipo de geração são combinados para se obter uma maior capacidade (IEA, 2017). Em ambas as classificações, a fonte solar fotovoltaica predomina. Apesar disso, observa-se também a presença da geração através de aproveitamentos hidroelétricos. Nas aplicações off-grid e mini-grid esses aproveitamentos se inserem nos termos pico-hidro e micro-hidro, que permitem geração de até 5 kW (pico-hidro) e 100 kW (micro-hidro) através da instalação de turbinas e geradores no curso natural do rio, sem construção de barragens (IREA, 2012). Esses sistemas possuem como característica o baixo custo de instalação e alta confiabilidade, porém sofrem com a questão da sazonalidade da vazão dos rios. Também destaca-se a presença da biomassa como fonte de geração de energia, podendo ser feita através da queima direta de resíduos orgânicos ou através da queima do gás proveniente de biodigestores. Excetuando-se a tecnologia solar-fotovoltaica, onde a energia é gerada através de conversores estáticos, todas as outras formas de energia citadas necessitam de uma máquina elétrica rotativa para a geração da energia elétrica. Para aplicações em grande escala de geração hídrica, biomassa ou diesel é tradicional a utilização da máquina sín-.

(23) 1 INTRODUÇÃO. 21. crona. Características que recomendam a sua utilização são a excelente regulação de tensão e frequência (SIMOES; FARRET, 2014). Apesar disso, para gerações de menor potencial, fatores como custo, manutenção e necessidade de regulação de velocidade constante podem ser um empecilho à sua escolha. Dessa maneira, em sistemas isolados de geração de energia através de fontes não convencionais como micro-hidro e biomassa, os geradores de indução auto-excitados (GIAE) apresentam-se como uma opção tecnicamente viável (KASAL; SINGH, 2008). Um GIAE é normalmente uma máquina de indução de gaiola de esquilo excitada através de um banco de capacitores externos (CHAUHAN; JAIN; SINGH, 2010). São características que favorecem a sua utilização nessas aplicações a robustez e simplicidade de construção do rotor (sem escovas), a autoproteção e baixos níveis de corrente de curto circuito, baixa necessidade de manutenção, densidade de energia (W/Kg) maior do que qualquer tipo de máquina elétrica e a capacidade de gerar energia mesmo sendo acionada em velocidades variáveis (MARRA; POMILIO, 1998). Apesar dessas vantagens, a utilização de GIAEs apresenta desafios, principalmente pela sua má regulação de tensão e frequência. Ao contrário de um gerador de indução (GI) conectado à rede, onde tensão e frequência são fixas, um GIAE determina a sua própria tensão terminal e frequência, que dependem da capacitância de excitação, parâmetros da máquina, natureza da carga e velocidade da máquina primária (CHILIPI et al., 2014). Devido à inerente necessidade de energia reativa do GI para a sua excitação (SIMOES; FARRET, 2014), a tensão do GIAE depende do balanço de potência reativa no sistema isolado. À medida que cargas são adicionadas, a tensão terminal do GIAE diminui devido à diferença entre a potência reativa fornecida pelos capacitores de excitação e a potência reativa demandada pelas cargas e o próprio gerador. Já a questão da regulação de frequência depende do tipo de máquina primária sendo utilizada. Caso o GIAE esteja sendo acionado por uma máquina primária de velocidade constante, como por exemplo motores de combustão interna a biogás ou diesel, a frequência se mantém praticamente constante para todas as condições de carga (CHILIPI et al., 2014), com pequenas variações ocorrendo devido à característica de escorregamento da máquina. Já em casos onde a máquina primária apresenta característica de velocidade variável, como por exemplo pico ou micro geração hidroelétrica sem regulador de velocidade, a frequência depende do balanço entre a potência mecânica disponível e a potência elétrica ativa sendo consumida. Dessa maneira, é necessário um sistema adicional que mantenha a potência elétrica igual à potência mecânica de modo a manter a frequência constante em seu valor nominal. Diante do exposto, fica clara a importância do estudo de sistemas de geração de energia isolados, principalmente no que tange a expansão do acesso à energia elétrica à população. As projeções demonstram que as formas de energia renováveis irão liderar a composição desta expansão. O GIAE se demonstra um componente com alto poten-.

(24) 1 INTRODUÇÃO. 22. cial de aplicabilidade neste processo, com características que habilitam a sua utilização principalmente em potenciais de pico e micro geração hidroelétrica e geração através de biomassa. Apesar disso, apresenta algumas limitações, que exigem esforços adicionais para superá-las, principalmente no que se relaciona com a sua regulação de tensão e também de frequência. Sendo assim, na próxima seção será apresentada uma revisão acerca do estado da arte da regulação de tensão e frequência de sistemas de geração isolados com GIAE.. 1.2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 1.2.1. Regulação de Tensão para GIAE. O fato de máquinas de indução serem capazes de funcionar como geradores isolados caso sejam adequadamente excitadas é amplamente conhecido, com sua descoberta datando à década de 30 (BASSETT; POTTER, 1935). Apesar disso, a sua utilização em tal configuração ficou por muito tempo ignorada, principalmente por não se demonstrar prática devido à má regulação de tensão e frequência em condições de carga variáveis(ARRILLAGA; WATSON, 1978), o que dava preferência à já estabelecida máquina síncrona. Contudo, devido ao crescente interesse de geração de energia através de fontes renováveis e o advento de dispositivos semicondutores controlados, após a crise do petróleo da década de 70 a pesquisa com GIAE ganhou ímpeto, e as várias faces de seus aspectos operacionais e aplicações começaram a ser investigados (CHAUHAN; JAIN; SINGH, 2010). O primeiro estudo para a regulação de tensão de um sistema com GIAE foi apresentado em (ARRILLAGA; WATSON, 1978). Nele, é proposta a utilização de um retificador trifásico controlado em ponte de seis pulsos conectado ao sistema. Através deste, a demanda de potência reativa no sistema pode ser controlada pelo ângulo de disparo dos tiristores, simulando assim o efeito de uma excitação variável e dessa maneira mantendo a tensão constante para as diversas condições de carga. Para este caso é proposta a conexão de cargas diretamente no barramento CC do retificador, ou como alternativa a adição de um inversor a esse barramento, de modo a se obter uma saída com tensão e frequências controladas. Posteriormente diversos outros trabalhos apresentaram soluções ao problema de regulação de tensão do GIAE, sempre utilizando esquemas de controle de potência reativa no sistema, e empregando para isso a utilização unicamente de elementos passivos ou ativos, ou também a combinação de ambos. Em Chauhan, Jain e Singh (2010) é apresentada uma compilação referente à essas técnicas, onde elas são classificadas em dois grupos principais: técnicas de compensação em série e em paralelo..

(25) 1 INTRODUÇÃO. 23. As técnicas de compensação em série possuem a desvantagem de necessitar que seus elementos façam o processamento total da energia sendo gerada, ficando assim restritas a sistemas com fonte primária intermitente ou com velocidade variável não controlada (SCHERER, 2016), como sistemas eólicos de baixa potência. Devido a este tipo de geração não ser objeto de estudo no trabalho, as técnicas série não serão mencionadas. Já as técnicas de compensação em paralelo necessitam que seus elementos processem parcialmente a energia gerada. Isso as torna a solução mais adequada para a utilização em sistemas isolados com fontes primárias como micro ou pico-hidro ou motores a combustão. As técnicas de compensação em paralelo podem ser subdivididas em três grupos: clássicas, baseadas em dispositivos chaveados ou comutáveis e baseadas em conversores. As técnicas clássicas apresentam pontos positivos como simplicidade de operação e inexistência de problemas com harmônicos ou transitórios. Dentre elas pode-se citar o controle de energia reativa no sistema através da utilização de máquina síncrona superexcitada, ou mesmo um reator com núcleo saturado, conforme Figura 1.2 (a). Estas técnicas apresentam como desvantagem o alto custo no caso da primeira(CHAUHAN; JAIN; SINGH, 2010), e o alto custo e peso devido à necessidade de um grande indutor no caso da segunda (SINGH; SHILPAKAR, 1998). Já as baseadas em dispositivos comutáveis ou chaveados tem a característica de controlar a potência reativa através do controle dos valores dos elementos reativos do sistema. Destaca-se a técnica de controle através de capacitores comutáveis, conforme Figura 1.2 (b). Neste sistema há uma capacitância mínima de excitação e bancos de capacitores individuais (definidos como bancos discretos, como por exemplo, C, 2C e 3C). Através da medição da corrente de carga é determinado o chaveamento dos bancos de capacitores individuais, alterando-se assim a capacitância total do sistema e consequentemente regulando-se a tensão. Apesar disso, esta regulação se dá em degraus específicos, não permitindo um ajuste fino do valor da tensão, tendo dessa maneira aplicação limitada (SINGH; SHILPAKAR, 1998). Ainda dentro desta categoria destaca-se a utilização de dispositivos semicondutores para variar o valor das reatâncias ou capacitâncias do sistema. Uma destas técnicas é a de capacitores controlados, conforme Figura 1.2 (c). Para isso emprega-se tiristores do tipo GTO, onde através do controle do ângulo de disparo consegue-se controlar a capacitância efetiva e consequentemente regular-se a tensão. Esta mesma lógica também pode ser aplicada no caso da combinação de uma reatância e uma capacitância, conforme Figura 1.2 (d). Neste caso, denomina-se o circuito como compensador estático de reativos. Estas técnicas permitem um ajuste fino da tensão, porém devido à própria característica de chaveamento destes circuitos, estes impõem perdas e correntes harmônicas ao sistema, sendo recomendado o seu uso apenas em aplicações de GIAE com baixa potência (CHAUHAN; JAIN; SINGH, 2010)..

(26) 1 INTRODUÇÃO. 24. Figura 1.2 – Técnicas de compensação em paralelo GIAE. Cargas. 1. Banco de Capacitores. Máquina Primária. Fonte regulada para referência. Cargas. GIAE 2. 3. Máquina Primária Reator de núcleo saturável. Cmin. 2C. C. 4C. Banco de Capacitores. Retiﬁcador. (a). (b). GIAE Máquina Primária. Cargas. GIAE. Cargas Máquina Primária. Csch. Banco de Capacitores Controláveis. (c). Banco de Capacitores Controláveis. (d). Fonte: Adaptado de (CHAUHAN; JAIN; SINGH, 2010).. Apesar destas técnicas mencionadas, observa-se na literatura recente uma maior utilização das técnicas baseadas em conversores chaveados, especificamente através de conversores fonte de tensão sendo controlados de modo a funcionar como compensadores estáticos síncronos, o DSTATCOM (SINGH; SHILPAKAR, 1998), (KUO; WANG, 2001a), (SINGH; MURTHY; GUPTA, 2004), (SINGH; MURTHY; GUPTA, 2006), (KASAL; SINGH, 2008), (BARRADO; GRINO; VALDERRAMA-BLAVI, 2010), (CHILIPI et al., 2014), (TISCHER et al., 2017). O DSTATCOM (do inglês Distribution Static Synchronous Compensator) consiste em um circuito conversor CC para CA, que internamente consegue gerar potência reativa capacitiva ou indutiva sem utilizar capacitores ou indutores no lado CA. Foi inicialmente proposto como alternativa à utilização de condensadores síncronos rotativos e bancos de capacitores ou reatores comutáveis na compensação de reativos em sistemas de potência de transmissão ou distribuição, sendo proposto originalmente para aplicações com gerador de indução por (SINGH; SHILPAKAR, 1998), conforme demonstra Figura 1.3. No sistema proposto, o DSTATCOM consiste em um conversor trifásico de dois níveis e três braços, conectado ao sistema por um filtro indutivo. Através de um sistema de controle, funciona como uma fonte de corrente de avanço ou atraso, sintetizando estas correntes de modo a manter em valor nominal a tensão nos terminais do gerador conforme as variações de carga no sistema. Não há necessidade de fonte externa de energia, somente um capacitor para manter a tensão no barramento CC constante. O consumo de potência.

(27) 1 INTRODUÇÃO. 25. Figura 1.3 – Controle de tensão com DSTATCOM Máquina Primária. Gerador de Indução. MP. GI. DSTATCOM Capacitores de Excitação. Cargas. Fonte: Adaptado de (SINGH; SHILPAKAR, 1998).. ativa é baixo, apenas o necessário para suprir as perdas nas chaves e manter a tensão no barramento CC em um determinado valor pré-estabelecido. O sistema de controle proposto por Singh e Shilpakar (1998) para o DSTATCOM se baseia na geração de sinais de referência senoidais trifásicos e de amplitude unitária, que podem estar em fase ou em quadratura com as tensões da rede, conforme Figura 1.4. Figura 1.4 – Diagrama de controle do DSTATCOM. Vca_ref + -. PI. Ref. corrente quadratura. +. +. Controle por histerese. Vm Referência em quadratura DSTATCOM Referência em fase Tensões da rede. Ref. corrente em fase. PI. + Vcc_ref Vcc. Fonte: Adaptado de (SINGH; SHILPAKAR, 1998).. O controle da tensão no barramento CC é realizado por um compensador PI, e a saída deste é multiplicada pelo sinal de referência em fase, produzindo assim um componente de corrente em fase que deve ser sintetizado pelo DSTATCOM. O controle da tensão no barramento CA também é realizado através de um compensador PI, que é alimentado pelo erro entre amplitude da tensão CA de referência e da amplitude da tensão CA medida. A saída deste compensador é multiplicada pelo sinal de referência em quadratura, produzindo assim um componente de corrente em quadratura a ser sintetizado pelo DSTATCOM. Quando a saída deste compensador tem valor positivo, o sinal em quadratura está em avanço de 90o . Já quando a saída tem valor negativo, o sinal em.

(28) 1 INTRODUÇÃO. 26. quadratura está em atraso de 90o . Dessa maneira, dependendo da necessidade de se aumentar ou diminuir a tensão no barramento CA o DSTATCOM pode funcionar como fonte de corrente reativa capacitiva ou indutiva. Por fim, estes componentes de corrente em fase e em quadratura são somados e aplicados à um controlador de corrente por histerese, que é responsável por produzir os sinais de chaveamento do DSTATCOM. Em Marra e Pomilio (1998) é apresentada uma solução alternativa ao DSTATCOM. É também utilizado um conversor trifásico de dois níveis e três braços, porém neste trabalho ele é apenas denominado como um conversor PWM fonte de tensão. Nele não há controle de corrente, sendo o conversor modulado de maneira a funcionar como uma fonte de tensão ao sistema, mantendo assim a tensão e frequência fixas em seus terminais. A solução apresentada por Marra e Pomilio (1998) é de simples implementação, porém permite apenas o controle de tensão do gerador. Já a utilização do conversor operando como DSTATCOM com controle de corrente apresenta maiores possibilidades em sua utilização, principalmente no que se refere à compensação de correntes de carga desbalanceadas ou com presença de harmônicos. Isto ocorre pelo fato de as correntes processadas pelo DSTATCOM poderem ser controladas em fase, amplitude e forma, independentemente em cada fase, permitindo assim a compensação de reativos, desequilíbrios e harmônicos de corrente provenientes das cargas (SCHERER, 2016). Além disso, os avanços nas chaves de potência, nos circuitos conversores, nos processadores digitais e em algoritmos de controle facilitaram com que pesquisadores utilizassem o DSTATCOM para melhorar o desempenho de GIAEs na alimentação de diversas cargas lineares e não lineares (CHAUHAN; JAIN; SINGH, 2010). Todos estes fatos justificam a escolha do DSTATCOM como a técnica mais estudada atualmente para a regulação em sistemas que empregam GIAE. Estas capacidades adicionais de compensação podem ser observadas em Kasal e Singh (2008). Neste estudo é apresentada uma variação da topologia original, sendo estudada a aplicação do DSTATCOM para a regulação de um sistema com GIAE em 4 fios (trifásico + neutro). Para isso é utilizado um conversor trifásico de dois níveis com quatro braços, com o braço adicional servindo para a compensação das correntes de neutro. O sistema é aplicado em condições de cargas trifásicas e monofásicas, balanceadas e desbalanceadas, além de cargas harmônicas. É observado que o DSTATCOM consegue compensar os desbalanços e harmônicos e manter a qualidade de energia do sistema de maneira satisfatória para todas as condições de cargas mencionadas. Em Singh, Murthy e Gupta (2006) é realizado um estudo semelhante, porém considerando uma topologia de 3 fios. Igualmente, o DSTATCOM se demonstra adequado para a regulação e compensação de cargas harmônicas no sistema. Em Tischer (2013) e Scherer (2016) o controle de tensão utilizando DSTATCOM é expandido através da introdução do método híbrido, para sistemas a 3 fios e a 4 fios, respectivamente. Nesta técnica, o DSTATCOM funciona paralelamente a um grupo de.

(29) 1 INTRODUÇÃO. 27. capacitores comutáveis. Os capacitores são acionados através de um algoritmo e ficam responsáveis pela maior parte da compensação de energia reativa do sistema, enquanto o DSTATCOM compensa apenas uma pequena parte de modo a realizar o ajuste fino da tensão. Desta maneira é possível reduzir o custo total do sistema através da redução da potência nominal necessária para o DSTATCOM, além de liberar capacidade para que este realize outras funções como compensação de correntes de carga desbalanceadas ou harmônicas.. 1.2.2. Regulação de Frequência para GIAE. As técnicas mencionadas com DSTATCOM permitem um adequado controle de tensão caso a máquina primária conectada ao GI tenha característica de velocidade constante. Porém, conforme já mencionado, caso esta tenha velocidade variável é necessário um sistema adicional para adequar o balanço entre a potência ativa sendo gerada e a potência ativa sendo consumida. Normalmente um dispositivo denominado controlador eletrônico de carga (CEC) é utilizado para este propósito (SINGH; MURTHY; GUPTA, 2005). Um método viável é a utilização de um circuito do tipo chopper, com uma chave eletrônica e uma resistência. Através da variação do ciclo de trabalho da chave controla-se a potência na resistência, e consequentemente a frequência do sistema. Este circuito pode estar acoplado ao barramento CC do DSTATCOM, conforme apresentado em Marra e Pomilio (1999), ou no barramento CA através de um retificador não controlado, conforme apresentado em Kasal e Singh (2008). A primeira técnica, demonstrada na Figura 1.5 (a), possui a desvantagem de requerer que o DSTATCOM tenha capacidade de processar 100% da potência gerada, já a segunda, demonstrada na Figura 1.5 (b), não apresenta esta característica, porém produz correntes harmônicas no sistema devido à própria característica do circuito retificador. Estas alternativas apresentam-se como as mais simples e de menor custo. Apesar disso, existem soluções mais complexas que realizam um aproveitamento da energia excedente. Em Barrado, Grino e Valderrama-Blavi (2010) é proposta a utilização de um sistema de baterias, que são conectadas ao barramento CC do DSTATCOM através de um conversor bidirecional auto oscilante. As baterias são carregadas ou descarregadas conforme as condições de geração e carga do sistema. Já em Chilipi et al. (2014) a energia excedente é utilizada para fins de bombeamento, utilizando-se para isso um motor de indução conectado ao sistema através de um inversor de frequência. A velocidade do motor é definida por um controlador do tipo PI que é alimentado pelo erro entre a frequência nominal e a frequência do sistema. Variando-se a velocidade, varia-se a potência ativa consumida pelo motor, e consequente-.

(30) 1 INTRODUÇÃO. 28. Figura 1.5 – Controlador Eletrônico de Carga: (a) CEC acoplado ao DSTATCOM; (b) CEC acoplado a um retificador trifásico não controlado. (a). (b). Fonte: O autor.. mente controla-se a frequência do sistema. Estas técnicas mencionadas apresentam um custo inicial maior, porém podem ser uma solução para sistemas de maior potência onde seja economicamente viável o aproveitamento da energia excedente.. 1.2.3. Considerações acerca do controle do DSTATCOM em aplicações com GIAE. A utilização de um conversor CC-CA PWM funcionando como DSTATCOM é atualmente o estado da arte na regulação de tensão de sistemas com GIAE. Para o seu controle, geralmente utiliza-se sistemas multi-malhas, com malhas externas compostas por controladores específicos e individuais para as tensões no gerador e tensões no barramento CC do conversor. Estes então produzem as referências de corrente para as malhas internas, que são responsáveis por controlar as correntes sendo injetadas no sistema. Desse modo, é importante que a escolha e o projeto dos mesmos sejam realizados adequadamente para que os melhores resultados frente as condições do sistema sejam obtidos. Tem-se que para a malha externa de tensão CA do GIAE é usual a utilização de controladores clássicos do tipo PI, tanto considerando-se um sistema de referências estacionárias (controlando-se o valor de pico ou RMS)(KASAL; SINGH, 2008), ou um sistema de referências síncronas (controlando-se o valor transformado para a tensão no eixo d)(SCHERER; TISCHER; CAMARGO, 2015). Apesar disso, alguns trabalhos estudaram controladores alternativos para a malha de tensão do gerador. Em Scherer (2016) é estudada a utilização de um controlador adaptativo por modelo de referência de modo.

(31) 1 INTRODUÇÃO. 29. a garantir a estabilidade e o comportamento dinâmico frente às variações de carga no sistema. Já em Silva (2015) é proposta a utilização de um controlador por modos deslizantes de segunda ordem para o controle da malha de tensão CA. No que tange o controle do barramento CC do DSTATCOM, também é usual a utilização de controladores clássicos do tipo PI. Como alternativa, em Sekhar, Kant e Singh (2016) é proposta a utilização de um controlador por modos deslizantes de modo a obter um melhor desempenho transitório no controle deste, reduzindo-se assim o valor da capacitância necessária. Conforme já mencionado, o DSTATCOM é um conversor fonte de tensão com controle de corrente. Requerimentos básicos que o controle de corrente deve apresentar são o bom rastreamento da referência, rápido comportamento dinâmico, frequência de chaveamento constante ou limitada de modo a garantir o seguro funcionamento dos dispositivos semicondutores de potência, baixo conteúdo harmônico e bom aproveitamento do barramento CC (KAZMIERKOWSKI; MALESANI, 1998). Dessa maneira, em relação às malhas de corrente internas, para aplicações de GIAE é observado que o controle de corrente por histerese é o método mais utilizado (SINGH; SHILPAKAR, 1998),(SINGH; MURTHY; GUPTA, 2006),(KASAL; SINGH, 2008). Nesta técnica, os sinais de chaveamento do conversor são produzidos diretamente quando a corrente ultrapassa determinada banda de tolerância. Possui vantagens como robustez, bom rastreamento da referência e boa capacidade dinâmica, que é limitada apenas pela frequência de chaveamento e pela constante de tempo dos elementos do sistema. Apesar disso, apresenta como desvantagens frequência de chaveamento variável (dependente dos parâmetros de carga e da tensão do sistema), baixa qualidade e elevadas ondulações de corrente, além de uma dificuldade maior para o projeto de filtros (KAZMIERKOWSKI; MALESANI, 1998), (HORNIK; ZHONG, 2011). Além disso, é característica em um controlador por histerese que o erro fique dentro da banda de tolerância definida, porém caso o sistema não possua condutor de neutro este erro instantâneo pode atingir o dobro desta (KAZMIERKOWSKI; MALESANI, 1998). Para serem superadas estas desvantagens é necessário aumentar a complexidade, como por exemplo, através da utilização de uma banda de histerese adaptativa (KAZMIERKOWSKI; MALESANI, 1998). Entretanto, observa-se que nos trabalhos mencionados é aplicado o controlador por histerese tradicional. Como nos trabalhos estudados é proposta a implementação do controle do DSTATCOM por meio digital, pode-se aproveitar as possibilidades que este meio apresenta utilizando-se outras técnicas conhecidas pela literatura. Nesse sentido, uma alternativa é a utilização de controladores que funcionam junto com moduladores convencionais para conversores PWM fonte de tensão (PWM senoidal, space vector, modulação geométrica). Estes moduladores apresentam vantagens em sua utilização como frequência de chaveamento fixa, espectro harmônico bem definido, padrão de chaveamento e aproveitamento ótimo do barramento CC (KAZMIERKOWSKI;.

(32) 1 INTRODUÇÃO. 30. MALESANI, 1998). Nesse contexto, o esquema de controle PI no sistema de coordenadas síncronas rotativas é comumente utilizado e funciona adequadamente em sistemas balanceados, porém pode apresentar desempenho insatisfatório em algumas aplicações em sistemas com tensões ou correntes perturbadas com harmônicos ou desequilíbrios, que são comuns em microrredes (HORNIK; ZHONG, 2011). Um exemplo de utilização do controlador PI para aplicações com DSTATCOM e GIAE é dado em Scherer, Tambara e Camargo (2016), onde ele é utilizado em conjunto com o controle adaptativo de tensão. Deve-se destacar que em uma microrrede ou em um sistema isolado de pequena escala as cargas não lineares e desbalanceadas podem representar uma boa porção do total. O aumento da carga reativa, a geração de harmônicos, a deterioração do fator de potência, o aumento de perdas e a interferência eletromagnética são alguns efeitos adversos das cargas não-lineares (CHAUHAN; JAIN; SINGH, 2010). Especificamente em relação a geradores de indução, esses harmônicos nas tensões ou correntes aumentam as perdas de energia, criam aquecimento desigual, causam pulsação de torque no eixo do gerador além de produzirem o efeito de derating (operação abaixo da potência nominal) da máquina (KASAL; SINGH, 2008). Dessa maneira, de modo a alcançar os requerimentos de qualidade de energia, os conversores em micro-redes devem possuir boa capacidade de rejeição de harmônicos, com o seu desempenho neste quesito dependendo principalmente da qualidade da estratégia de controle de corrente (HORNIK; ZHONG, 2011). A conexão de cargas monofásicas ao gerador de indução causa o problema do desbalanço das correntes de carga, que consequentemente produzem desbalanço nas correntes e tensões do GIAE. A grande presença de cargas monofásicas em uma única fase do gerador causa o sobreaquecimento dos enrolamentos o que resulta na sub-utilização da capacidade nominal do gerador (SEKHAR; KANT; SINGH, 2016). Salienta-se que a utilização de geradores de indução monofásicos não se demonstra viável pela baixa eficiência e grande tamanho quando comparado a um equivalente trifásico de mesma potência (SEKHAR; KANT; SINGH, 2016). Dessa maneira, buscando compensação de harmônicos e melhora geral da qualidade de energia, controladores proporcionais-ressonantes (PR) foram propostos para o controle de corrente do DSTATCOM em aplicações com GIAE, em sistemas a 3 fios (TISCHER et al., 2015), e sistemas a 4 fios (SCHERER; TISCHER; CAMARGO, 2015). Os resultados demonstram que os controladores conseguem compensar adequadamente as harmônicas presentes nas correntes de carga. Entretanto, é conhecido que a frequência ressonante do controlador PR deve ser igual à frequência da rede de modo a manter um bom desempenho (HORNIK; ZHONG, 2011). Isso pode ser um problema em sistemas isolados onde a frequência não é bem regulada. Além disso, a utilização de controladores clássicos como PI ou PR em um sistema com GIAE enfrenta dificuldades devido à complexidade de modelagem da máquina de indução. Como o modelo do SEIG é não linear e de ordem elevada (a partir da sexta or-.

(33) 1 INTRODUÇÃO. 31. dem para cargas resistivas), o problema do projeto sistemático do controlador é complexo (KISELYCHNYK; BODSON; WANG, 2015). Dessa maneira, muitas vezes controladores como PI tem parâmetros escolhidos heuristicamente e iterativamente através de simulações ou experiências. A junção do modelo dinâmico do GIAE com o do DSTATCOM produziria um modelo de alta ordem e difícil validação. Ainda não se encontrou na literatura um modelo de espaço de estados unificado e linearizado que leva em conta ambos os elementos. Como exemplo, em Kiselychnyk, Bodson e Wang (2015) é apresentado um modelo linearizado do GIAE visando a sua utilização em controladores de tensão. Apesar disso, este não considera a presença do DSTATCOM. Ademais, outra questão que pode ser levada em conta na seleção do controlador de corrente é sua robustez frente às variações paramétricas do sistema ou dinâmicas não modeladas. Um sistema isolado com GIAE pode funcionar desde à vazio até plena potência, com cargas que podem ser do tipo resistiva, indutiva, capacitiva e não linear. Caso o sistema em questão for do tipo híbrido, ainda há a variação das capacitâncias do sistema. Sabe-se que controladores clássicos são suscetíveis a variações paramétricas, com o seu comportamento dinâmico ou até mesmo estabilidade podendo ser alterados conforme a variação dos elementos do sistema.. 1.2.4. Técnica de controle por modos deslizantes. A teoria acerca do controle por modos deslizantes surgiu do estudo de sistemas em malha fechada com ação de controle descontínua, principalmente através de relés em sistemas liga-desliga, os quais eram muito utilizados nos primórdios dos sistemas de controle devido à facilidade e alta eficiência de implementação (UTKIN; GULDNER; SHI, 2009). Foi proposta inicialmente na década de 50, e desde então se desenvolveu em um método de projeto generalizado, sendo aplicado para um amplo espectro de tipos de sistemas, incluindo não lineares, MIMO, discretos, grande escala e dimensões infinitas, além de sistemas estocásticos (HUNG; GAO; HUNG, 1993). A virtude mais importante do controle por modos deslizantes é a sua capacidade de produzir sistemas em malha fechada muito robustos, e em determinados casos até invariantes a perturbações no sistema ou distúrbios externos. Devido a isso, a técnica tem se demonstrado uma ferramenta eficiente para o controle de plantas complexas, não lineares e de alta ordem operando sob condições de incertezas paramétricas, as quais são muito comuns em muitos processos da tecnologia moderna (UTKIN; GULDNER; SHI, 2009). Dentre essas plantas, podem ser citados diversos sistemas práticos de engenharia, como manipuladores robóticos, aeronaves, veículos subaquáticos, veículos e estruturas espaciais, motores elétricos, sistemas de potência, motores automotivos, entre outros (CHOI, 2007)..

(34) 1 INTRODUÇÃO. 32. Especificamente em aplicações de eletrônica de potência, observa-se um grande uso da técnica para o controle de conversores de energia. Aplicações para o controle de corrente em fontes de energia ininterruptas, fontes CA e DSTATCOM são alguns exemplos que podem ser citados (GUPTA; GHOSH, 2006). O seu uso nessas aplicações se justifica pelo fato de conseguir gerenciar o comportamento não linear dos conversores trifásicos conectados à rede, além de ser caracterizada como uma estratégia de controle robusta e efetiva (LIU et al., 2017). Em Liu et al. (2017) é apresentada uma solução de controle para conversores trifásicos utilizando observadores baseados em modos deslizantes, aplicando a técnica tanto para o controle de tensão do barramento CC quanto de tensão do barramento CA. Em Hao et al. (2013) a técnica é aplicada em uma configuração de controle de corrente de conversores com filtro LCL com superfícies de chaveamento ressonantes, de modo a minimizar o erro de rastreamento e maximizar a robustez do controle. Tratando-se da aplicação do trabalho em questão, o DSTATCOM, pode-se citar Gupta e Ghosh (2006), onde é apresentada a aplicação do controle por modos deslizantes para o controle de corrente em um DSTATCOM monofásico, considerando-se para isso diferentes esquemas de modulação. É proposta a aplicação da técnica de controle junto a um esquema de modulação bipolar ou monopolar, onde o chaveamento é realizado diretamente pela ação descontínua do controlador por modos deslizantes. É obtido um rastreamento robusto e insensível a variações paramétricas, porém com a desvantagem de possuir frequência de chaveamento variável. Para se obter frequência de chaveamento fixa utiliza-se modulação por portadora, porém com a desvantagem de possuir erro de rastreamento. Em configurações de DSTATCOM aplicado a sistemas de geração isolado com GIAE a técnica também é utilizada, tanto para o controle de corrente quanto para o controle de tensão. Em Silva et al. (2014) é apresentado um sistema de controle para a regulação de tensão em aplicações com GIAE utilizando-se observadores da corrente do DSTATCOM, eliminando-se assim a necessidade de sensores para estas grandezas. Já em Sekhar, Kant e Singh (2016) a técnica é utilizada para o controle do barramento de tensão CC do conversor de modo a melhorar o comportamento dinâmico do mesmo frente as conexões e desconexões de carga que ocorrem no sistema. Como pode ser observado, o controle por modos deslizantes tem grande aplicação nos mais diversos sistemas de engenharia, incluindo conversores de energia, estando a aplicação de DSTATCOM entre eles. Dessa maneira, dados os requisitos e condições de controle necessários, conforme discutido na seção anterior, apresenta-se como uma técnica viável para ser aplicada no controle de corrente de um DSTATCOM aplicado em sistemas com GIAE..

(35) 1 INTRODUÇÃO. 33. 1.3 OBJETIVOS. 1.3.1. Objetivos Gerais. Esse trabalho tem como objetivo propor um sistema de controle para um DSTATCOM aplicado à regulação de tensão e melhoria da qualidade de energia em uma aplicação com GIAE. Em alternativa aos trabalhos apresentados pela literatura, este trabalho apresenta o controle do DSTATCOM em uma aplicação de compensação de correntes harmônicas e desbalanceadas utilizando-se para isso técnicas de controle de corrente empregando modulação com frequência de chaveamento fixa. É proposta uma alternativa com controlador robusto utilizando-se a técnica de controle por modos deslizantes. Esta alternativa é realizada dadas as complexidades observadas para a obtenção de um modelo completo do sistema incluindo a dinâmica do gerador de indução, e das condições de variação paramétricas existentes no sistema. A técnica de modos deslizantes justifica a sua escolha por suas características de simplicidade de implementação, rejeição a distúrbios, robustez e rápida resposta transitória.. 1.3.2. Objetivos Específicos. • Obter um modelo matemático adequado para ser utilizado para os controladores de tensão e corrente a serem propostos. • Apresentar um esquema de controle para o DSTATCOM que permita realizar a regulação de tensão do GIAE e compensar as correntes harmônicas e desbalanceadas presentes na carga. • Realizar o projeto dos controladores clássicos utilizados no esquema de controle. • Realizar o projeto do controlador de corrente por modos deslizantes. • Obter resultados da implementação do sistema de controle através de simulação computacional e experimentais através da utilização de um protótipo.. 1.3.3. Organização da Dissertação. Esta dissertação é composta por seis capítulos. O capítulo 1 apresenta revisão da bibliografia bem como a motivação e objetivos da realização desta dissertação..

(36) 1 INTRODUÇÃO. 34. O capítulo 2 corresponde à modelagem matemática do sistema em questão, obtendose as equações a serem utilizadas nos projetos dos controladores. O capítulo 3 demonstra o sistema de controle proposto, bem como o projeto dos controladores deste. O capítulo 4 apresenta o projeto do controlador de corrente por modos deslizantes, além de discorrer acerca dos aspectos teóricos deste. O capítulo 5 apresenta os resultados obtidos para simulação computacional e também para a implementação prática em protótipo, considerando-se para isso três cenários, um de conexão de cargas não lineares, um de conexão de cargas desbalanceadas, e um formado por uma combinação de ambos. O capítulo 6 por fim apresenta as conclusões obtidas a partir da realização da dissertação..