CHAVE DE TRANSFERÊNCIA ESTÁTICA PARA REMANEJAMENTO
DE CARGAS EM SISTEMAS DE GERAÇÃO HÍBRIDA
SOLAR/EÓLICO/DIESEL
Shigeaki Leite de Lima, José Gomes de Matos, Osvaldo R. Saavedra, Nelson José Camelo
Universidade Federal do Maranhão – UFMA, Av. dos Portugueses, S/N, Campus do Bacanga, São Luís, MA, CEP 65040-080, Brasil. Tel: 98 3217 8295
shigeaki@dee.ufma.br, gomes@dee.ufma.br, osvaldo@dee.ufma.br , ncamelo@dee.ufma.br
Resumo: A proposta de desenvolvimento de uma Chave de Transferência Estática – CTE foi
concebida pelo Núcleo de Energias Alternativas do Departamento Engenharia de Eletricidade da Universidade Federal do Maranhão, visando a transferência de carga, de forma rápida e segura, entre duas fontes de potência. Em particular, a CTE proposta encontra aplicação em sistemas híbridos de geração elétrica do tipo Solar-Eólico, com um Grupo Motor-Gerador Diesel – GMG como fonte de backup. A CTE, nesse caso, tem por finalidade fazer a transferência da carga do inversor de tensão (fontes renováveis) para o GMG e vice-versa, devendo isso ocorrer de forma rápida o suficiente para que o intervalo de interrupção do fornecimento de energia aos usuários seja minimizado. Neste trabalho é descrito o desenvolvimento da CTE, os testes de campo, realizados a partir de um protótipo, e os resultados esperados na aplicação deste dispositivo em sistemas híbridos de geração com fontes renováveis, que utilizam um GMG. A CTE também pode ser utilizada para outras aplicações, onde, por exemplo, a fonte primária é a convencional (rede da Concessionária local) e a fonte de backup é o GMG.
STATIC TRANSFER SWITCH FOR LOAD RELOCATION IN
SOLAR/WIND/DIESEL HYBRID GENERATION SYSTEMS
Abstract: The proposal for developing a Static Transfer Switch - STS was idealized by the Renewal
Energy Sources Group of the Department of Electrical Engineering of the Federal University of Maranhão, seeking a fast and reliable load transfer between two power supplies. Particularly, the proposed STS is applicable to hybrid electric generation systems such as Solar-Wind-Diesel Generation System, where the Diesel Generator Set (DGS) is essentially a backup source. In this case, the purpose of the STS is to carry out the load transference from the voltage inverter (renewable sources) to the DGS and vice versa, in such way as to quickly minimize the interruption time of the energy supply to users. This work describes the development of a STS and the results obtained from practical testing carried out using a prototype applied to a hybrid generation system. The STS can also be used in other applications where, for example, the primary source may be the conventional distribution network using DGS as backup source.
Keywords: static transfer switch, hybrid systems, distributed generation
1. Introdução
O Núcleo de Energias Alternativas do Departamento Engenharia de Eletricidade da Universidade Federal do Maranhão está em processo de instalação de um projeto que contempla, entre outros aspectos, a instalação de um sistema híbrido de geração elétrica, a partir de recursos energéticos limpos e renováveis (solar e eólico), para abastecer eletricamente os habitantes da Ilha dos Lençóis, localizada no Município de Cururupu, estado do Maranhão.
A Chave de Transferência Estática – CTE tem por finalidade fazer a transferência da carga do inversor de tensão (normalmente utilizado em sistemas de geração renovável com armazenamento em bateria) para o Grupo Motor-Gerador - GMG e vice-versa, devendo isso ocorrer de forma rápida o suficiente para que o intervalo de interrupção do fornecimento de energia aos usuários seja minimizado, quando houver a necessidade de transferência das cargas entre as fontes. A forma encontrada para realizar este feito é a utilização de uma CTE situada entre a saída do inversor de tensão (responsável pela conversão da corrente
contínua para corrente alternada) e a saída do GMG. Associado á CTE, existe um sistema de controle de carga e descarga do banco de baterias e de gerenciamento do funcionamento do GMG.Esse sistema permite controlar se o gerador atuará como fornecedor de energia ao Banco de Baterias ou somente como provedor da demanda de energia dos consumidores.
A CTE é um circuito eletrônico, baseado em circuitos de eletrônica de potência e circuitos de eletrônica linear, que monitoram as entradas de energia, provenientes do inversor e do GMG, assumindo uma das duas fontes como prioritária e colocando à outra como backup.
Neste trabalho é abordado o processo tecnológico de desenvolvimento da CTE, os testes de campo realizados a partir de um modelo real e os resultados esperados na aplicação deste dispositivo em sistemas híbridos que utilizam um GMG.A CTE também pode ser utilizada para outras aplicações, onde há necessidade de transferência de carga entre duas fontes, como por exemplo, entre uma rede da Concessionária local e um GMG de backup.
2. Sistema de Geração Híbrida
O termo sistemas híbridos vem da expressão em inglês “Hybrid Systems” e tem sido utilizado para designar muitas coisas distintas. É natural se chamar de “híbrido” qualquer tipo de sistema que integre dois ou mais conceitos até então separados. Entretanto a visão que tem se tornado padrão é a de que um sistema híbrido é um sistema dinâmico que integra componentes de natureza discreta e contínua (GOA,1999) e isto se aplica também a sistemas de geração híbrida a partir de fontes renováveis de energia.
Os sistemas híbridos de energia (Hybrid Power Systems) são sistemas autônomos de geração elétrica que combinam fontes de energia renováveis e geradores convencionais. O objetivo é produzir o máximo de energia possível das fontes renováveis (sol e vento), enquanto mantidas a qualidade da energia e a confiabilidade especificadas para cada sistema.
Os componentes usados em sistemas híbridos de energia são padronizados e comercializados, tanto para a operação interligada à rede elétrica como para o funcionamento isolado. Embora a vida útil e a confiabilidade destes equipamentos, isoladamente, sejam adequadas para a sua utilização em sistemas elétricos, o funcionamento de sistemas híbridos de energia (Figura 1) modifica este quadro por causa da interação
entre os vários componentes e devido às características de sistemas isolados, isto é, redes fracas e demandas com grandes variações (CBEE, 1999).
Figura 1: Diagrama de blocos de um sistema de geração do tipo híbrido
Dentre os sistemas de geração híbrida, os eólico/diesel são os mais utilizados, porém, isso não impossibilita que sejam feitas outras configurações como solar/diesel ou solar/eólico/ diesel. A utilização de um sub sistema a diesel garante uma melhor disponibilidade do sistema híbrido, uma vez que atende o fornecimento de energia nas piores situações (Patel, 1999), como baixo índice de radiação solar, velocidade de vento e picos de demanda, durante o funcio-namento.
Uma característica que poderia classificar um sistema híbrido como eficiente seria a capa-cidade do mesmo fornecer energia ininterrup-tamente sem necessidade do usuário identificar qual fonte está em operação. Na literatura existem três topologias clássicas (Markvart, 2000) para classificar como pode ser conectado um sistema de geração híbrida:
● sistemas híbridos em série; ● sistemas híbridos chaveados e ● sistemas híbridos paralelos.
Na configuração em série a tensão gerada pelo GMG é primeiro retificada para depois ser convertida em CA, o que implica em aumento significante nas perdas de conversão. Neste tipo de sistema, no período de baixa demanda, o gerador é desligado passando a carga para uma fonte renovável em conjunto com um banco de baterias, sendo que a energia entregue a carga é convertida de CC para CA através de um inversor eletrônico ou de um gerador eletromecânico (motor CC acoplado a um gerador CA).
Uma das vantagens deste sistema é que o GMG pode ser dimensionado de forma otimizada, podendo fornecer energia à carga e ao mesmo tempo auxiliar no carregamento do
banco de baterias. a Outra vantagem é que não existe a necessidade de transferência de carga entre as fontes o que facilita as interfaces de saída CA e, caso seja utilizado um inversor, a forma de onda pode ser adequada à necessidade da carga.
Uma das desvantagens da configuração em série é que o inversor não pode operar em paralelo com o GMG, devendo ser dimensionado para o pico de demanda. Outra desvantagem e a vida útil do banco de baterias é bastante reduzida, devido à alta freqüência de ciclagens, o que implica na necessidade de um banco bastante grande para poder limitar as profundidades de descargas. Desta forma a disponibilidade global é baixa, pois o GMG não pode fornecer energia diretamente à carga e, em caso de falha do inversor, todo o sistema é comprometido.
O segundo sistema, do tipo chaveado, apesar das limitações operacionais é o sistema atualmente mais utilizado, pois permite a operação com ambas as fontes (GMG ou Inversor). Embora não possa ser classificado como um sistema paralelo, possibilita que tanto o GMG quanto o inversor possam carregar o banco de baterias. Isto, em relação ao sistema série, possibilita também que a carga seja mantida diretamente pelo GMG. O resultado é um aumento significativo na eficiência global de conversão e na continuidade operacional do sistema.
As principais vantagens deste sistema é que o inversor pode ser adquirido com a forma de onda para aplicação específica e o GMG pode suprir à carga diretamente, o que permite a concepção de estratégias de operação para reduzir o consumo de combustível e aumentar a eficiência do sistema. A principal desvantagem é que existe a necessidade de interrupção momentânea do fornecimento de energia durante a transferência de carga entre as fontes (Figura 2). Uma outra limitação do sistema é que tanto o GMG quanto o inversor devem ser dimensionados para suportar o pico de carga.
O terceiro sistema, denominado paralelo, permite que cada fonte forneça energia à carga individualmente, em situações de pequena e média demanda de potência, com a combinação das fontes em sincronismo com o inversor. O inversor utilizado nesta configuração é do tipo bidirecional, podendo funcionar recarregando o banco de baterias (retificador) ou atuar como conversor CC-CA (inversor).
Figura 2: Diagrama de blocos do sistema híbrido do tipo chaveado
As melhorias neste caso estão relacionadas à maximização da eficiência do GMG e a minimização da manutenção, redução das taxas de carga do GMG, banco de baterias e inversor. Todavia, existe a necessidade essencial do desenvolvimento de um controle automático para viabilizar a operação do sistema, além de que o inversor deva possuir forma de onda senoidal verdadeira, para possibilitar o sincronismo entre inversor e GMG.
No caso do projeto que norteou o desenvolvimento da CTE, o sistema é do tipo “Sistema Híbrido Chaveado”, basicamente constituído por duas tecnologias de geração elétrica: a solar fotovoltaica, com cerca de 10 kWp, e a eólica com duas turbinas eólicas de 10 kW cada. Adicionalmente, será incorporado ao sistema um Grupo Motor-Gerador (GMG) a Diesel (ou Biodiesel) com cerca de 30 kVA, uma medida de segurança com o intuito de eliminar qualquer possibilidade de interrupção no fornecimento de energia para a comunidade local.
No diagrama da Figura 2, tem-se uma fonte renovável (solar fotovoltaico), porém, outras fontes renováveis poderiam ser conectadas ao mesmo barramento CC. Neste barramento, também estão conectados está ligada o banco de baterias, que recebe energia das fontes, e um inversor CC/CA que envia energia às cargas. Do outro lado tem-se o GMG ligado ao barramento CA e que tanto pode carregar as baterias, através do conversor CA/CC, como ser chaveado para a carga.
Relembrando que a configuração para sistemas híbridos chaveados apresenta a vantagem de poder utilizar um inversor com qualquer tipo de forma de onda (dependendo da aplicação em particular) e o GMG poderá suprir a carga diretamente. Uma desvantagem é que esta topologia exige uma interrupção do fornecimento
de energia durante a transferência da carga. A proposta de desenvolvimento da CTE é propiciar a transferência de carga entre as fontes, sem interrupção no fornecimento de energia.
3. Chave de Transferência Estática
A proposta de desenvolvimento da CTE está associada à necessidade de fazer a transferência de carga do inversor de tensão (ligado ao banco de baterias) ao GMG de forma rápida, segura, transparente e sem haver necessidade de interrupção no fornecimento de energia, o que é uma das limitações encontradas em sistemas híbridos chaveados.
O circuito desenvolvido visa realizar a seletividade entre duas fontes de geração elétrica, ou seja, deverá a partir de um valor de referencia baseado nos níveis de tensão do banco de baterias determinar a saída do inversor e transferência para o grupo gerador (GMG) e vice-versa. Vale destacar que a partida do gerador em vazio, a aceleração e a confirmação de estar pronto a assumir todo o sistema está associada a um conjunto de decisões tomadas por um Controlador Lógico Programável (CLP), o que está fora do escopo deste trabalho.
A base deste projeto esta centrada em dispositivos de eletrônica linear e de potência, sendo utilizados sensores para registrar os níveis de tensão CA do inversor e do GMG (após a partida) pontos 1 e 2 da Figura 3. Estas informações são enviadas a um comparador de tesão que gera como saída um sinal lógico para gatilhar as chaves de potência. As chaves de potência são do tipo TRIACS (um para cada fonte de energia), pois são dispositivos semicondutores baratos e disponíveis facilmente no mercado nas faixas de potência e tensão dos sistemas para os quais tem sido pensada a aplicação da CTE.
Figura 3: Digrama de blocos de conexão entre as fontes a CTE e a carga
Uma das preocupações que se deve ter é garantir um perfeito intertravamento eletrônico entre as chaves das duas fontes, de forma que apenas uma conduza de cada vez, pois, do
contrário, poderia haver conexão de duas fontes com as tensões fora de sincronismo, uma vez que as ligações dos terminais de saída das chaves são comuns às duas entradas. Um erro de comutação poderia provocar a atuação dos dispositivos de proteção do sistema.
Para impedir uma situação de risco foi adicionado ao comparador de tensão um laço de histerese, de forma que só existam duas condições lógicas para o chaveamento, que são ON ou OFF, ou uma XOR (or exclusive), já que haverá instantes em que as duas fontes estarão ligadas simultaneamente sendo que a fonte de maior prioridade (Fonte Renovável) é que tomará as decisões.
A histerese garante que o sistema auxiliar assuma a carga no momento em que houver uma queda de tensão de 20 % com relação à tensão nominal do inversor. Quando este valor decresce e vai para zero na saída do comparador, a carga é transferida momentaneamente para o GMG em milisegundos, pois o tempo de transferência é diretamente proporcional a velocidade de gatilhamento dos TRIACS (Mokhtar, 2002) o que torna bem rápida a CTE, suficiente para que não haja demora no fornecimento de energia.
A Figura 4 apresenta o diagrama completo da CTE para sistema monofásico (220 V), onde são alocados todos os dispositivos e as estratégias utilizadas para controle de transferência de cargas entre as fontes, no caso o GMG e o Inversor. A primeira etapa do sistema consiste do módulo de identificação da fonte prioritária. O sistema (CTE) é alimentado pelas duas fontes simultaneamente. O sensor de tensão é um transformador de pequena potência, cujo sinal de tensão é retificado e então é gerada uma tensão CC de referência que deverá ser aplicada ao bloco de controle. No sistema de controle é onde ocorre o laço de histerese que determina quando é feita a transferência de carga entre as fontes.
Se a tensão de comparação que é obtida antes do regulador de tensão, localizado no ramo de controle alimentado pela fonte prioritária, no caso o inversor (INV), cair abaixo do valor de referência (tensão nominal), a saída do comparador vai para nível baixo e tanto o acoplador óptico 1 (foto-transistor) quanto o 2 (foto-triac), que aciona os triacs de potência, são desligados simultaneamente, desconectando a carga da tensão da fonte prioritária. Conseqüentemente, se a fonte não prioritária estiver presente (GMG), o óptico acoplador (foto-triac) 3 habilita o fechamento da chave de potência da fonte não prioritária, conectando-a à
carga. Por outro lado, se o inversor estiver ligado, e o banco de baterias com capacidade de carga para manter a tensão de saída do inverso dentro do limite de referência, ocorre o processo inverso, ou seja, o acoplador óptico 1 (foto-transistor) e o acoplador óptico 2 (foto-triac) estão simultaneamente ligados, garantindo o fechamento dos triacs de potência da fonte prioritária (INV) e bloqueando o fechamento dos triacs de potência da fonte não prioritária (GMG).
Para os testes finais foi montado um protótipo da CTE e realizados algumas simulações em bancada. As simulações foram realizadas com um inversor de tensão, alimentado por um banco de baterias, representando a fonte prioritária. A rede (tomada da bancada) foi usada como fonte não prioritária (substituindo o GMG). A carga foi composta de um arranjo de quatro lâmpadas incandescentes de 250 W (1 kVA).
A principal preocupação estava no tempo de transferência entre as fontes, uma vez que o protótipo não foi desenvolvido para sincronização entre inversor e rede ou GMG, ou seja, paralelismo, o que pode causar leves oscilações durante a transferência direta. O tempo mínimo necessário para se fazer à transferência de uma carga entre duas fontes independentes, mantendo o fornecimento de energia elétrica, é de 4 ms (Sannino, 2001). Este tempo de chaveamento é suficientemente rápido para preservar a operação uniforme das mais sensíveis cargas sem que haja a formação de sags ou swell de voltagens na forma de onda da fonte (Schwartzenberg,1995).
Nos ensaios realizados não foi possível mensurar o tempo de comutação entre as fontes, porém, a olho nu, não foi observada qualquer cintilação na luminosidade das lâmpadas, o que permite concluir que para aplicações com cargas tipicamente residenciais, os resultados preliminares da aplicação da CTE foram satisfatórios, ou seja, não houve interrupção do fornecimento de energia às cargas durante o processo de comutação das fontes de potência.
4. Comentários
Embora este primeiro protótipo atenda apenas sistemas de baixa tensão (220VCA/1 kVA) monofásicos, o desenvolvimento da chave de transferência estática – CTE apresentou bons resultados para a transferência de cargas entre duas fontes, mantendo o tempo mínimo dentro de valores suficientes para evitar a cintilação luminosa das lâmpadas da carga em teste. Além disso, foi o primeiro passo na discussão e formação de massa crítica, de forma que os
próximos trabalhos venham a contemplar a questão de sincronização entre inversor e GMG, para permitir o paralelismo entre fontes independentes.
Figura 4: Diagrama elétrico da CTE
Como a proposta do trabalho é desenvolver uma CTE, a ser usado em uma comunidade isolada, utilizando a configuração de sistemas híbridos chaveados, a contribuição está em reduzir o tempo de interrupção devido à comutação do chaveamento entre as fontes renováveis (lado do Inversor) e fonte de backup (GMG), com a substituição da chave comutadora convencional eletromecânica (contatores), pela Chave Estática de Transferência (CTE).
5. Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológica pelo apoio dado à realização das pesquisas que permitiram a elaboração deste artigo.
6. Referências Bibliográficas
GOA – Group on Applied Optimization. 1999 UNICAMP. Apresenta informação sobre Otimização. Disponível em <http://goa.pos.ic.unicamp.br/hibrido/motivC
Aao/pesquisa.html>
CBEE – Centro Brasileiro de Energia Eólica, 1999. Apresenta informações sobre energia
eólica. Disponível em <http://www.eolica.com.br/sistema.html>
Patel, Mukund R., Wind and solar power systems. CRC Press: 1999.
Markvart, Tomas. Solar Electricity. University of Southampton, UK. 2ed. John Wiley & Sons LTD: 2000.
H Mokhtari, SB Dewan, MR Iravani - IEEE Transactions on Power Delivery, 2002. Analysis of a static transfer switch with respect to transfer time.
Sannino, A. Static transfer switch: analysis of switching conditions and actual transfer time. Power Engineering Society Winter Meeting, 2001. IEEE.
Schwartzenberg, J.W. De Doncker, R.W. 15 kV medium voltage static transfer switch. Industry Applications Conference, 1995. Thirtieth IAS Annual Meeting, IAS '95. Conference Record of the 1995 IEEE
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