Sistema de controle para conversores estáticos de energia aplicados em geração híbrida distribuída

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

RONER ANDRÉ LISTON JÚNIOR

SISTEMA DE CONTROLE PARA CONVERSORES ESTÁTICOS

DE ENERGIA APLICADOS EM GERAÇÃO HÍBRIDA

DISTRIBUÍDA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

PATO BRANCO 2015

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RONER ANDR ´E LISTON J ´UNIOR

SISTEMA DE CONTROLE PARA

CONVERSORES EST ´

ATICOS DE ENERGIA

APLICADOS EM GERAC

¸ ˜

AO H´IBRIDA

DISTRIBU´IDA

Trabalho de Conclus ão de Curso de graduaç ão, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclus ão de Curso 2, do Curso de Engenharia El étrica da Coordenaç ão de Engenharia El étrica - CO-ELT - da Universidade Tecnol ógica Federal do Paran á - UTFPR, Campus Pato Branco, como requisito parcial para obtenç ão do t´ıtulo de Engenheiro.

Orientador: Prof. Emerson Giovani Carati, Dr. Eng.

PATO BRANCO

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TERMO DE APROVAC¸ ˜AO

O Trabalho de Conclus ão de Curso intitulado SISTEMA DE CONTROLE PARA CONVERSORES EST ÁTICOS DE ENERGIA APLICADOS EM GERAÇ ÃO HÍBRIDA DISTRIBUÍDA do acad êmico Roner Andr é Liston J únior foi considerado APROVADO de acordo com a ata da banca examinadora N◦ _{68 de 2015.}

Fizeram parte da banca examinadora os professores:

Prof. Emerson Giovani Carati, Dr. Eng.

Prof. Jean Patric da Costa, Dr. Eng.

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A Deus que é a raz ão de todas as coisas e aos meus pais Roner Andre Liston e Elis ângela da Cruz Liston, que com muito carinho est ão sempre do meu lado para me apoiar em qualquer circunst ância.

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Porque Dele, e por Ele e para Ele s ˜ao todas as coi-sas.

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AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço a Deus que é soberano, por seu amor e capacitaç ão na realizaç ão desse sonho. Por me ajudar com inspiraç ão nos momentos dif´ıceis, dando-me ânimo, sabedoria e renovando as minhas forças sempre que precisava.

Aos meus familiares pelo apoio, amor, carinho e paci ˆencia nos momentos de aus ˆencia. Por acreditarem e me apoiarem nessa conquista.

Ao meu orientador, Prof. Emerson Giovani Carati, por todo apoio, pela disponibilidade do seu tempo e por todo o conhecimento repassado.

Aos professores Carlos Marcelo de Oliveira Stein e Jean Patric pelas suas contribuiç ões como membros da banca e na construç ão do trabalho.

Aos amigos que vieram como um presente nessa caminhada e as amizades que se fortaleceram ainda mais a cada dia. Amizades que acrescentaram alegria, descontraç ão, troca de experi ências e conhecimentos.

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RESUMO

Liston J únior, Roner Andr é. Sistema de controle para conversores est áticos de energia aplicados em geraç ão h´ıbrida distribu´ıda. 2015. 100 f. Monografia (Trabalho de Con-clus ão de Curso de Graduaç ão) - Departamento Acad êmico de El étrica, Universidade Tecnol ógica Federal do Paran á, Pato Branco, PR, 2015.

A geraç ão distribu´ıda é uma tend ência para os sistemas el étricos de pot ência, pois o mesmo traz uma reduç ão das perdas com a transmiss ão como tamb ém amplia as possibilidades de fornecimento de energia el étrica, reforçando e diversificando a ma-triz energ ética. A partir da resoluç ão normativa n úmero 482, de 17 de abril de 2012, foram estabelecidas condiç ões gerais para o acesso de microgeraç ão e minigeraç ão distribu´ıda ao sistema nacional, possibilitando a utilizaç ão de pequenos geradores em unidades consumidoras os quais precisam manter a tens ão, frequ ência e o sincro-nismo de fase em n´ıveis adequados. Este trabalho foca no controle de um conversor est ático de pot ência CC-CA monof ásico o qual est á conectado à rede el étrica e com cargas pr óximas ao ponto de conex ão. Esse conversor est á incluso em sistema que permite a utilizaç ão de fontes h´ıbridas de energia, por meio do compartilhamento do barramento CC, como por exemplo as fontes alternativas solar e e ólica. A topolo-gia adotada nesse trabalho tamb ém possibilita a aplicaç ão em sistemas de geraç ão distribu´ıda como os citados pela normativa. Nesse trabalho s ão feitos v ários estu-dos computacionais em malha aberta, por meio de simulaç ões com o software PSIM, alterando grandezas e par âmetros do circuito el étrico, os quais revelam algumas ca-racter´ısticas do sistema como din âmicas obtidas na conex ão com a rede el étrica e a necessidade de um controlador de fase e amplitude. Outra necessidade que foi re-velada é de um gerador de refer ência, o qual, possibilita utilizar uma refer ência de pot ência ativa e reativa para gerar uma refer ência de corrente sincronizada por meio de um PLL ressonante. Para o controle desse sistema s ão utilizadas malhas de con-trole no referencial αβ retirando a necessidade da transformaç ão para o referencial dq.Para o sincronismo de fase é utilizado um PLL ressonante e para a malha de cor-rente é utilizado um controlador proporcional ressonante sendo que ambos operam no referencial citado. Outro benef´ıcio que vale ser citado da utilizaç ão do controlador proporcional ressonante é a possibilidade de uma compensaç ão harm ônica de forma seletiva com uma malha de controle adicionais para cada harm ônica. Utilizando esse sistema de controle s ão obtidos resultados satisfat órios para uma rede fraca com um r ápido sincronismo de fase e um bom controle de corrente sendo que espera-se resul-tados igualmente satisfat órios quando replicado para uma rede forte.

Palavras-chave: Geraç ão Distribu´ıda, Conversor CC-CA, Conex ão com a rede el étrica, Redes Fracas, Harm ônicas.

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ABSTRACT

Liston J únior, Roner Andr é. Control system for static power converters applied to dis-tributed hybrid generation. 2015. 100 f. Monografia (Trabalho de Conclus ão de Curso de Graduaç ão) - Electrical Engineering Department,Federal Technological University of Paran á, Pato Branco, PR, 2015.

The distributed generation is a tendency for electric power systems, because it brings a reduction in transmission losses as well expands the possibilities of eletric power supply, strengthening and diversifying the energy matrix. By the normative resolu-tion number 482 of April 17, 2012 , were established general condiresolu-tions for distributed micro-generation and minigeneration access to the national system, allowing the use of small generators in consumer units which need to keep the voltage, frequency and phase sync at appropriate levels. This work focuses on the control of a DC-AC mo-nophase static power converter which is connected to the grid and loads next to the connection point. This static converter is included in a system that allows the use of hybrid power sources, through sharing the DC bus, such as solar and wind alternatives sources. The topology adopted in this work also enables the application in distributed generation systems such as those cited by the rule. This paper makes a number of computational studies in open loop, with simulations in the software PSIM, changing quantities and parameters of the electrical circuit, which reveal some system features like dynamics obtained from the power grid connection and the need for a phase and amplitude controller. Another need that has been disclosed is a reference generator, which makes possible to use an active and reactive power reference for generating a current reference synchronized by a PLL resonance . For the control of this system will be used control loops in the αβ frame excluding the need for transformation to the dq frame. For the phase sync is used a resonant PLL and in the current loop will be used a resonant proportional controller both of which operate in the aforementioned references. Another advantage worth to be mentioned with the use of the resonant proportional controller is the possibility of a selectively harmonic compensation with a further control loop for each harmonic. Satisfactory results were obtained using this control system in a weak network resulting in a fast phase sync and a good current con-trol being expected as good results when replicating this system to a strong network.

Keywords: Distributed Generation, DC-AC Converter, Grid Connection, Weak Grids, Harmonic.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Diagrama de um sistema h´ıbrido de energia com controlador e filtro passabaixas interligado a uma carga local e a rede el´etrica. 22

Figura 2: Topologia do conversor est ´atico CC-CA conectado a rede el ´etrica e uma carga local. . . 23

Figura 3: Circuito el ´etrico dos filtros L, LC e LCL. . . 24

Figura 4: Diagrama de Bode dos Filtros L, LC e LCL. . . 25

Figura 5: Lugar das ra´ızes para o filtro LCL variando a sua pot ˆencia nominal. 26

Figura 6: Modos de operação da ponte H onde em vermelho é mostrado a chave em estado de conduç ão. . . 27

Figura 7: PWM em 3 n´ıveis centralizado. . . 28

Figura 8: Circuito utilizado para an ´alise em malha aberta. . . 30

Figura 9: Circuito para variaç ão da tens ão do barramento CC para geraç ão ilhada. . . 31

Figura 10: Variaç ão da tens ão do barramento CC para geraç ão ilhada. . . 32

Figura 11: Circuito utilizado para an ´alise em malha aberta conectado a rede el ´etrica e em fase. . . 33

Figura 12: Conex ˜ao a rede el ´etrica em fase. . . 33

Figura 13: Conex ão a rede el étrica em fase e com correç ão da diferença de fase na refer ência. . . 34

Figura 14: Diagrama fasorial das tens ões para a an álise da conex ão em malha aberta. . . 35

Figura 15: Conex ão a rede el étrica em fase com correç ão de fase na re-fer ência e com Vcc em 225 V. . . 35

Figura 16: Conex ão a rede el étrica em fase e com Vcc em 225 V com correç ão de fase e amplitude na refer ência. . . 36

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Figura 17: Circuito utilizado para an ´alise em malha aberta conectado a rede el ´etrica e defasado em 30o_{. . . .} ₃₇

Figura 18: Conex ˜ao a rede el ´etrica adiantada em 30o_{. . . .} ₃₇

Figura 19: Conex ão a rede el étrica adiantada em 30ocom correç ão de fase na refer ência. . . 38

Figura 20: Conex ão a rede el étrica adiantada em 30o_{com Vcc em 225 V e} correç ão de fase e amplitude da refer ência. . . 38

Figura 21: Conex ão com a rede el étrica adiantada em 30o _{onde no} mo-mento da conex ão a refer ência é comutada para entrar em sin-cronismo com a rede. . . 39

Figura 22: Conex ão com a rede adiantada em 30o _{e refer ência} sincroni-zada antes da conex ão. . . 40

Figura 23: Conex ˜ao no cruzamento entre a forma de onda de tens ˜ao da rede e da carga. . . 40

Figura 24: Desconex ˜ao da rede el ´etrica. . . 41

Figura 25: Circuito completo utilizado para an ´alise. . . 41

Figura 26: Simulaç ão com resist ências em s érie para rede adiantada em 30o_{e refer ência comutada para 35.3}o _{no momento da conex ão.} ₄₂

Figura 27: Simulaç ão com resist ências em s érie e a conex ão/desconex ão do sistema no ramo da corrente do If iltro. . . 43

Figura 28: Circuito utilizado para an ´alise da componente CC. . . 44

Figura 29: Simulaç ão com o indutor da rede el étrica carregado e sem re-sist ências no circuito. . . 45

Figura 30: Simulaç ão com o indutor da rede el étrica carregado e sem re-sist ências no circuito. . . 46

Figura 31: Circuito utilizado para variaç ão dos par âmetros equivalentes da rede el étrica. . . 46

Figura 32: Efeito da variac¸ ˜ao de Lrede para 1,5mH, 2,5mH e 3,5mH para as

formas de onda de tens ˜ao e corrente. . . 47

Figura 33: Efeito da variac¸ ˜ao de Lrede para 1,5mH, 2,5mH e 3,5mH para as

(11)

Figura 34: Circuito utilizado para an álise da variaç ão da carga local. . . 48

Figura 35: Efeito da variac¸ ˜ao da carga local para 1500 W, 2200 W e 2800 W em 127 Vrms. . . 49

Figura 36: Fluxograma demonstrando os controladores utilizados. . . 52

Figura 37: Efeito da transformada de Clarke em um sistema trif ´asico. . . . 54

Figura 38: Transformac¸ ˜ao de Park. . . 55

Figura 39: PLL b ´asico. . . 56

Figura 40: Diagrama de blocos do PLL ressonante. . . 57

Figura 41: Comparaç ão entre os m étodos de discretizaç ão. . . 58

Figura 42: Circuito utilizado para an ´alise do PLL. . . 61

Figura 43: An ´alise do PLL ressonante. . . 62

Figura 44: An ´alise das componentes Vd e Vq do PLL ressonante. . . 63

Figura 45: Gerador de refer ˆencia. . . 64

Figura 46: Gerador de refer ˆencia em malha Aberta trif ´asico. . . 65

Figura 47: Gerador de refer ˆencia em malha aberta monof ´asico. . . 67

Figura 48: Circuito utilizado para simulac¸˜ao. . . 68

Figura 49: Simulaç ão do gerador de refer ência em malha aberta - corrente de refer ência. . . 69

Figura 50: Ponto de conex ˜ao na passagem por zero. . . 70

Figura 51: Ponto de conex ˜ao fora do zero. . . 71

Figura 52: Conex ˜ao utilizando uma rampa de pot ˆencia durante 3 ciclos. . . 72

Figura 53: Diagrama demonstrativo do princ´ıpio de funcionamento de con-troladores PR. . . 76

Figura 54: Diagrama de bode do controlador PR ideal e n ˜ao ideal. . . 78

Figura 55: Diagrama de bode do controlador PR + HC n ˜ao ideal. . . 79

Figura 56: Topologia completa dos controladores utilizados. . . 80

Figura 57: Controlador PR durante conex ˜ao e desconex ˜ao. . . 83

Figura 58: Controlador PR - Tens ˜ao na conex ˜ao. . . 84

(12)

Figura 60: Controlador PR - Correntes durante a conex ˜ao. . . 85

Figura 61: Controlador PR - Correntes durante a desconex ˜ao. . . 86

Figura 62: Controlador PR - Variac¸ ˜ao de carga de +50%. . . 87

Figura 63: Controlador PR - Variac¸ ˜ao de carga de -50%. . . 87

Figura 64: Controlador PR - Carga com 0,01% da pot ˆencia nominal (Po/10000). 88 Figura 65: Diagrama de blocos do PLL ressonante. . . 94

(13)

LISTA DE TABELAS

1 Valores dos componentes utilizados nos filtros. . . 25

2 Valores utilizados para rede el étrica e sistema de geraç ão distribu´ıda. . 29

3 Valores dos componentes. . . 30

4 Valores dos componentes para o circuito completo. . . 42

5 Valores dos componentes utilizados na simulaç ão de descarga do indu-tor equivalente da rede el étrica. . . 44

6 Valores adotados para as vari ´aveis do PLL ressonante. . . 60

7 Constantes para utilizac¸ ˜ao do PLL ressonante em 60 Hz. . . 60

8 Ganhos do controlador PI do PLL ressonante. . . 61

9 Ganhos do controlador. . . 82

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANEEL Ag ˆencia Nacional de Energia El ´etrica.

CA Corrente Alternada.

CA-CC-CA Convers ˜ao de corrente alternada para corrente cont´ınua e nova-mente para corrente alternada.

CC Corrente Cont´ınua.

CC-CA Convers ˜ao de corrente cont´ınua para corrente alternada. CC-CC Conversor de corrente cont´ınua para corrente cont´ınua.

IGBT Transistor Bipolar de Porta Isolada - Insulated Gate Bipolar

Tran-sistor .

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor .

PI Proporcional Integral.

PID Proporcional Integral Derivativo.

PLL Phase-locked-loop.

PR Proporcional Ressonante.

PWM Pulse-Width Modulation - Modulac¸ ˜ao por largura de pulso.

RCC Raz ão de pot ência de curto-circuito no ponto de conex ão. RIR Raz ão indutivo-resistiva.

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LISTA DE S´IMBOLOS H Henry F Farad W Watt Ω Ohms µ Micro Ω Ohms µ Micro α Alfa β Beta ω Omega rad Radiano s Segundo Hz Hertz θ Teta A Ampere

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SUM ´ARIO

1 INTRODUC¸ ˜AO . . . 17

1.1 FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA APLICADAS À GERAÇ ÃO DIS-TRIBUÍDA . . . 17

1.1.1 E ´olica . . . 17

1.1.2 Fotovoltaica . . . 17

1.2 CONVERSORES EST ´ATICOS DE POT ˆENCIA . . . 18

1.3 GERAÇ ÃO ILHADA E GERAÇ ÃO CONECTADA A REDE EL ÉTRICA . . . 19

1.4 GERAÇ ÃO HÍBRIDA DISTRIBUÍDA . . . 19

1.5 OBJETIVOS . . . 20

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO . . . 20

2 GERAÇ ÃO HÍBRIDA DISTRIBUÍDA . . . 22

2.1 FILTRO PASSABAIXAS . . . 23

2.2 SISTEMA INVERSOR . . . 26

2.2.1 Modulac¸ ˜ao . . . 27

2.3 REDE FRACA . . . 28

2.4 AN ´ALISE DO SISTEMA EM MALHA ABERTA . . . 29

2.4.1 Variaç ão do barramento CC sem conex ão com a rede . . . 31

2.4.2 Variaç ão do barramento CC conectado à rede el étrica . . . 32

2.4.2.1 Sem diferenc¸a de fase . . . 32

2.4.2.2 Com diferenc¸a de fase . . . 36

2.4.3 Conex ˜ao e desconex ˜ao da rede . . . 39

2.4.4 Inclus ão de resist ências em s érie . . . 41

2.4.5 An ´alise do n´ıvel CC proveniente da rede el ´etrica . . . 43

2.4.6 Variaç ão dos par âmetros equivalentes da rede el étrica . . . 46

2.4.7 Variac¸ ˜ao da carga local . . . 48

(17)

3 METODOLOGIA DE CONEX ÃO DE INVERSORES PWM EM GERAÇ ÃO

DISTRIBU´IDA . . . 51

3.1 TRANSFORMADA DE CLARKE E PARK . . . 53

3.2 PHASE-LOCKED-LOOP . . . 56

3.3 PLL RESSONANTE . . . 56

3.3.1 Discretizac¸ ˜ao do sistema ortogonal . . . 58

3.3.2 An ´alise do controlador de fase . . . 61

3.4 GERADOR DE REFER ˆENCIA . . . 63

3.4.1 Malha Aberta . . . 64

3.4.1.1 Simulaç ão e an álise dos resultados . . . 68

3.5 AN ´ALISE DO PONTO DE CONEX ˜AO . . . 69

3.5.1 Rampa de Pot ˆencia . . . 71

3.6 RESUMO DO CAP´ITULO . . . 72

4 CONTROLADOR PROPORCIONAL RESSONANTE . . . 74

4.1 CONTROLADOR IDEAL E IDEAL AMORTECIDO . . . 75

4.2 DISCRETIZAC¸ ˜AO . . . 80

4.3 SIMULAÇ ÃO E AN ÁLISE DOS RESULTADOS . . . 81

4.3.1 Variac¸ ˜ao de Carga . . . 86

4.4 RESUMO DO CAP´ITULO . . . 88

5 CONCLUS ˜OES . . . 89

REFER ˆENCIAS . . . 92

AP ˆENDICE A - PLL RESSONANTE . . . 93

A.1 CONTROLADOR PID . . . 93

A.1.1 Controlador PI no referencial s´ıncrono . . . 93

A.2 DISCRETIZAÇ ÃO DO PLL PARA OBTENÇ ÃO DO ÂNGULOθ. . . 94

AP ÊNDICE B - IMPLEMENTAÇ ÃO PR ÁTICA . . . 97

B.1 RECURSOS E COMPONENTES NECESS ´ARIOS . . . 97

(18)

(19)

17

1 INTRODUC¸ ˜AO

Atualmente os avanços tecnol ógicos se devem em grande parte a ener-gia el étrica que se tornou a principal fonte de iluminaç ão artificial e força mec ânica (ELETROBRAS, 2014, p. 1). Tendo em vista a crescente demanda da mesma, a geraç ão distribu´ıda ganhou foco principalmente a partir de fontes alternativas de energia com a utilizaç ão de conversores est áticos de pot ência.

1.1 FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA APLICADAS À GERAÇ ÃO DISTRIBUÍDA

De acordo com Nehrir et al. (2006, p. 1) a crescente necessidade de geraç ão de energia el étrica aumentou o interesse no uso da geraç ão distribu´ıda evitando a criaç ão de novas linhas de transmiss ão de longas dist âncias. Ainda, uma atenç ão especial pode ser dada aos sistemas de geraç ão distribu´ıda que utilizam fontes alter-nativas de energia pelo seu baixo impacto ambiental. Segundo Devgan (2001, p. 1) fontes alternativas de energia como e ólica, solar e biomassa, ser ão necess árias para cumprir objetivos ambientais, como a reduç ão da emiss ão de carbono.

1.1.1 E ´olica

O princ´ıpio b ásico, segundo Oliveira Filho (2010, p. 4), de uma turbina e ólica é converter a energia cin ética do vento em torque mec ânico e ent ão, atrav és de um gerador, em energia el étrica. Pela caracter´ıstica de tens ão e frequ ência vari áveis de diferentes tipos de geradores s ão necess árias t écnicas para extrair a maior pot ência. Desta forma, para conex ão de um sistema deste tipo à rede de distribuiç ão pode ser necess ário o uso de um conversor est ático CA-CC-CA para adequaç ão da frequ ência e amplitude da tens ão gerada.

1.1.2 Fotovoltaica

Pain éis fotovoltaicos s ão dispositivos utilizados para transformar a energia solar em energia el étrica. Eles s ão formados por c élulas fotovoltaicas associadas

(20)

1.2 Conversores est ´aticos de pot ˆencia 18

em s érie e/ou paralelo a fim de gerar uma tens ão adequada (IMHOFF, 2007, p. 39). Essa energia é gerada na forma de corrente cont´ınua (CC), mas geralmente com uma tens ão relativamente baixa. Assim, para utilizaç ão da energia gerada em um sistema de distribuiç ão é necess ário o uso de um conversor CC-CC elevador de tens ão e um conversor CC-CA para gerar em corrente alternada na frequ ência e amplitude do sistema.

1.2 CONVERSORES EST ´ATICOS DE POT ˆENCIA

Segundo Mesquita Filho (2010, p. 28) ”conversores est áticos s ão circuitos utilizados para realizar a convers ão ou o condicionamento da energia el étrica de uma fonte provedora, que disponibiliza a energia em uma forma, para uma carga, que ne-cessita da energia el étrica em outra forma”. Estes operam por meio de comutaç ões de chaves semicondutoras como MOSFET , transistor de junç ão bipolar (TJB), IGBT, etc.

Quanto a sua aplicac¸ ˜ao, Machado (2012, p. 68) diz que:

Da interaç ão entre a microeletr ônica e a eletr ônica de pot ência tem resultado uma crescente popularizaç ão dos conversores est áticos, so-bretudo no acionamento de m áquinas el étricas. No entanto, a utilizaç ão da eletr ônica de pot ência n ão se restringe apenas às aplicaç ões da automaç ão industrial e de acionamento de motores. A gama de aplica-ç ões é t ão ampla que vai desde simples aplicaaplica-ç ões residenciais, tais como dimmers de uso dom éstico, at é sistemas de transmiss ão de ener-gia el étrica de alta pot ência. Nota-se, ent ão, a vasta inclus ão de con-versores est áticos no atual sistema, em âmbito nacional e at é mesmo internacional.(MACHADO, 2012, p. 68).

No entanto, quando utilizados como carga, os mesmos podem acarretar problemas ao sistema de energia el étrica. Segundo Andrade Jr et al. (2006, p. 1) esses dispositivos resultam em cargas altamente n ão lineares conectadas ao sis-tema de distribuiç ão de energia el étrica. Resultando no surgimento de distorç ões harm ônicas na forma de onda de tens ão ou corrente do sistema el étrico. Essas distorç ões harm ônicas v ão contra as metas de qualidade de energia el étrica buscadas pelas concession árias.

(21)

1.3 Geraç ão ilhada e geraç ão conectada a rede el étrica 19

1.3 GERAÇ ÃO ILHADA E GERAÇ ÃO CONECTADA A REDE EL ÉTRICA

Quando s ão utilizados conversores est áticos para geraç ão ilhada existe a necessidade de controlar a amplitude e frequ ência fornecida para a carga local sem a preocupaç ão com o sincronismo de fase. Mas quando esse sistema é conectado à rede el étrica é necess ário que a forma de onda de tensão sobre a carga local esteja em sincronismo de fase com a rede el étrica. Assim é poss´ıvel gerar um fluxo de corrente no sentido do conversor est ático para a carga local como tamb ém da rede el étrica para a carga ou do conversor para a rede dependendo da pot ência gerada e requisitada pela carga. Como no caso da geraç ão conectada tamb ém é necess ário um controle de amplitude para a conex ão com a rede el étrica, sendo este ainda mais importante para este caso, pois uma diferença de tens ão entre a carga e a rede el étrica poder á gerar correntes com amplitude e sentido n ão desejados.

Em vista aos problemas que podem ser gerados por uma diferença de am-plitude ou de fase entre a forma de onda da carga e da rede el étrica é necess ário o uso de uma malha de controle esta para obter caracter´ısticas em regime permanente e din âmicas do sistema, de forma a melhor atender os requisitos de qualidade de energia da ag ência reguladora (ANEEL) ou do consumidor.

1.4 GERAÇ ÃO HÍBRIDA DISTRIBUÍDA

O fornecimento de energia para o sistema el étrico de pot ência, pode ser obtidos por tr ês estrat égias: Unidades de geraç ão distantes dos centros de cargas, unidades distribu´ıdas pr óximas aos centros de cargas ou a mescla de ambas (AGUIAR, 2014, p. 20).

´

E na geraç ão distribu´ıda baseada em conversores est áticos que entra o conversor CC-CA que ser á abordado. Este possui uma caracter´ıstica importante, que independente de uma geraç ão CA ou CC, a mesma pode ser convertida para CC em um n´ıvel de tens ão desejado e a partir deste barramento CC, um conversor CC-CA pode ser regulado utilizando controladores desacoplados. Desta forma, o controle da tens ão do barramento CC possibilita a utilizaç ão de sistemas h´ıbridos de geraç ão (AGUIAR, 2014, p. 53).

(22)

1.5 Objetivos 20

1.5 OBJETIVOS

O principal objetivo desse trabalho é analisar as din âmicas de conversores CC-CA monof ásico conectados com a rede el étrica e utilizar t écnicas de controle con-templadas na literatura para obter a regulaç ão da tens ão e frequ ência como tamb ém o sincronismo de fase com a rede de distribuição.

Os principais objetivos espec´ıficos desse trabalho s ˜ao:

• Modelar e analisar, por meio de simulaç ões computacionais em malha aberta, um sistema de convers ão est ática de energia CC-CA aplicada em geraç ão dis-tribu´ıda e em uma rede fraca;

• Implementar e analisar, por meio de simulaç ões computacionais, as t écnicas de controle necess árias para conversores CC-CA conectados a rede elétrica;

• Analisar o desempenho das t ´ecnicas de controle utilizadas em redes fracas.

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO

Esse trabalho est á dividido em cinco cap´ıtulos sendo o primeiro uma breve introduç ão de temas relacionados ao mesmo.

O segundo cap´ıtulo apresenta a estrutura de um sistema de geraç ão h´ıbrida distribu´ıda e é dada atenç ão especial a este, aliado aos seus componentes t´ıpicos. Nesse cap´ıtulo s ão realizadas an álises do sistema exposto em malha aberta buscando entender melhor algumas caracter´ısticas e din âmicas importantes desse sistema.

O cap´ıtulo tr ês aborda passos necess ários para a conex ão do sistema com a rede el étrica como a utilizaç ão de um controle para sincronismo de fase, a geraç ão de uma refer ência tamb ém sincronizada e uma an álise do ponto de conex ão do sis-tema.

No cap´ıtulo quatro é abordado o controlador proporcional ressonante o qual é utilizado na malha de corrente e necessita de uma refer ência correta que é obtida no cap´ıtulo tr ês por meio do gerador de refer ência. Esse controlador completa a estrutura necess ária para o controle correto desse sistema.

No cap´ıtulo cinco s ˜ao apresentados algumas conclus ˜oes do trabalho de-senvolvido e algumas possibilidades de trabalhos futuros por meio desse.

(23)

1.6 Estrutura do Trabalho 21

No ap êndice A é apresentada uma complementaç ão para o PLL resso-nante, descrito no cap´ıtulo tr ês, como a obtenç ão do angulo θ e algumas estimativas de frequ ência e amplitude do sistema o qual poder á ser útil em outras aplicaç ões.

No ap êndice B s ão demonstrados alguns passos que s ão vistos como ne-cess ários para implementar esse projeto em um prot ótipo como tamb ém algumas poss´ıveis dificuldades. Tamb ém é apresentado um breve resumo com alguns dos prin-cipais componentes e equaç ões necess árias para a implementaç ão desse sistema de controle na pr ática.

(24)

22

2 GERAÇ ÃO HÍBRIDA DISTRIBUÍDA

Embora existam diversas configuraç ões para implementaç ão de um sis-tema de geraç ão distribu´ıda envolvendo mais de uma fonte geradora, neste trabalho ser á considerada a abordagem que compartilha barramento CC a partir das fontes alternativas e que tamb ém é utilizada em diversos trabalhos da literatura como por Aguiar (2014, p. 32) e Carmeli et al. (2014, p. 1) que pode ser observada na figura 1.

Essa estrat égia possibilita a utilizaç ão da geraç ão h´ıbrida, por meio do com-partilhamento do barramento CC utilizando conversores CA-CC e CC-CC adequados para cada tipo de fonte alternativa utilizada, e a conex ão a rede el étrica é feita por meio de um único conversor est ático CC-CA o qual pode utilizar um controlador desa-coplado no ponto comum entre as fontes geradoras. (AGUIAR, 2014, p. 53).

Z

rede

V

rede

Z

L Rede Elétrica Carga Local Conversor e Filtro Fontes Alternativas Filtro passabaixas

Figura 1: Diagrama de um sistema h´ıbrido de energia com controlador e filtro passabaixas interligado a uma carga local e a rede el´etrica.

Fonte: Autoria pr ´opria baseado em Aguiar (2014, p. 32)

Neste trabalho é abordado o controle do conversor est ático CC-CA, desta-cado na figura 1 e ampliado na figura 2, para que possa ser utilizado em um sistema hibrido de geraç ão de energia. A figura 2 foca o circuito onde ser á feito o estudo.

(25)

2.1 Filtro passabaixas 23

Al ém do conversor, um filtro passabaixas é utilizado para reduzir dist úrbios de alta frequ ência provenientes da comutaç ão das chaves semicondutoras. Em sequ ência é conectada uma carga local e a rede el étrica, a qual est á representada por uma fonte de tens ão alternada e uma imped ância de rede. Tamb ém é utilizado um controlador com o objetivo de controlar a tens ão como tamb ém obter o sincronismo de fase com a rede el étrica. O controle do mesmo é feito no ponto de conex ão com a carga e a rede el étrica.

Z

rede

V

rede

Z

L

PWM

Controlador

VIfiltrocarga

Filtro

passabaixas

+

V

carga

Figura 2: Topologia do conversor est ´atico CC-CA conectado a rede el ´etrica e uma carga local.

Fonte: Autoria pr ´opria

Tamb ém podemos notar na figura 2 que foi utilizado uma fonte CC para representar o barramento CC e que os par âmetros da rede el étrica n ão temos dom´ınio.

Na sequ ˆencia ser ˜ao detalhados os seguintes elementos:

• Filtro passabaixas;

• Inversor em ponte completa monof ´asico;

• Modulac¸ ˜ao PWM;

• Rede fraca.

2.1 FILTRO PASSABAIXAS

Para que os pulsos gerados por um inversor PWM sejam convertidos em uma forma de onda pr óxima a senoidal é necess ária a filtragem das componentes harm ônicas elevadas referentes à frequ ência de chaveamento dos semicondutores.

(26)

2.1 Filtro passabaixas 24

Algumas das possibilidades s ˜ao os filtros L, LC e o LCL mostrados respectivamente nas figuras 3 (a), (b) e (c).

L

1

C

1

L

2

L

1

C

1

L

1

Filtro L

Filtro LC

Filtro LCL

(a)

_(b)

_(c)

R

Figura 3: Circuito el ´etrico dos filtros L, LC e LCL. Fonte: Autoria pr ´opria

´

E poss´ıvel deduzir a funç ão de transfer ência de tens ão de sa´ıda do filtro pela tens ão de sa´ıda do inversor de cada filtro a partir do seu circuito el étrico conside-rando uma carga resistiva, que podem ser observados nas figuras 3 (a), (b) e (c).

As funç ões de transfer ência obtidas para cada filtro podem ser observadas nas equaç ões (1) , (2) e (3).

F TL= R L1s + R (1) F TLC = R L1C1Rs2+ L1s + R (2) F TLCL = R L1L2C1s3+ L1C1Rs2+ (L1+ L2)s + R (3)

A partir do projeto dos filtros apresentado por Aguiar (2014) e para analisar e comparar os tr ês filtros é realizado um diagrama de bode utilizando os valores da tabela 1, que s ão utilizados em Aguiar (2014), e as funç ões de transfer ências apre-sentadas.

Podemos analisar a figura 4 onde fica evidente a maior atenuaç ão do filtro LCL comparado ao filtro L e LC conforme aumenta a frequ ência. A maior atenuaç ão observada auxilia na minimizaç ão de componentes n ão desejadas no sinal como a harm ônica proveniente do chaveamento das chaves semicondutoras em 12 KHz des-tacado com uma reta vermelha na figura. Para facilitar a visualizaç ão tamb ém foi inserido na figura uma reta verde para indicar a frequ ência fundamental e retas para a frequ ência de corte de cada filtro.

(27)

2.1 Filtro passabaixas 25 Tabela 1: Valores dos componentes utilizados nos filtros.

Componente Valor R 7,33Ω Filtro L L1 1500µH Filtro LC L1 1500µH C1 10µF Filtro LCL L1 1000µH L2 500µH C1 10µF

Magnitude (dB) -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 101 102 103 104 105 Phase (deg) -270 -180 -90 0 L LC LCL

Gráfico de bode - Filtros

Frequency (Hz)

Figura 4: Diagrama de Bode dos Filtros L, LC e LCL. Fonte: Autoria pr ´opria

Pode-se observar na figura 5 o lugar das ra´ızes para o filtro LCL utilizado. Nesse diagrama foi considerado a pot ência nominal de 2200 W e situaç ões com 25 % e 10 % respectivamente da pot ência nominal. Analisando o lugar das ra´ızes apre-sentado percebe-se que quanto menor a pot ência mais o sistema se aproxima da instabilidade, ou seja, deve-se tomar certa atenç ão pois na pr ática quando a carga é reduzida pode levar esse sistema a instabilidade. Tamb ém vale lembrar que em uma situaç ão pr ática existir á conectado a rede cargas distribu´ıdas nas proximidades

(28)

2.2 Sistema inversor 26

auxiliando a levar o sistema em um ponto est ´avel.

-5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 ×104 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Po Po/4 Po/10 Lugar das raízes

Real (seconds-1)

Imaginário (seconds

-1 )

Figura 5: Lugar das ra´ızes para o filtro LCL variando a sua pot ˆencia nominal. Fonte: Autoria pr ´opria

2.2 SISTEMA INVERSOR

Para convers ão de corrente cont´ınua para corrente alternada pode-se utili-zar chaves semicondutoras, operando em corte e saturação, de forma que permitam alterar o sentido de corrente na carga. Normalmente, o sistema inversor utilizado é composto por quatro chaves semicondutoras distribu´ıdas na forma apresentada na fi-gura 6. Este circuito tamb ém é conhecido como ponte H. Assim, atrav és de modulaç ão por largura de pulso, é poss´ıvel obter uma parcela do valor de tens ão seja com polari-dade +VCC, -VCC ou zero na sua sa´ıda, conforme necess ário.

Geralmente chaves do tipo IGBT s ão as mais utilizadas para n´ıveis de cor-rente e tens ão mais elevados e com frequ ências menores enquanto MOSFET s ão mais utilizados para n´ıveis de corrente e tens ão menores mas com frequ ências de chaveamento mais elevadas. (BLAKE; BULL, 1989, p. 2-3).

Podemos observar na figura 6 os modos de operac¸ ˜ao da ponte H. O pri-meiro modo, destacado como (a) na figura, conecta VCC em um terminal da carga e

(29)

2.2 Sistema inversor 27

operac¸ ˜ao conecta novamente VCC e o terra nos terminais da carga mas dessa vez

s ˜ao acionadas as chaves S2 e S3 produzindo uma corrente no sentido oposto ao

an-terior. Os últimos dois modos s ão similares pois n ão possuem corrente circulando na carga onde o primeiro, na figura (c), é conectado ao terra em ambos os terminais e o segundo, na figura (d), é conectado ao VCC em ambos os terminais. O modo (d) deve

ser evitado pois a carga fica com potencial Vcc em ambos os terminais.

(b) VCC S1 S3 S2 S2 S4 i +Vcc (a) VCC S1 S3 S2 S2 S4 i -Vcc (d) VCC S1 S3 S2 S2 S4 0 V (c) VCC S1 S3 S2 S2 S4 0 V

Figura 6: Modos de operaç ão da ponte H onde em vermelho é mostrado a chave em estado de conduç ão.

2.2.1 Modulac¸ ˜ao

Para o acionamento das chaves semicondutoras foi optado pela modulaç ão por largura de pulso (PWM) pela sua grande aplicaç ão.

Uma vez que uma ponte completa é utilizada, neste trabalho ser á utilizada modulaç ão PWM em 3 n´ıveis, no caso VCC, 0 e -VCC. O pulso é centralizado no

per´ıodo de chaveamento pois nesta condiç ão a distorç ão harm ônica introduzida pela modulaç ão PWM é reduzida em relaç ão ao pulso no in´ıcio do per´ıodo.

A raz ão c´ıclica (D) a ser aplicada pelo inversor pode ser obtida por meio da equaç ão (4), onde VCC é a tens ão do barramento CC e VOU T é a tens ão desejada na

sa´ıda. D = VOU T(k) VCC (4)

(30)

2.3 Rede fraca 28

A fim de trabalhar com o PWM em 3 n´ıveis ´e necess ´ario gerar 2 sinais PWM, um para o ciclo positivo e outro negativo. Quando o valor de VOU T for positivo

o PWM do ciclo positivo possuir ´a o mesmo valor de VOU T e o do ciclo negativo ser ´a

zero. Para um valor de VOU T negativo o segundo PWM recebe o modulo de VOU T e o

primeiro se mantem em zero.

Para centralizar o PWM no per´ıodo de chaveamento uma onda portadora triangular com frequ ência igual a frequ ência de chaveamento é utilizada para comparaç ão com o sinal modulante, neste caso, o complemento do sinal D. Podemos observar o resultado desta comparaç ão na figura 7 para a geraç ão do PWM para o ciclo positivo.

Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 -1 -0.5 0 0.5 1 PWM em 3 niveis centralizado PWM A PWM B D Referência Tempo [ms] 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0 0.5 1

Comparação com a triangular

PWM A PWM B 1-D Triangular

Figura 7: PWM em 3 n´ıveis centralizado. Fonte: Autoria pr ´opria

2.3 REDE FRACA

A rede el étrica pode ser representada por uma fonte de tens ão ou corrente alternada que possui uma imped ância em s érie ou paralelo respectivamente. Essa imped ância vista do ponto de conex ão do sistema depende de caracter´ısticas como imped ância interna da linha, dos transformadores e das cargas ligadas nessa mesma linha. Outro fator importante é a capacidade de transfer ência de pot ência a qual é dependente diretamente dessa imped ância de rede como tamb ém da tens ão no ponto de conex ão e na rede el étrica. Em suma, quanto maior for a capacidade de

(31)

trans-2.4 An ´alise do sistema em malha aberta 29

fer ência de pot ência entre o ponto de conex ão e a rede el étrica mais forte é a rede. (AGUIAR, 2014, p. 59-60).

Segundo Aguiar (2014, p. 60) existem dois indicadores que mostram se uma rede é fraca: a raz ão de pot ência de curto-circuito no ponto de conex ão (RCC) e a raz ão indutivo-resistiva (RIR).

A raz ão RCC, vide (5), depende da tens ão no ponto de conex ão, nesse caso Vcarga, tamb ém como da imped ância equivalente da rede el étrica e da pot ência

nominal do sistema de gerac¸ ˜ao distribu´ıda.

RCC = V

2 carga

ZredeSnominal

(5)

Na sequ ência pode-se observar na equaç ão (6) a raz ão indutivo-resistiva a qual depende apenas da reat ância e da resist ência equivalente da rede no ponto de conex ão.

RIR = Xrede Rrede

(6)

Ao utilizar esses indicadores e aplicar os mesmos para os par âmetros que est ão na tabela 2 é obtido uma RCC de 7,78 e uma RIR de 47,12. Segundo Aguiar (2014, p. 59-60) um RCC menor que 10 ou uma RIR menor que 0,5 indica uma rede fraca é poss´ıvel concluir que para esses valores, os quais ser ão utilizados nas an álises desse trabalho, é obtida uma rede fraca.

Tabela 2: Valores utilizados para rede el étrica e sistema de geraç ão distribu´ıda.

Vari ´avel Valor

Vcarga 127 Vrms

Snominal 2200 W

Xrede 0,9425Ω

Rrede 0,0200Ω

Zrede 0,9427Ω

2.4 AN ´ALISE DO SISTEMA EM MALHA ABERTA

A an álise do sistema em malha aberta é importante para entendermos quest ões relacionadas a seu funcionamento como: seus problemas, principalmente

(32)

2.4 An ´alise do sistema em malha aberta 30

em relaç ão ao sincronismo de fase, amplitude da forma de onda de tens ão, sentido e amplitude da corrente da rede e do inversor. Com isso, nessa seç ão s ão analisadas as din âmicas do sistema em malha aberta com o auxilio de simulaç ões computacionais. O circuito utilizado para a an álise pode ser verificado na figura 8 juntamente com o sentido adotado para as correntes.

L

rede

V

rede

Z

L

1

C

1

L

2 Icarga Irede Ifiltro Vcarga

PWM

Controlador

Figura 8: Circuito utilizado para an´alise em malha aberta. Fonte: Autoria pr ´opria

Para as simulaç ões em malha aberta é utilizada inicialmente uma tens ão de 220 V no barramento CC e uma refer ência senoidal com 179.61 Vpk, ou seja, é

ne-cess ário um ´ındice de modulaç ão (Vpk/VCC) de 81.64% para atingir a tens ão m áxima

da refer ência. Para o acionamento das chaves semicondutoras foi utilizado PWM cen-tralizado trabalhando em 3 n´ıveis. A tens ão da rede el étrica é de 127 Vrms e a carga

local possui uma pot ência de 2200 W nessa tens ão. Segue na tabela 3 os valores utilizados para os componentes os quais s ão baseados em (AGUIAR, 2014).

Tabela 3: Valores dos componentes.

Componente Valor L1 1000µH L2 500µH C1 10µF ZL 7,33Ω LRede 2500µH

Normalmente, um sistema de geraç ão distribu´ıda est á sujeito a diferentes tipos de variaç ões de par âmetros e grandezas, como tens ão do barramento CC, ampli-tude e fase da tens ão da rede el étrica, imped âncias de carga e de rede, entre outras. Para avaliar o comportamento do sistema quando ocorrem variaç ões desta natureza, na sequ ência s ão realizadas as seguintes an álises envolvendo:

(33)

• Variaç ão do barramento CC para geraç ão isolada;

• Variaç ão do barramento CC e ajuste da refer ência do sistema em malha aberta conectado a rede el étrica e sem diferença de fase entre a referência e a rede;

• Variaç ão do barramento CC e ajuste da refer ência do sistema em malha aberta conectado a rede el étrica e com diferença de fase entre a referência e a rede;

• Conex ão e desconex ão da rede el étrica;

• Inclus ˜ao de resist ˆencias intr´ınsecas no modelo;

• An ´alise do n´ıvel CC proveniente da rede el ´etrica;

• Variaç ão da imped ância equivalente da rede el étrica;

• Variac¸ ˜ao da carga local.

2.4.1 Variaç ão do barramento CC sem conex ão com a rede

Uma possibilidade na pr ática é a ocorr ência de uma variaç ão na tens ão do barramento CC, a qual poderia ser causada, por exemplo, por uma alteraç ão na geraç ão ou uma demanda maior de pot ência ocasionando uma queda de tens ão no barramento CC. Essa an álise ser á feita para geraç ão ilhada com uma variaç ão entre 180 V e 280 V utilizando o circuito que est á na figura 9.

Z

L

1

C

1

L

2 Icarga Ifiltro Vcarga

PWM

Controlador

Figura 9: Circuito para variaç ão da tens ão do barramento CC para geraç ão ilhada.

Primeiramente é poss´ıvel perceber uma variaç ão diretamente proporcional da amplitude da tens ão e da corrente sobre a carga como pode ser verificado na figura 10. Esse resultado tamb ém revela a necessidade de um controlador para corrigir a

(34)

amplitude, compensando essa variaç ão do barramento CC e mantendo uma tens ão constante na carga. Tempo [ms] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tensão[V] -200 0 200 Tensão na Carga Vcc = 180 V Vcc = 220 V Vcc = 280 V Tempo [ms] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Corrente [A] -20 0 20 Corrente na Carga Vcc = 180 V Vcc = 220 V Vcc = 280 V

Figura 10: Variaç ão da tens ão do barramento CC para geraç ão ilhada. Fonte: Autoria pr ópria

2.4.2 Variaç ão do barramento CC conectado à rede el étrica

Quando efetuamos a conex ão com a rede el étrica é necess ário destacar uma importante carater´ıstica que dever á ser buscada, o sincronismo de fase entre o ponto de conex ão e a rede el étrica. Essa caracter´ıstica é desejada para n ão gerar o fluxo de correntes, entre a rede e o conversor est ático, com amplitude e sentido prejudiciais ao sistema.

Com a conex ão com a rede el étrica e a variaç ão do barramento CC algumas din âmicas importantes do sistema s ão observadas. O primeiro caso, que é analisado na seç ão 2.4.2.1, é para quando n ão existe diferença de fase entre a refer ência do sistema e a rede el étrica e uma segunda situaç ão, mostrada na seç ão 2.4.2.2, a rede el étrica est á adiantada em 30o _{em relaç ão à refer ência, ambos casos s ão analisados} com mais detalhes na sequ ência.

2.4.2.1 Sem diferenc¸a de fase

O circuito utilizado para as an álises efetuadas nessa seç ão pode ser ob-servado na figura 11 a qual destaca os elementos que eventualmente ser ão variados para an álise, nesse caso o barramento CC e a refer ência para compensar algumas

(35)

caracter´ısticas indesejadas que s ˜ao relatadas na sequ ˆencia.

L

rede

V

rede 0º

Z

L

1

C

1

L

2 Icarga Irede Ifiltro Vcarga PWM Controlador

Figura 11: Circuito utilizado para an ´alise em malha aberta conectado a rede el ´etrica e em fase.

Podemos observar na figura 12 que existe uma pequena diferença de fase entre a tens ão na carga e a rede el étrica que é causada pelas imped âncias do sistema. Esta diferença de fase reflete em uma mudança significativa nas correntes e nota-se neste caso que ambos, o conversor e a rede est ão fornecendo corrente para a carga e essa pequena diferença de fase implica na amplitude das correntes do conversor e da rede. Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tensão[V] -200 -100 0 100 200

Malha aberta conectado a rede em fase, com Vcc = 220 V

Vcarga Vrede Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Corrente [A] -40 -20 0 20 40 Icarga Ifiltro Irede

Figura 12: Conex ão a rede el étrica em fase. Fonte: Autoria pr ópria

Nesse tipo de sistema geralmente é desejado que o fornecimento de cor-rente para a carga local seja proveniente em sua maior parte pelo conversor est ático e apenas, caso necess ário, complementado pela rede el étrica, ou seja, a maior parte da pot ência ser á entregue pela geraç ão local. Com base na an álise da figura 12 fica

(36)

evidente a necessidade de um controlador de fase, pois isso implica diretamente na amplitude e sentido da corrente do conversor e da rede.

Ao corrigir essa diferença de fase e reduzir a amplitude da corrente forne-cida pela rede el étrica é possivel determinar o ângulo necess ário para corrigir este problema. Como podemos observar na figura 13 adiantando a refer ência em ape-nas 5,3o _{foi poss´ıvel corrigir a diferença de fase entre a carga e a rede el étrica. Vale} ressaltar que esta diferença de 5,3o _{é gerada pelas imped âncias do sistema.}

Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tensão[V] -200 -100 0 100

200 Malha aberta conectado a rede em fase, com Vcc = 220 V e Referência +5.3º Vcarga Vrede Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Corrente [A] -40 -20 0 20 40 Icarga Ifiltro Irede

Figura 13: Conex ão a rede el étrica em fase e com correç ão da diferença de fase na refer ência.

´

E not ável que a corrente fornecida para a carga é proveniente quase em sua totalidade pelo conversor est ático que é uma caracter´ıstica desejada. Com isso podemos observar a import ância de um controle de fase para manter o sincronismo entre a forma de onda de tens ão sobre a carga local e a rede el étrica como tamb ém para que as correntes tomem a forma desejada, ou seja, provenientes em sua maior parte pelo conversor est ático.

Pode-se observar na figura 14 o diagrama fasorial representando a re-fer ência, a carga e a rede el étrica com a correç ão de 5,3o_{efetuadas na ultima simulaç ão.} Nesse diagrama fasorial fica evidente que a tens ão da rede el étrica e da carga est ão em fase e como consequencia a corrente proveniente da rede el étrica é nula. Agora analisando a refer ência e a carga elas possuem a mesma magnitude mas com uma diferença de fase a qual faz gerar um fluxo de corrente proveniente do inversor para a carga.

(37)

5,3º

V

refe rência =17 9.61 5.3º ∠

V

rede

,V

carga= 179.61 0º∠

Figura 14: Diagrama fasorial das tens ões para a an álise da conex ão em malha aberta.

Outro caso importante para ser analisado é a variaç ão do barramento CC mas agora mantendo a correç ão de fase da refer ência de 5,3o_{para facilitar a visualizaç ão} do efeito causado apenas por essa variaç ão.

Quando ocorre uma alteraç ão na tens ão do barramento CC de 220 V para 225 V como na figura 15, no primeiro meio ciclo a tens ão sobre a carga fica com sua amplitude maior que a rede gerando o fornecimento de corrente por parte do conversor para a rede. No segundo o fornecimento de corrente da rede complementa a corrente do conversor para formar a corrente da carga.

Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tensão[V] -200 -100 0 100 200

Malha aberta conectado a rede em fase, com Vcc = 225 V e Referência +5.3º

Figura 15: Conex ão a rede el étrica em fase com correç ão de fase na re-fer ência e com Vcc em 225 V.

Com isso podemos perceber a necessidade do controle da amplitude sobre a carga. Al ém de manter uma forma de onda senoidal com valor eficaz apropriado, nesse caso 127 V, n ão deixa circular correntes desnecess árias e indesejadas no

(38)

sis-2.4 An ´alise do sistema em malha aberta 36

tema como ´e o caso da corrente proveniente da rede.

Ainda com a tens ão do barramento CC em 225 V e com a refer ência do sistema adiantada em 5,3o_{foi feita uma correç ão na amplitude da refer ência de 179,61} Vpk para 175,62 Vpk. Esta correç ão é feita com o objetivo de corrigir o aumento de

tens ˜ao do barramento CC e o resultado pode ser analisado na figura 16.

Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tensão[V] -200 -100 0 100 200

Malha aberta conectado a rede em fase, com Vcc = 225 V e Referência 175.62 V/5.3º

Figura 16: Conex ão a rede el étrica em fase e com Vcc em 225 V com correç ão de fase e amplitude na refer ência.

Percebe-se que com uma correç ão na refer ência a tens ão sobre a carga entra em sincronismo com a rede e a corrente fornecida para a carga é proveniente pelo conversor est ático.

2.4.2.2 Com diferenc¸a de fase

A fim de analisar com mais detalhes a conex ão do sistema com a rede el étrica a mesma foi adiantada em 30o _{e o circuito utilizado para as an álises dessa} seç ão pode ser observado na figura 17 onde novamente ser á feita a variaç ão do barra-mento CC e eventualmente da refer ência para compensar caracter´ısticas indesej áveis.

(39)

L

rede

V

rede 30º

Z

L

1

C

1

L

Figura 17: Circuito utilizado para an ´alise em malha aberta conectado a rede el ´etrica e defasado em 30o_.

O resultado desse adiantamento em 30o_{, que pode ser visto na figura 18, é} um grande aumento na amplitude das correntes da rede e do conversor, nesse caso a rede esta fornecendo corrente para a carga e também um valor significativo para o conversor o qual é um resultado totalmente indesej ável.

Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tensão[V] -200 0 200

Malha aberta conectado a rede defasado em 30º, com Vcc = 220 V

Vcarga Vrede Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Corrente [A] -100 0 100 Correntes Icarga Ifiltro Irede

Figura 18: Conex ˜ao a rede el ´etrica adiantada em 30o_.

A fim de corrigir a diferença de fase observada anteriormente, a refer ência foi adiantada em 35,3o _{ou seja, 30}o _{que a rede est á adiantada e 5,3}o _ocasionados pelas imped âncias desse sistema. O efeito dessa correç ão pode ser constatado na figura 19 onde a forma de onda da tens ão da carga logo entra sincronismo com a rede, mas uma componente CC proveniente da rede el étrica é fornecida para o sistema, ora para o conversor est ático e ora para a carga local gerando um fluxo de corrente indesej ável essa situaç ão é analisada melhor na seç ão 2.4.3.

(40)

2.4 An ´alise do sistema em malha aberta 38 Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tensão[V] -200 0 200

Malha aberta conectado a rede defasado em 30º, com Vcc = 220 V e referencia +35.3º

Figura 19: Conex ão a rede el étrica adiantada em 30o _{com correç ão de fase}

na refer ˆencia.

Por último ser á efetuada a variaç ão do barramento CC mantendo a correç ão de fase de 35,3o_{. A tens ão do barramento CC foi aumentada de 220 V para 225 V e} como é esperado, a tens ão sobre a carga ir á aumentar. Para corrigir essa situaç ão a tens ão da refer ência foi alterada de 179,61 Vpk para 175,62 Vpk corrigindo a

am-plitude como podemos observar na figura 20 mas novamente aparece uma corrente indesejada proveniente da rede el ´etrica.

Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tensão[V] -200 0 200

Malha aberta conectado a rede defasado em 30º, com Vcc = 225 V e referencia 175.62/35.3º

Figura 20: Conex ˜ao a rede el ´etrica adiantada em 30o _{com Vcc em 225 V e}

correç ão de fase e amplitude da referência. Fonte: Autoria pr ópria

(41)

2.4.3 Conex ˜ao e desconex ˜ao da rede

Nessa seç ão ser á analisado o transit ório, quando é feita a conex ão ou des-conex ão com a rede el étrica. O ponto de comutaç ão utilizado ser á no mesmo ramo da corrente IRede ou seja, a carga estar á conectada ao inversor mesmo estando

desco-nectada da rede. O objetivo dessa an álise é obter informaç ões para optar pelo melhor m étodo de conex ão com a rede el étrica da forma mais adequada como também tomar conhecimento de poss´ıveis transit órios nessa conex ão ou desconex ão.

Na figura 21 a tens ão no barramento CC é a nominal de 220 V e inicial-mente existe uma diferença de fase de 30o _{entre a refer ência e a rede el étrica mas no} momento de conex ão a refer ência é adiantada em 35,3o _{para entrar em fase com a} rede el étrica como de fato acontece mas novamente aparece a mesma componente CC proveniente da rede. 0 5 10 15 20 25 30 35 −200 −100 0 100 200 Tempo [ms] Tensão[V]

Malha aberta com rede defasada em 30º, Vcc 220 V e referencia +35.3º Vcarga Vrede

Conexão com a rede

0 5 10 15 20 25 30 35 −40 −20 0 20 40 Tempo [ms] Corrente [A] Correntes Icarga Ifiltro Irede

Conexão com a rede

Figura 21: Conex ão com a rede el étrica adiantada em 30o onde no momento da conex ão a refer ência é comutada para entrar em sincronismo com a rede. Fonte: Autoria pr ópria

Uma poss´ıvel soluç ão para o problema encontrado é a sincronizaç ão de fase antes da conex ão. Com isso podemos observar a figura 22 onde o problema relatado anteriormente é eliminado e tem-se um comportamento desejado.

(42)

2.4 An ´alise do sistema em malha aberta 40 0 5 10 15 20 25 30 35 −200 −100 0 100 200 Tempo [ms] Tensão[V]

Conexão com a rede

Figura 22: Conex ˜ao com a rede adiantada em 30o _{e refer ˆencia sincronizada}

antes da conex ˜ao. Fonte: Autoria pr ´opria

Outra soluç ão é a conex ão do sistema no cruzamento entre as duas ondas de tens ão ou seja quando a rede possuir o mesmo valor de tens ão da carga, isto ir á minimizar esse efeito indesejado como pode ser observado na figura 23.

0 5 10 15 20 25 30 35 −200 −100 0 100 200 Tempo [ms] Tensão[V]

Conexão com a rede

Figura 23: Conex ˜ao no cruzamento entre a forma de onda de tens ˜ao da rede e da carga.

Ao analisar a desconex ão do sistema podemos verificar na figura 24 que n ão ocorre nenhum problema a n ão ser um transit ório de curta duraç ão na corrente do filtro.

(43)

2.4 An ´alise do sistema em malha aberta 41 0 5 10 15 20 25 30 35 −200 −100 0 100 200 Tempo [ms] Tensão[V]

Desconexão com a rede

Figura 24: Desconex ão da rede el étrica. Fonte: Autoria pr ópria

2.4.4 Inclus ão de resist ências em s érie

Apesar de idealmente as indut âncias n ão possu´ırem resist ência, em um modelo que representa mais fielmente o que é verificado na pr ática resist ências intr´ın-secas em s érie s ão geralmente consideradas. Com a inclus ão de uma resist ência em s érie a an álise do sistema aproxima-se da realidade. Por isso s ão inclu´ıdas no circuito essas resist ências em s érie com as indut âncias do sistema como pode ser observado na figura 25. Assim é poss´ıvel analisar melhor o comportamento relatado na seç ão 2.4.2.2 do surgimento de uma componente CC proveniente da rede el étrica.

R

rede

L

rede

V

rede

Z

L

1

C

1 PWM Controlador

L

2

R

1

R

2 Ifiltro Icarga Irede Vcarga

Figura 25: Circuito completo utilizado para an ´alise. Fonte: Autoria pr ´opria

Os valores dos componentes utilizados est ão na tabela 4. As resist ências R1 e R2 em s érie com os indutores foram obtidas por meio de ensaios em laborat ório

(44)

2.4 An ´alise do sistema em malha aberta 42 Tabela 4: Valores dos componentes para o circuito completo.

Componente Valor L1 1000µH L2 500µH R1 46,8 mΩ R2 34,5 mΩ RRede 20 mΩ C1 10µF ZL 7,33Ω LRede 2500µH

Para essa simulaç ão o ponto de conex ão est á situado no ramo da corrente Irede e a rede el étrica esta adiantada em 30o em relaç ão a refer ência e no momento

de conex ão com a rede a refer ência é comutada adiantando-a em 35,3o, tamb ém foi necess ário compensar a amplitude da refer ência de 179,61 Vpk para 182 Vpk devido

a inclus ão de resist ências no sistema. O resultado, que pode ser verificado na figura 26, é o decaimento exponencial dessa componente CC de corrente da rede que é dissipado atrav és das resist ências que est ão em s érie com as indut âncias do sistema.

0 20 40 60 80 100 120 140 −200 −100 0 100 200 Tempo [ms] Tensão[V]

Conexão com a rede

Figura 26: Simulaç ão com resist ências em s érie para rede adiantada em 30o e refer ência comutada para 35.3o_{no momento da conex ão.}

Tamb ém é necess ária uma an álise do sistema fazendo a conex ão e des-conex ão do mesmo no ramo da corrente If iltro. Este caso é fundamental quando se

(45)

esta conectada a rede el étrica e um sistema de geraç ão local é conectado à carga local e à rede el étrica.

Para essa simulaç ão a rede el étrica est á adiantada em 30o_{e o barramento} CC est á com seu valor nominal de 220 V. A refer ência foi adiantada em 35,3o _para obter o sincronismo de fase quando o inversor for conectado a rede el étrica e passar a fornecer a maior parte da corrente para a carga.

´

E estudado melhor essa situaç ão pela figura 27 a qual é poss´ıvel observar que de forma id êntica na conex ão com a rede el étrica surge novamente uma compo-nente CC da corrente da rede que decai de forma exponencial. Tamb ém é not ável que agora quando o inversor est á desconectado quem fornece corrente para a carga é a rede el étrica. Em relaç ão a desconex ão do sistema pode ser observado que n ão ocorre nenhum transit ório significativo.

0 50 100 150 −200 −100 0 100 200 Tempo [ms] Tensão[V]

Conexão com a rede

0 50 100 150 −20 0 20 Tempo [ms] Corrente [A] Correntes Icarga Ifiltro Irede

Conexão com a rede

Figura 27: Simulaç ão com resist ências em s érie e a conex ão/desconex ão do sistema no ramo da corrente do If iltro.

2.4.5 An ´alise do n´ıvel CC proveniente da rede el ´etrica

Para se entender o comportamento da corrente com o surgimento de uma componente CC no instante de conex ão com a rede foi utilizado o circuito da figura 28. Nesse caso foi utilizada uma fonte alternada no lado do inversor com uma tensão de 179,61 Vpk e no lugar da fonte de tens ão da rede el étrica foi colocada uma fonte

de tens ão controlada pela tens ão, no caso a tens ão sobre a carga (Vcarga). Por meio

dessa fonte de tens ão controlada é poss´ıvel forçar a mesma tens ão sobre a carga e sobre a rede simulando o mesmo efeito do sincronismo de fase obtido por um

(46)

contro-2.4 An ´alise do sistema em malha aberta 44

lador de fase ou a compensaç ão de fase de 5,3o_{utilizada nas simulaç ões anteriores.}

R

rede

L

rede

Z

L

1

R

1 Ifiltro Icarga Irede Vcarga

+

-

Vcarga 179,61Vpk

Figura 28: Circuito utilizado para an ´alise da componente CC. Fonte: Autoria pr ´opria

Os valores dos componentes utilizados nesse circuito podem ser visua-lizados na tabela 5 os quais ainda s ão mantidos os mesmos, apesar de algumas simplificaç ões no circuito para o estudo desse caso especial. Como se quer simular o mesmo efeito que ocorre na conex ão das an álises anteriores o indutor equivalente da rede ser á carregado com uma corrente inicial com o mesmo valor observado no momento da conex ão da an álise da figura 27 da seç ão anterior, no caso -11,6 A.

Tabela 5: Valores dos componentes utilizados na simulaç ão de descarga do indutor equivalente da rede el étrica.

Componente Valor L1 1500µH R1 81,3 mΩ ZL 7,33Ω LRede 2500µH RRede 20 mΩ

Primeiramente ser á utilizado o circuito mostrado anteriormente sem as re-sist ências e apenas com as indut âncias buscando encontrar a mesma situaç ão ante-rior de um n´ıvel CC de corrente constante proveniente da rede el étrica.

A partir da figura 29 pode-se observar novamente o mesmo n´ıvel CC de corrente e com isso podemos concluir que o valor de corrente cont´ınua obtida depende do ponto de conex ão e do momento que é efetuado o sincronismo com a rede visto que nesse momento a tens ão sobre o indutor da rede é nula e assim a sua variaç ão de corrente tamb ém ser á nula a partir da equaç ão (7) ou seja ser á mantido um valor constante referente ao momento de sincronizaç ão.

(47)

2.4 An ´alise do sistema em malha aberta 45 Tempo [ms] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Corrente [A] -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Icarga Ifiltro Irede

Figura 29: Simulaç ão com o indutor da rede el étrica carregado e sem re-sist ências no circuito.

VLrede = Lrede

d(Irede)

dt (7)

Buscando o mesmo comportamento obtido na figura 27, da seç ão anterior, no momento da conex ão com o surgimento de uma corrente cont´ınua com um decai-mento exponencial s ão inseridas as resist ências intr´ınsecas dos indutores e da rede para descarregar esse indutor.

Analisando a figura 30 percebe-se a similaridade com a figura 27 com o surgimento de uma corrente cont´ınua dissipada exponencialmente por meio das re-sist ências do circuito. Ainda é poss´ıvel analisar a tens ão e perceber que seu compor-tamento, da mesma forma que a corrente, é similar de um circuito RL s érie quando o indutor est á sendo descarregado.

Pode-se perceber com a inclus ão da resist ência da rede e por meio de uma an álise CC do circuito que agora a parcela de energia em corrente continua armazenada no indutor da rede sera dissipada na resist ência equivalente da rede. Ainda é poss´ıvel obter equaç ões para descrever essa corrente a partir da an álise do circuito como segue:

VLrede = −VR= RIrede (8)

RIrede = Lrede

d(Irede)

dt (9)

(48)

2.4 An ´alise do sistema em malha aberta 46 Tempo [ms] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tensão[V] 0.1 0.15 0.2 0.25 Vl-rede Vr-rede Tempo [ms] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Corrente [A] _-20 0 20 40 _Icarga Ifiltro Irede

Figura 30: Simulaç ão com o indutor da rede el étrica carregado e sem re-sist ências no circuito.

do indutor:

Irede(t) = Irede−since−(R/L)t (10)

2.4.6 Variaç ão dos par âmetros equivalentes da rede el étrica

Tamb ém é interessante fazer uma an álise da variaç ão da imped ância equi-valente da rede el étrica pois tal imped ância depende diretamente do ponto de conex ão com o sistema el étrico e ir á variar dependendo de onde for utilizado. O circuito utili-zado para esse estudo pode ser observado na figura 31 e a indut ância indicada Lrede

ser ´a variada entre 1,5 mH e 3,5 mH.

L

rede

V

rede

Z

L

1

C

1

L

Figura 31: Circuito utilizado para variaç ão dos par âmetros equivalentes da rede el étrica.

(49)

Ao analisar a figura 32 percebemos que a forma de onda da tens ão possui uma variaç ão pequena para variaç ões nos par âmetros equivalentes da rede el étrica e ao mesmo tempo, as correntes variam significativamente conforme é variado a ped ância equivalente da rede. Na figura 33 fica vis´ıvel que conforme aumenta a im-ped ância da rede tamb ém aumenta a corrente do conversor e diminui a corrente da rede. O inverso para quando ocorre a reduç ão da imped ância de rede tamb ém é valido, ocorre o aumento da corrente da rede e diminui do inversor.

Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tensão[pu] -2 -1 0 1

2 Variação dos parametros da rede

Vcarga (Lrede 1,5mH) Vcarga (Lrede 2,5mH) Vcarga (Lrede 3,5mH) Vrede (Lrede 1,5mH) Vrede (Lrede 2,5mH) Vrede (Lrede 3,5mH) Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Corrente [pu] -2 -1 0 1 2 Icarga (Lrede 1,5mH) Icarga (Lrede 2,5mH) Icarga (Lrede 3,5mH)

Figura 32: Efeito da variação de Lrede para 1,5mH, 2,5mH e 3,5mH para as formas de onda de tens ão e corrente.

(50)

2.4 An ´alise do sistema em malha aberta 48 Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Corrente [pu] -1 -0.5 0 0.5 1

Variação dos parametros da rede

Ifiltro (Lrede 1,5mH) Ifiltro (Lrede 2,5mH) Ifiltro (Lrede 3,5mH) Tempo [ms] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Corrente [pu] -1 -0.5 0 0.5 1 Irede (Lrede 1,5mH) Irede (Lrede 2,5mH) Irede (Lrede 3,5mH)

Figura 33: Efeito da variac¸˜ao de Lrede para 1,5mH, 2,5mH e 3,5mH para as formas de onda de corrente.

2.4.7 Variac¸ ˜ao da carga local

Tamb ém é interessante analisar como a variaç ão da carga local afeta o sistema. Para isso foi feita uma variaç ão entre: 1500 W, 2200 W e 2800 W para 127 Vrms, com o barramento CC em sua tens ão nominal de 220 V e conectado em fase a

rede el ´etrica. O circuito utilizado para isso pode ser verificado na figura 34.

L

rede

V

rede

Z

L

1

C

1

L

Figura 34: Circuito utilizado para an álise da variaç ão da carga local. Fonte: Autoria pr ópria

A partir do resultado apresentado na figura 35 pode-se concluir que uma variaç ão de 32 % da carga local pouco altera as caracter´ısticas do sistema onde a forma de onda da tens ão praticamente n ão muda e as correntes apenas alteram suas amplitudes de forma proporcional, o que já é esperado.