Modelagem e controle do conversor Dual Active Bridge (DAB) aplicado ao gerenciamento da entrega de energia de um banco de baterias

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA. Leonardo Lima Carvalho. MODELAGEM E CONTROLE DO CONVERSOR DUAL ACTIVE BRIDGE (DAB) APLICADO AO GERENCIAMENTO DA ENTREGA DE ENERGIA DE UM BANCO DE BATERIAS. Santa Maria, RS 2019.

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(3) Leonardo Lima Carvalho. MODELAGEM E CONTROLE DO CONVERSOR DUAL ACTIVE BRIDGE (DAB) APLICADO AO GERENCIAMENTO DA ENTREGA DE ENERGIA DE UM BANCO DE BATERIAS. 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-RS), como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.. Orientador: Prof. Dr. Luciano Schuch Coorientador: Prof. Dr. Leandro Roggia. Santa Maria, RS 2019.

(4) Ficha catalográfica elaborada através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Central da UFSM, com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).. Carvalho, Leonardo Lima Modelagem e Controle do Conversor Dual Active Bridge (DAB) Aplicado ao Gerenciamento da Entrega de Energia de um Banco de Baterias / Leonardo Lima Carvalho - 2019 124 p.; 30 cm Orientador: Luciano Schuch Coorientador: Leandro Roggia Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, RS, 2019 1. Engenharia elétrica 2. Eletrônica de potência 3. Banco de baterias 4. Conversores CC-CC 5. Processamento parcial de energia I. Schuch, Luciano II. Roggia, Leandro III. Título.. c 2019. Todos os direitos autorais reservados a Leonardo Lima Carvalho. A reprodução de partes ou do todo deste trabalho só poderá ser feita com autorização por escrito do autor. Endereço: Rua Otávio Binato, No 20, Ap 301 Bairro Centro, Santa Maria, RS, Brasil, CEP: 97010-360; Endereço Eletrônico: leonardo.carvalho@ecomp.ufsm.br.

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(7) Dedicado à Deus e a família.

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(9) AGRADECIMENTOS. A vida é cheia de etapas e o caminho percorrido traz amadurecimento para os que observam atentamente o que acontece não só ao seu redor mas sim ao todo, e para uma pessoa tornar-se de valor ético e moral a educação deve ser primordial. Dedico tudo que sei e tudo que aprendi aos meus pais, Odon Carvalho e Maria J. Carvalho pois foram eles que sempre apoiaram e incentivaram as decisões e o estudo. Agradeço a Deus por proporcionar-me a família e ao meu irmão Fernando Carvalho, amigo, companheiro que também é incentivador da aprendizagem e cultura. A minha namorada Kaciusse Lourenço, que durante 9 anos esteve sempre presente, mantendo a paciência e apoiando nos momentos difíceis. Ao orientador Professor Dr. Luciano Schuch por ter concedido a oportunidade e acreditar no meu potencial. Agradeço pelo conhecimento transmitido durante o período de orientação de dissertação. Ao coorientador Professor Dr. Leandro Roggia que esteve sempre disposto a complementar o desenvolvimento do projeto, agregando valor ao trabalho com suas exemplares contribuições. Em agradecimento especial ao Doutorando Pablo Costa que desde o princípio fez-se disposto a contribuir para a realização desse trabalho transmitindo valioso conhecimento técnico. Sou grato pelo acolhimento de todos os colegas do Gepoc, em especial aos amigos Carlos Antônio de Souza, Junior Romani e Mateus Tiburski, que estavam presentes desde o início do Mestrado. Todos os membros do grupo merecem sucesso, pois são pessoas exemplares que conseguem produzir conteúdo científico de grande importância para a ciência e tecnologia. A todos os professores membros do PPGEE diariamente presentes transmitindo conhecimento e trocando experiências. Meu muito obrigado. A Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), pela excelência em ensino, ao Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC) dispondo de recursos para desenvolvimento de projetos, também a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo apoio financeiro..

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(11) “Nunca deixe que lhe digam que não vale a pena acreditar no sonho que se tem, que seus planos nunca vão dar certo, que você nunca vai ser alguém.” Renato Russo. “São fúteis e cheias de erros as ciências que não nasceram da experimentação.” Leonardo da Vinci.

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(13) RESUMO. MODELAGEM E CONTROLE DO CONVERSOR DUAL ACTIVE BRIDGE (DAB) APLICADO AO GERENCIAMENTO DA ENTREGA DE ENERGIA DE UM BANCO DE BATERIAS Autor: Leonardo Lima Carvalho Orientador: Luciano Schuch Coorientador: Leandro Roggia. Este trabalho tem por objetivo projetar e analisar um sistema capaz de drenar a energia armazenada em bancos baterias, ou ESS (do inglês, Energy Store System), suprindo a demanda de um barramento que emula o Sistema Elétrico de Potência (SEP), a partir da utilização do conversor CC-CC bidirecional Dual Active Bridge (DAB). Para motivação ao estudo de caso é realizado o levantamento da matriz energética com ênfase na geração de energia elétrica a partir da inserção de fontes de energias renováveis, veículos elétricos, smart grids conectado ao SEP existente, com o emprego de conversores CC-CC para gerenciar a energia entre esses e o ESS. No estudo do conversor DAB são analisadas as principais características no processo do fluxo reverso, como o sentido das correntes que circulam no circuito durante as etapas de operação. A partir do modelo médio linearizado para pequenos sinais que representa o conversor, considerando a adição de um filtro indutivo, serão analisadas as respostas no domínio da frequência das funções de transferências em malha aberta para atribuir em cada planta os compensadores de acordo com especificações do projeto. Dois controles distintos são aplicados, um para manter a tensão constante no barramento CC e outro para manter a corrente de descarga das baterias constante, sendo atribuído aos controladores respostas dinâmicas de lenta atuação a qualquer distúrbio, uma vez que a dinâmica de entrega de energia pelas baterias é considerada lenta. Para resultados experimentais, inicialmente é conectada uma fonte de tensão CC capaz de emular os mesmos níveis de energia que o banco de baterias fornece, então conecta-se ao conversor DAB um arranjo de cargas resistivas de 320 Ω que impõe a potência de 500 W no barramento CC. São obtidos os resultados em malha aberta para comprovação do funcionamento do conversor, logo após são fechadas as malhas e aplicados distúrbios na referência e na carga. Por fim, o banco de baterias é conectado e a descarga total é feita, no primeiro momento aplicando o controle mantendo a tensão constante no barramento CC e no segundo mantendo a corrente de descarga constante. Diante dessas características, são apresentados todos os resultados durante o processo de descarga das baterias.. Palavras-chave: Conversor Dual Active Bridge, Descarga de baterias, Modelo e controle do DAB..

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(15) ABSTRACT. MODELING AND CONTROL OF THE DUAL ACTIVE BRIDGE (DAB) CONVERTER APPLIED TO THE MANAGEMENT OF THE ENERGY DELIVERY OF A BATTERY BANK Author: Leonardo Lima Carvalho Advisor: Luciano Schuch Coadvisor: Leandro Roggia. This work aims to design and analyze a system capable of draining the energy stored in battery bank, or ESS (Energy Store System), supplying the demand for a bus that emulates the electric power system, from of the Dual Active Bridge (DAB) DC-DC converter. To motivate the of the case study a survey of the energy matrix for power generation is carried out, with emphasis on electric energy from the insertion of renewable energy sources, electric vehicles, smart grids connecting them to the existing system, with the use of DC-DC converters to manage the energy between them and the ESS. In the study the DAB converter the main characteristics in the backward flow process are analyzed, such as the direction of the circulating current in the circuit during the operation stages. From the average model for small signals that represents the converter, considering the addition of an inductive filter, will analyze the frequency domain responses of the open-loop transfer functions functions to assign in each plan the compensators according to project specifications. Two distinct controls are applied, one to maintain the constant voltage on the DC bus and other to keep the batteries discharge current constant, being attributed to the compensators slow response to any disturbance since the dynamics of energy delivery by the batteries is considered slow. For experimental results, initially a DC voltage source capable of emulating the same energy levels as the battery pack is connected provides, then a resistive load arrangement of 320 Ω is connected to the DAB converter, which imposes 500 W of power on the DC bus. The results are obtained in open loop to validate the operation of the converter, soon after, the loops are closed and then applied disturbances in the reference and in the load. Finally, the battery bank is connected and the total discharge is made, first applying the control keeping the voltage constant in the DC bus and in the second keeping the discharge current constant. In view of these characteristics, all results are presented during the discharge process of the batteries.. Keywords: Dual Active Bridge converter, Discharge of batteries, Model and control of DAB..

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(17) LISTA DE FIGURAS. Figura Figura Figura Figura Figura Figura. Matriz energética global para geração de energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Consumo global de energia por fontes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Consumo global de energia elétrica por setor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geração de energia elétrica por fonte no Brasil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Expansão das fontes já existentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicação de conversor para adequação de níveis de energia, (a) sistema com transformador; (b) sistema com conversor bidirecional. . . . . . Sistema híbrido para geração de energia elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema híbrido conectado à rede elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esquema simplificado vehicle-to-grid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparativo entre bateria e supercapacitor no modo descarga. . . . . . . . Estrutura proposta para controle do fluxo reverso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estrutura padrão de conversor bidirecional CC-CC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor Dual Half-bridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simplificação do conversor Dual Half Bridge, (a) circuito equivalente; (b) principais formas de onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor Half-bridge/Push-pull. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversor Full-bridge/Push-pull modificado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30 31 32 33 33. Figura 2.6 – Conversor Ćuk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.7 – Conversor clássico Dual Active Bridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.8 – Esquemático do sistema capaz de realizar processamento de energia bidirecional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.9 – Arranjos de baterias, (a) série; (b) paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.10 – Bateria/célula eletroquímica, (a) processo de descarga; (b) processo de Carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.11 – Representação da curva de tensão durante a descarga da bateria. . . . . . Figura 2.12 – Modelo elétrico simples de bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.13 – Variação do modelo elétrico simples de bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.14 – Modelo elétrico Thevenin de bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.15 – Variação do modelo elétrico Thevenin de bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.16 – Modelo elétrico de bateria baseado na impedância. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.17 – Modelo elétrico Battery para descarga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.18 – Curva característica da bateria durante a descarga, (a) duração da carga para diferentes correntes; (b) capacidade com diferentes taxas de descarga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.19 – Curva característica durante a descarga da bateria para diferentes tecnologias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2.20 – Simulação de descarga da bateria no software PSIM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3.1 – Circuito elétrico para simulação da descarga da bateria. . . . . . . . . . . . . . . . .. 50 51. Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 2.1 2.2 2.3. – – – – – – – – – – – – – –. Figura 2.4 – Figura 2.5 –. 34 36 37 38 39 41 46 47 48 48 49. 53 54 54 57 59 60 61 61 62 62. 64 64 65 68.

(18) Lista de Figuras. Figura 3.2 – Comparação dos sinais triangulares defasados para geração dos comandos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Figura 3.3 – Sinais para acionamento dos interruptores em um período. . . . . . . . . . . . . 69 Figura 3.4 – Conversor DAB com filtro Lbat para descarga de baterias. . . . . . . . . . . . . . . 71 Figura 3.5 – Primeiro momento da etapa 1 no processo de descarga da bateria. . . . . 72 Figura 3.6 – Segundo momento da etapa 1 no processo de descarga da bateria. . . . . 72 Figura 3.7 – Etapa 2 no processo de descarga da bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Figura 3.8 – Primeiro momento da etapa 3 no processo de descarga da bateria. . . . . 74 Figura 3.9 – Segundo momento da etapa 3 no processo de descarga da bateria. . . . . 74 Figura 3.10 – Etapa 4 no processo de descarga da bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Figura 3.11 – Principais formas de onda do conversor DAB no processo de descarga da bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Figura 3.12 – Regiões de operação ZVS com phase-shift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Figura 3.13 – Circuito elétrico do DAB com sensoreamento de sinais simulado no PSIM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Figura 3.14 – Simulação do circuito elétrico do DAB operando em malha aberta. . . . 83 Figura 4.1 – Circuito equivalente linearizado para pequenos sinais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Figura 4.2 – Degrau na referência da tensão, -20 % em t = 0,03 s e 25 % em t = 0,05 s. 90 Figura 4.3 – Degrau de -20 % no angulo de defasagem δ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Figura 4.4 – Degrau de -20 % na referência da corrente Ibat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Figura 4.5 – Degrau de -30 % no ângulo de defasagem δ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Figura 4.6 – Estrutura do sistema simplificado para o controle de descarga de baterias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Figura 4.7 – Resposta em frequência da FTMA da tensão Vcc analisando diferentes ângulos δ de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Figura 4.8 – Resposta em frequência da FTMA da corrente Ibat analisando diferentes ângulos δ de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Figura 4.9 – Conversão entre os planos s, z e w de acordo com a transformada bilinear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Figura 4.10 – Diagrama de blocos para projeto do sistema de controle . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Figura 4.11 – Diagrama de blocos simplificado para projeto do sistema de controle de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Figura 4.12 – Resposta em frequência da FTMF da tensão Vcc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Figura 4.13 – Diagrama de blocos simplificado para projeto do sistema de controle de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Figura 4.14 – Resposta em frequência da FTMF da corrente Ibat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Figura 4.15 – Resposta da simulação em malha fechada do conversor DAB no software PSIM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Figura 5.1 – Estrutura física do conversor DAB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Figura 5.2 – Banco de baterias estacionárias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Figura 5.3 – Carga resistiva nominal Rcc = 320 Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107.

(19) Lista de Figuras. Figura 5.4 – Carga resistiva do degrau Rcc(eq) = 240 Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Figura 5.5 – Resultado em malha aberta da tensão no barramento (Vcc ) Ch4 : 50 V/div, corrente no indutor auxiliar de dispersão (ILdab ) Ch3 : 2,5 A/div, ângulo de fase e tensão entre coletor e emissor nos interruptores do lado primário (VCEprim ) Ch2 : 250 V/div e secundário (VCEsec ) Ch1 : 25 V/div do transformador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Figura 5.6 – Resultado em malha aberta da corrente (Ibat ) Ch3 : 2,5 A/div, ângulo de fase e tensão no terminal primário do transformador (Vprim ) Ch2 : 250 V/div e tensão no terminal secundário (Vsec ) Ch1 : 25 V/div do transformador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Figura 5.7 – Resposta em malha fechada ao degrau de referência Vcc∗ da tensão no barramento Vcc : (a) Valor de leitura inicial e (b) Valor de leitura final. 110 Figura 5.8 – Resposta em malha fechada ao degrau de carga Rcc(eq) = 240 Ω do barramento. Vcc : (1) Valor de leitura inicial e (2) Valor de leitura final. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Figura 5.9 – Resposta em malha fechada ao degrau na referência de corrente ∗ Ibat = 10 A. Ibat (a): valor de leitura inicial e Ibat (b): valor de leitura final. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Figura 5.10 – Resultado da descarga do banco de baterias com controle de tensão constante no barramento Vcc = 400 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Figura 5.11 – Resultado da descarga do banco de baterias com controle de corrente constante no banco de baterias Ibat = 11 A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.

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(21) LISTA DE TABELAS. Tabela 2.1 – Comparativo estrutural construtivo entre as topologias apresentadas. 52 Tabela 3.1 – Parâmetros de funcionamento do conversor DAB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.

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(23) LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS. Ah. Ampère-hora. CA. Corrente Alternada. CC. Corrente Contínua. CC-CC. Corrente Contínua para Corrente Contínua. DAB. Dual Active Bridge. EPE. Empresa de Pesquisa Energética. FT. Função de Transferência. fa. Frequência de amostragem. FTMA. Função de Transferência em Malha Aberta. FTMF. Função de Transferência em Malha Fechada. IEA. International Energy Agency. IGBT. Insulated Gate Bipolar Transistor. kW. Quilowatt. MOSFET. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. MWh. Megawatt-hora. PI. Proporcional Integral. PIB. Produto Interno Bruto. Pmed. Potência média. PS. Phase Shift. PWM. Pulse Width Modulation. SC. Supercapacitores. SEP. Sistema Elétrico de Potência. SoC. State of Charge. Ta. Período de amostragem. TWh. Terawatt-hora. UPS. Uninterruptable Power Supply. V2G. Veicle-to-Grid. VE. Veículos Elétricos. Wh. Watt-hora. ZOH. Zero Order Hold. ZVS. Zero Voltage Switching.

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(25) LISTA DE SÍMBOLOS. δ. Ângulo de defasagem. Φ. Ângulo nominal de linearização. ω. Frequência angular. ωs. Frequência angular de comutação. ωt. Frequência angular no tempo. Cbus. Capacitor de barramento. Cbat. Capacitor de barramento no secundário do transformador. Ccc. Capacitor de barramento no primário do transformador. Dp1 à Dp4. Diodos no primário do transformador. Ds1 à Ds4. Diodos no secundário do transformador. fs. Frequência de comutação. I1. Corrente de entrada do DAB. I2. Corrente de saída do DAB. Ibat. Corrente de descarga da bateria. ILdab. Corrente no indutor auxiliar de dispersão. Lbat. Indutor de filtro. Ldab. Indutor auxiliar de dispersão. M. Relação de conversão para condição de ZVS. n. Relação entre o número de espiras do transformador. Np. Número de espiras no primário do transformador. Ns. Número de espiras no secundário do transformador. Sp1 à Sp4. Interruptores no primário do transformador. Ss1 à Ss4. Interruptores no secundário do transformador. Ts. Período de comutação. Vbat. Tensão do banco de baterias. Vcc. Tensão do barramento CC. VCutoff. Tensão de corte da bateria. Vflu. Tensão de flutuação da bateria. Vprim. Tensão no primário do transformador. Vsec. Tensão no secundário do transformador.

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(27) SUMÁRIO. 1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.1 PANORAMA ENERGÉTICO GLOBAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.1.1 Panorama energético brasileiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.2 APLICAÇÃO DE CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.2.1 Fontes renováveis de geração de energia elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.2.2 Sistema híbrido de energia conectado à rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.2.3 Veículos elétricos conectados à rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.3 UNIDADES DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.4 OBJETIVO E CONTRIBUIÇÃO DA DISSERTAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.1 CONVERSORES CC-CC BIDIRECIONAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2 BATERIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.2.1 Bateria de Chumbo-Ácido (PbA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.2.1.1 Baterias automotivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2.1.2 Baterias estacionárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2.2 Bateria de Lítio-Íon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3 MODELOS DE BATERIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.3.1 Modelos eletroquímicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.3.2 Modelos analíticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.3.3 Modelos elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.3.3.1 Modelo simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.3.3.2 Modelo Thevenin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.3.3.3 Modelo baseado na impedância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.3.3.4 Modelo Battery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.4 COMPORTAMENTO NÃO-LINEAR NA DESCARGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.4.1 SIMULAÇÃO DO MODELO DE BATERIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.5 CONCLUSÕES DO CAPÍTULO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3 ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO DO CONVERSOR DUAL ACTIVE BRIDGE (DAB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.1 OPERAÇÃO DO CIRCUITO PROPOSTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.1.1 Etapas de operação durante a descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.1.1.1 Etapa 1 (0 ≤ ωt ≤ δ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.1.1.2 Etapa 2 (δ ≤ ωt ≤ π) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.

(28) Sumário. 3.1.1.3 Etapa 3 (π ≤ ωt ≤ π+δ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.1.1.4 Etapa 4 (π+δ ≤ ωt ≤ 2π) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.1.2 Transferência do fluxo de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.2 PROJETO DO CIRCUITO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.2.1 Relação de conversão do transformador de alta frequência . . . . . . 78 3.2.2 Indutor auxiliar Ldab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.2.3 Indutor de filtro Lbat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.2.4 Capacitores de barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.3 SIMULAÇÃO DO CONVERSOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.4 CONCLUSÕES DO CAPÍTULO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4 MODELAGEM E CONTROLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.1 MODELO POR VALOR MÉDIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.2 SIMULAÇÃO DOS MODELOS OBTIDOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.2.1 Simulação do modelo de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.2.2 Simulação do modelo de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3 SISTEMA DE CONTROLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.3.1 Projeto do sistema de controle digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.3.2 Controlador da tensão no barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.3.3 Controlador da corrente de descarga da bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.4 VALIDAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.5 CONCLUSÕES DO CAPÍTULO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5 ESTUDO DE CASO EXPERIMENTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.1 ELABORAÇÃO DO SISTEMA COM O CONVERSOR DAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.2 RESULTADOS EXPERIMENTAIS EM MALHA ABERTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3 RESULTADO EXPERIMENTAL PARA CONTROLE DA TENSÃO NO BARRAMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.4 RESULTADO EXPERIMENTAL PARA CONTROLE DA CORRENTE DRENADA DA BATERIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.5 RESULTADO EXPERIMENTAL CONECTADO AO BANCO DE BATERIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.5.1 Resultado experimental conectado ao banco de baterias - Controle de tensão Vcc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.5.2 Resultado experimental conectado ao banco de baterias - Controle de corrente Ibat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.6 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.1 PUBLICAÇÃO REALIZADA EM CONGRESSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116.

(29) Sumário. 6.2 SUGESTÕES PARA INVESTIGAÇÕES FUTURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119.

(30)

(31) 1. INTRODUÇÃO. Algumas mudanças corriqueiras no decorrer dos anos fez com que surgissem novas tecnologias no meio de transporte, substituindo parcialmente as que utilizam a energia a partir do motor a combustão interna pela energia elétrica para o funcionamento dos motores elétricos nos veículos de transporte. O motivo principal que levou à essa tendência é a emissão de gases poluentes na atmosfera que a longo prazo poderia causar danos irreversíveis ao meio ambiente. A demanda da utilização de energia da rede elétrica pode tomar proporções que para os anos seguintes estão sendo utilizados novos meios para compensar picos de consumo da rede convencional. A partir da contribuição para geração de energia proveniente de fontes alternativas como fontes de energias renováveis, é aproveitado o recurso solar e eólico, e em escalas maiores outros geradores já instalados. Pode-se agregar como ideia principal do trabalho a entrega de energia para compensação na rede elétrica a partir de bancos de baterias ou baterias utilizadas nos veículos elétricos (VEs). Outro fator relevante é a economia global desencadeada a partir de recursos energéticos primários que cada país possui, então algumas mudanças nos meios de geração, consumo e armazenamento de energia são brevemente analisadas a seguir.. 1.1 PANORAMA ENERGÉTICO GLOBAL. O cenário energético mundial é preocupante devido aos modelos de geração de energia, os quais na maioria utilizam combustíveis fósseis como fonte de geração de energia, onde, setores como indústria e transportes ainda dependem fortemente do gás, carvão e petróleo segundo IEA, (do inglês International Energy Agency) (AGENCY, 2018). Com o apelo das campanhas mundiais de conscientização à favor da preservação do meio ambiente, tendo o petróleo como forte representante pela queima dos combustíveis fósseis, a sua parcela de utilização comparada com outros recursos do ano de 1971 até 2018 foi reduzida, mesmo assim continua sendo a fonte de energia primária mais utilizada ocupando 31,9 % do total, seguido do carvão (27,1 %) e gás natural (22,1 %) (AGENCY, 2018). É possível observar na Figura 1.1 a inserção do índice “Outros” recursos na matriz energética do ano de 2018 que corresponde à estimativa de 1,6 % referente a crescente inserção e utilização das fontes de energia renovável como: geotérmica, solar, eólica, biomassa entre outras. Visto que as principais fontes de energia primária não são renováveis, sabe-se que em um futuro próximo irão haver mudanças nesse cenário da matriz energética mundial e como consequência, transformações estruturais para geração de energia a partir de outras fontes..

(32) 30. 1 Introdução. os. Figura 1.1 – Matriz energética global para geração de energia. 2017. 1971 2% 1%. 16%. 9,8%. 11%. 1,6% 27,1%. 2,5% 4,9%. 26%. 22,1%. 44% 31,9%. 13700 Mtoe. 5523 Mtoe Carvão. Petróleo. Gás Natural. Nuclear. Hídrica. Biomassa. Outros. Fonte: (AGENCY, 2018).. O motivo de haver maior produção é a demanda de consumo, visto que houveram mudanças na matriz energética global no decorrer dos anos, Figura 1.2, enquanto houve diminuição da parcela de utilização do petróleo pelo fato ter aumentado a de energias renováveis em diversos setores, a porcentagem do consumo da energia elétrica dobrou enquanto outras fontes de energias mantiveram-se dentro da média de consumo durante o período. O crescimento populacional ao longo desse período teve como consequência a necessidade da utilização de energia para suprir a demanda das residências, escritórios, escolas, indústrias, entre outros. Sabe-se que a porcentagem de petróleo utilizada para a produção de energia elétrica é extremamente baixa, mesmo assim, o petróleo é a maior fonte primária utilizada, pois a partir desse recurso são produzidos seus derivados, onde o setor de transporte é o principal consumidor. A preocupação das organizações responsáveis pelo meio ambiente é bastante visível tendo avaliado a situação das fontes de energias primárias que são as que mais atingem a atmosfera com gases poluentes durante a queima de combustíveis fósseis para produção de energia. Estes gases são causadores do fenômeno de efeito estufa, pois eles absorvem a radiação infravermelha emitida pela superfície da terra e consequentemente o aumento da temperatura na atmosfera. Além da conscientização para redução do consumo de energia a partir de fontes que utilizam a queima de combustíveis para obtenção do produto, há um grande incentivo para a produção de energia a partir de recursos não poluentes, onde é possível fazer uma verdadeira mudança na matriz da energia elétrica, segunda maior energia consumida.. Ca.

(33) 44% 31,9% 1,5%. Carvão. Petróleo. 1 Introdução. Gás Natural. Nuclear. Hídrica. Biomassa. Outros. 31. Outros. Figura 1.2 – Consumo global de energia por fontes. 2017. 1973 12,2%. 9,4%. 13,1%. 18,1%. 1,7% 13,5% 14%. 15,1%. 3,3%. 11,4%. 39,9%. 48,3%. 4600 Mtoe Carvão. Petróleo. 9400 Mtoe Gás Natural. Eletricidade. Biomassa. Outros. Fonte: (AGENCY, 2018).. Uma pesquisa realizada no Brasil sobre o principal recurso da matriz energética segundo Brasil (2008), para o Plano Nacional de Energia de 2030 realizado pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), mostra que o petróleo não é o principal recurso utilizado para a geração de energia elétrica, a não ser os países em que não há outras alternativas significativas de geração para atender os requisitos de consumo de energia elétrica do seu país. O consumo global de energia elétrica, Figura 1.2, apresenta uma pequena proporção que pode ser gerada através de fontes renováveis ou não, teve uma inversão entre os setores que mais consumiam energia entre os anos de 1973 até 2018, apresentado na Figura 1.3, onde o aumento do consumo de energia residencial, no setor público, entre outros ocuparam 56 % do total (AGENCY, 2018). Apesar da projeção no setor de transporte ter apresentado uma diminuição do índice utilizando a energia elétrica, esses dados irão aumentar no decorrer das próximas avaliações por consequência do incentivo dos governos para aumentar a utilização de transporte que utilizem veículos elétricos, assim aumentando a proporção de energia elétrica no setor de transporte..

(34) 44% 31,9%. 32. Carvão. Petróleo. Gás Natural. Nuclear. Hidráulica. 1 Introdução. Biomassa. Outros. Ca. Figura 1.3 – Consumo global de energia elétrica por setor. 2018. 1973. 21% 44,2%. 42,5%. 56%. 53,4%. 31% 1,5%. 2,4%. Indústria. Transporte. Outros. Fonte: (AGENCY, 2018).. Ao final de cada ano, os dados do cenário global de geração de energia elétrica estarão modificados, pela crescente inserção de fontes alternativas de geração de energia como eólica, solar, biomassa e hidroelétrica, para poder dar suporte demandados pelos programas de incentivos para utilização de veículos elétricos (USA PLUG-IN VEHICLE, 2016).. 1.1.1. Panorama energético brasileiro. O Brasil é um país que possui uma grande diversidade energética, frente aos outros países seu território contém uma biodiversidade capaz de produzir energia através de várias fontes, muitas delas renováveis. A produção de energia elétrica no Brasil em 2017 segundo balanço nacional de energia teve diminuição de produção em relação ao ano anterior devido à redução da produção industrial e à crise econômica, pois o crescimento e o aumento da demanda estão diretamente relacionados com a produção de energia (EPE, 2018). De acordo com a matriz apresentada na Figura 1.4 percebe-se que a fonte predominante é hídrica (65,2 %) de um total de 581,5 TWh produzidos, ou seja, 80,3 % é proveniente de fontes renováveis para o consumo final de 522,8 TWh e ainda há plano de potencializar a matriz energética elétrica do Brasil..

(35) 44% 31,9% 1,5%. 1 Introdução. Carvão. Petróleo. Gás Natural. Nuclear. Hidráulica. Biomassa. 33. Outros. Outros. Figura 1.4 – Geração de energia elétrica por fonte no Brasil.. 3% 2,5% 3,6%. 10,5%. Carvão. 0,1% 6,8%. Hidríca. 21%. Biomassa Eólica. 8,2%. Solar 2018. 1971 16%. 2% 1%. 9,8%. 11%. Gás Natural Petróleo. 1,6%. 2,5% 65,2% 4,9%. 27,1% Nuclear. 42,5%. 26%. Fonte: (EPE, 2018).. 22,1%. 44%. 1,5%. Outros. 31,9% da capacidade Os dados levantados no ano de 2017 não implicam na estagnação total de produção de energia para os anos seguintes, ainda na Figura 1.5 é apresentada Gás Natural Biomassa deOutros as futurasCarvão projeçõesPetróleo que mostram expressivo Nuclear avanço noHídrica setor de produção energia a partir de fontes renováveis.. Figura 1.5 – Expansão das fontes já existentes.. 13,2%. 11,8%. 0,1%. 39,5%. Não renovável. Fonte: (EPE, 2018).. 35,4%. Hídrica. Eólica. Solar. Biomassa. 31%.

(36) 34. 1 Introdução. O levantamento da capacidade instalada para produção de energia elétrica no Brasil atingiu o total de 140.858 MWh sendo que a utilização de usinas eólicas tem um aumento mais significativo segundo perspectivas futuras. O breve estudo dos valores energéticos globais não implicam em uma estagnação na geração e consumo de energia elétrica, visto que ainda haverão mudanças significativas nas matrizes citadas anteriormente.. 1.2 APLICAÇÃO DE CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL. Há vários empreendimentos que necessitam de algum sistema de backup de energia para não haver a interrupção no funcionamento devido a rede estar inoperante, onde destacam-se equipamentos hospitalares, centrais telefônicas, sistemas com atualização em tempo real, que nesses casos obrigatoriamente devem ter um sistema com energia armazenada para atender os equipamentos, conforme Figura 1.6. Figura 1.6 – Aplicação de conversor para adequação de níveis de energia, (a) sistema com transformador; (b) sistema com conversor bidirecional. Barramento. Rede. Carga. CC Transformador. Transformador Baterias (a) Barramento. Rede. Carga. CC Retificador. Inversor. Conversor. Bidirecional. Baterias (b) Fonte: Autor.. Na aplicação da Figura 1.6 (a) o sistema convencional dispõe de um transformador para adequar os níveis de energia entre a rede e a entrada do retificador, mantendo a tensão do barramento CC no mesmo valor das baterias. O segundo transformador é alocado entre o inversor e a carga, adequando a tensão do barramento CC ao nível da carga. Nesta topologia os dois transformadores de baixa frequência conseguem isolar os barramentos entre rede e baterias, assim como baterias e carga. Na proposta da Figura 1.6 (b) os.

(37) 1 Introdução. 35. transformadores são eliminados e adicionado apenas um conversor CC-CC bidirecional utilizado para adequar os níveis de tensão entre o barramento CC e as baterias, o qual dispõe de um único transformador isolado intrínseco na sua topologia. Em ambas as estruturas na falta de energia da rede as baterias terão de suprir a demanda da carga. Fontes oriundas de energia renovável como sistema fotovoltaico, eólico, hídrico, entre outros que tem característica de fontes intermitentes podem ser sistemas isolados ou não, todos juntos formando um sistema híbrido, agregando unidades de armazenamento de energia com banco de capacitores ou banco de baterias. Esses sistemas geralmente são instalados em lugares remotos, ou seja, onde a capacidade ou inviabilidade de instalação da rede elétrica não está disponível para esse local ou determinada região que necessita de energia para alimentar suas cargas, assim, a estrutura deve ser projetada para durar horas ou até mesmo dias suprindo a demanda de energia das cargas locais. Diversos tipos de sistemas geradores de energia podem ser interconectados entre si, utilizando conversores CC-CC é possível manter todos os barramentos no mesmo nível de tensão, uma vez que diferentes fontes podem ter capacidade de energia distintas. Outro seguimento onde os conversores bidirecionais são largamente utilizados é no setor automotivo, o qual vem se desenvolvendo e crescendo ao longo dos últimos anos. A inserção de veículos elétricos no mercado automobilístico tem grande impacto na matriz energética de cada país, pois esses VEs utilizam energia elétrica para fazer a carga das baterias e por ter característica de fluxo bidirecional de energia, a utilização das baterias torna-se usual também para suprir demandas de energia requisitadas pela rede, disponível em sistemas com gerenciamento do fluxo de energia da bateria do VE para a rede elétrica. A seguir será apresentado um breve estudo sobre a utilização de conversores bidirecionais nas aplicações especificadas anteriormente.. 1.2.1. Fontes renováveis de geração de energia elétrica. No cenário atual da geração de energia elétrica estão sendo estudadas e aplicadas diversas formas de geração de energia alternativa, algumas dessas se destacam pelo modo de como são geradas, com conceito de energia renovável elas ganham maior força e incentivo. Quando um sistema interliga diversas fontes de energias em banco de baterias, também conhecido como sistema híbrido para atender as demandas de cargas, pode ser aplicado à configuração apresentada na Figura 1.7. Com essa estrutura em um dado momento o banco de baterias está sendo carregado pelas fontes renováveis, mas quando há falta do recurso primário e as cargas devem ser mantidas alimentadas, as baterias deverão compensar a demanda através do barramento CC. Este sistema quando não conectado a rede elétrica, sistema ilhado, deve ser projetado para atender a demanda total de cargas, sendo que a única fonte de energia provem de dois ou mais recursos de energia alterna-.

(38) 36. 1 Introdução. tiva. Esse tipo de estrutura geralmente é implantada em áreas de difícil acesso de redes elétricas fornecidas por alguma concessionária de energia, considerados lugares remotos e de inviável acesso que tornam as linhas de transmissão muito longas . Figura 1.7 – Sistema híbrido para geração de energia elétrica. Fotovoltaico. Eólico. Célula Combustível. Barramento CC. Cargas. Bateria Conversor Bidirecional. Supercapcitor. Fonte: Autor.. Os bancos de baterias que irão atuar no sistema devem ser projetados de acordo com a necessidade de suprir a potência das cargas conectadas à ele, tipicamente as baterias utilizadas encontram-se em arranjos considerados de baixa tensão 12 V, 24 V, 36 V e 48 V (GALE; DEGNER, 2002). A integração do sistema de potência deve ser adequada ao nível de energia a ser processada pelo conversor bidirecional CC-CC, ou seja, a conexão entre a saída do conversor e a entrada do banco de baterias deverá ser controlada.. 1.2.2. Sistema híbrido de energia conectado à rede. O sistema híbrido conectado a baterias é considerado não ilhado quando está conectado à rede elétrica, podendo haver fluxo bidirecional de energia alternando entre modo carga e descarga do banco de baterias (ZHU et al., 2015). Analogamente apresentado na Figura 1.7 podem ser conectadas outras fontes ao mesmo conversor para reduzir o volume e custos do sistema (GUO et al., 2016). Na configuração apresentada na Figura 1.8 o sistema híbrido interliga as fontes de energia, o gerador a combustão, o banco de baterias, o sistema eólico, o sistema fotovoltaico e a rede. Nesta estrutura é indispensável a utilização de um sistema de monitoramento, pois as cargas injetadas pelas diferentes fontes geralmente não possuem as mesmas características, sendo assim deve ter um controle de.

(39) 37. 1 Introdução. condicionamento de todas as fontes para que o sistema seja eficiente no fornecimento das energias. Algumas das configurações de sistema híbrido não apresentam elementos para armazenar energia, apenas entregam a energia diretamente a rede elétrica, entretanto nesse tipo de configuração as cargas ficam dependente da energia da rede e das fontes renováveis que geralmente são intermitentes. Figura 1.8 – Sistema híbrido conectado à rede elétrica. Solar Gerador. Eólico cc-cc/cc-ca. Banco de baterias Fonte: Autor.. A configuração apresentada é típica de um sistema híbrido, onde diversas fontes de energia estão conectadas em apenas um conversor bidirecional CC-CC com múltiplas portas de entrada que realiza a conversão e regulação de energia. Este sistema deve ser capaz de suprir a demanda das cargas conectadas e alimentar o banco de baterias. Quando houver flutuação de carga nas baterias elas poderão fornecer energia para a rede elétrica, se solicitado.. 1.2.3. Veículos elétricos conectados à rede. As baterias ou banco de capacitores que os veículos elétricos possuem não só fornecem energia para os VEs como também podem ser a solução para suprir cargas ou demandas de energia em horários de picos, mantendo a estabilidade do sistema elétrico (SWEENEY et al., 2017; KEMPTON; TOMIĆ, 2005). Veículos elétricos conectados à rede em média ou grande escala têm capacidade de alimentar grande parte da demanda de cargas, devolvendo a energia armazenada quando for necessário, essa bidirecionalidade de fluxo somente pode ser feita através de um conversor bidirecional controlado fazendo a gestão dos níveis de energia entre a rede e o VE. A conexão padrão para carga e descarga é do tipo plug-in como mostra a Figura 1.9..

(40) 38. 1 Introdução. O veículo conectado à rede é capaz de ora ser carga e ora ser fonte denominado configuração V2G (do inglês, vehicle-to-grid) (WANG; WANG, 2013). A estratégia de subutilizar a bateria para também suprir energia para rede vem sendo amplamente utilizada em países desenvolvidos, apenas adequando a infra-estrutura já instalada é possível fazer a comunicação do sistema (TABARI; YAZDANI, 2016). Figura 1.9 – Esquema simplificado vehicle-to-grid.. Veículo elétrico. Conexão Bidirecional. Medidor. Sistema elétrico de potência. Fonte: Adaptado de (FREEMAN; DRENNEN; WHITE, 2017).. A conexão dos veículos elétricos com a rede não fica somente dedicada a grandes estações de carga e descarga da bateria, esta manipulação pode ser feita em redes residenciais que possuem uma estrutura adequada onde possa ser feita a conexão, o gerenciamento e o controle do fluxo de energia suprindo também a própria demanda residencial (MAHMUD et al., 2017; MAHMUD; HOSSAIN; TOWN, 2018). Algumas vantagens além das relacionadas anteriormente, é a redução do valor da conta de energia elétrica a ser paga pelo usuário, pois o mesmo irá ocupar uma menor quantidade de carga em Wh da distribuidora, podendo até mesmo armazenar energia quando o valor da tarifa estiver baixo e fornecer a energia para a rede quando o valor estiver alto, estratégia abordada quando disponível o serviço de tarifação diferenciada (RADU; EREMIA; TOMA, 2017).. 1.3 UNIDADES DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA. Desde as primeiras unidades que armazenavam energia elétrica no século XVIII, as baterias ou pilhas são de suma importância para fornecer energia aos dispositivos eletrônicos. Com o passar dos anos as mudanças tecnológicas na fabricação desse nicho cresceu fortemente e junto a elas o armazenamento de energia foi tornando-se de maior.

(41) 39. 1 Introdução. capacidade e melhor qualidade. O crescente aumento da produção das baterias fez com que esses produtos fossem diminuindo o valor de comercialização e assim ficando mais acessível para ser utilizada em diversas aplicações na área elétrica. Outra unidade de armazenamento de energia são os supercapacitores (Capacitores Eletroquímicos de Dupla Camada - EDLC), que têm como características, tempo de vida útil elevado, armazenamento de altas densidades de potência e grande capacidade energética, pois sua resistência interna é bastante pequena permitindo altas corrente de cargas e descargas (YANG, 2018). Alguns estudos comprovam que os supercapacitores diante das baterias possuem atributos mais favoráveis (SVASTA; NEGROIU; VASILE, 2017), pois as baterias com poucos anos de utilização têm a duração dos ciclos de carga e descarga bastante degradados e o material químico utilizado na sua composição é bastante agressivo ao meio ambiente quando descartado de forma incorreta. Uma das desvantagens da utilização de supercapacitores para armazenamento, é que a tensão do arranjo conforme a tensão da aplicação no modo descarga diminui enquanto utilizando banco de baterias essa tensão é mantida constante por maior tempo durante a descarga (RAHIMPOUR; BAGHRAMIAN, 2017), como mostram as curvas apresentadas na Figura 1.10. Figura 1.10 – Comparativo entre bateria e supercapacitor no modo descarga.. Descarga. De. rga. r. ito. Ca. pac. a erc. rga. Sup. sca. Tensão (V). Carga Bateria Recarregável. I=constante Tempo (t) Fonte: Autor.. A escolha da unidade de armazenamento condiz com parâmetros do projeto do sistema, como demanda da carga, capacidade total de armazenamento, potência, entre outros. A forma que cada um entrega energia à rede é distinta. Ao utilizar supercapacitores o sistema terá uma melhor eficiência quando requisitado por uma demanda de maior potência com curto período de duração, já para sistemas que necessitam grande volume.

(42) 40. 1 Introdução. para armazenamento de energia, utiliza-se banco de baterias pois o custo agregado é mais baixo. As unidades que armazenam energia com transformação química do seu material interno, como as baterias de íons de lítio (Lítio-íon) e de chumbo-ácido (PbA) podem ter eficiência superior à 85 % (BUENO; BRANDÃO, 2016) com fluxo de energia bidirecional, podem ora ser acumuladores e ora ser fonte de energia. A capacidade da instalação e o tipo de sistema de armazenamento varia de acordo com requisitos do projeto, mas de qualquer forma é considerado essencial à integração de unidades de armazenamento ao sistema, pois além dos benefícios já mencionados, a utilização do mesmo pode ser capaz de estabilizar à rede suprindo picos de cargas e armazenar energia gerada por fontes em horários de baixo consumo.. 1.4 OBJETIVO E CONTRIBUIÇÃO DA DISSERTAÇÃO. O aumento desenfreado do preço pago pela energia elétrica nos últimos anos, a falta de preservação do meio ambiente com a queima de combustíveis fósseis para gerar energia, a introdução de veículos elétricos no mercado automobilístico, a crescente tecnologia dos sistemas de armazenamento de energia com redução de preço e a necessidade de armazenamento para utilização na falta de energia são alguns dos motivos que objetivaram o desenvolvimento desse trabalho. O estudo deste trabalho aborda um sistema com fluxo bidirecional de energia realizando à descarga de baterias com a utilização de um conversor bidirecional, analisando e aplicando dois métodos para o controle do fluxo de energia do banco de baterias para o barramento CC conectado ao primário do transformador. No primeiro momento é feito o controle para manter a tensão constante no barramento e no segundo, é para manter a corrente drenada das baterias constante, tendo o controle gerenciado pelo conversor Dual Active Bridge (DAB). Considerações específicas e comprometimento da aplicação: • Fluxo bidirecional com potência nominal de 500 W; • Avaliar o protótipo de baixa escala para validar a metodologia; • Tensão de entrada no arranjo das baterias pode variar entre 48 V à 54 V; • Controle da tensão de saída no barramento CC, fixa em 400 V; • Controle da corrente de descarga do banco de baterias para não degradar sua vida útil e manter o número máximo de ciclos conforme fabricante. Diante das necessidades a serem implementadas o trabalho apresentará as seguintes etapas:.

(43) 41. 1 Introdução. • Análise das etapas de operações do conversor DAB no modo descarga; • Obtenção do modelo matemático que rege a tensão no barramento CC e o modelo do comportamento da corrente de descarga da bateria; • Implementação e validação do algoritmo para fazer controle e gerenciamento dos modelos obtidos. Os modelos clássicos do conversor DAB apresentados em Doncker, Divan e Kheraluwala (1991) não levam em consideração a introdução de algum tipo de filtro acoplado a entrada ou saída do conversor, Marcelino (2017) propõem um conversor simétrico, ou seja, emprega-se o mesmo arranjo de filtro conectado nas extremidades de conexão no barramento CC do conversor DAB, com intuito de melhorar os sobressinais de corrente e/ou tensão na conexão com a rede. A proposta é fazer o processo de descarga de baterias, cuja a estrutura simplificada é apresentada na Figura 1.11, e tem por objetivo suprir a demanda do barramento de 400 V, neste trabalho é levado em consideração a inserção de um filtro indutivo Lbat disposto na saída do conversor DAB em série com as baterias, implantado em COSTA (2017), o qual é utilizado para redução de ondulações na corrente de carga e descarga das baterias. Será analisado o impacto da introdução do filtro na corrente de descarga e na tensão no barramento CC junto a suas respectivas análises. Figura 1.11 – Estrutura proposta para controle do fluxo reverso.. Fluxo de potência. 400 V. Conversor Bidirecional δ. δ Ação de Controle. Processador de Sinais Vref Fonte: Autor.. Iref. 50 V.

(44) 42. 1 Introdução. O sistema que será desenvolvido, representado pela Figura 1.11, apresenta a estrutura a ser utilizada para detecção da corrente e tensão, esses sinais serão analisados e tratados pelo processador digital gerando a ação de controle δ para atuar nos interruptores do conversor DAB. Os valores nominais de funcionamento e condicionamento dos sinais seguem conforme especificações do projetista.. 1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO. O estudo abordado nessa dissertação é realizado em 6 capítulos organizados da seguinte forma: No Capítulo 2 são apresentados os sistemas capazes de converter e adequar diferentes níveis de energias que possam ser gerados pelos diversos recursos conectados ao sistema elétrico ou não. Os conversores estáticos com isolação galvânica que tem característica bidirecional no fluxo de energia são os requeridos para serem utilizados em sistemas híbridos conectados a bancos de baterias, pois levam vantagem de um único conversor conseguir realizar o gerenciamento de uma ou diversas entradas. Também são mostrados os principais elementos acumuladores de energia utilizados para suprir demandas de cargas com médias e altas densidades de potência, seguidos dos seus principais modelos que caracterizam a construção física e o funcionamento das baterias. No Capítulo 3 é apresentada a escolha do conversor bidirecional DAB mostrando a análise do funcionamento durante o processo de fluxo reverso. Além do conversor proposto são dimensionados os elementos passivos que irão compor a estrutura física do projeto, bem como a inserção de um indutor em série com as baterias utilizado para filtro de corrente, na sequência é feita a simulação do conversor operando em malha aberta através do software PSIM. No Capítulo 4 são obtidos os modelos que determinam as Funções de Transferências (FTs) das malhas de tensão no barramento CC e corrente de descarga das baterias, passando a serem validadas para então partir ao projeto de controle das plantas obtidas. Também é feita a validação dos controladores projetados incluindo distúrbio na carga e degrau na referência das variáveis de interesse. No Capítulo 5 são obtidos os resultados experimentais para validação da integridade do projeto, conecta-se as baterias no lado secundário do DAB e no primário o banco de cargas resistivas que representam a tensão do barramento CC. Os distúrbios incluídos no capítulo 4 são representados em simulação, então a dinâmica do controlador é avaliada. Como resultados finais, será feita a descarga total das baterias, até a tensão de corte das mesmas..

(45) 1 Introdução. 43. No Capítulo 6 são feitas as considerações finais do desenvolvimento do controle para a descarga de baterias, bem como sugestões para trabalhos futuros incluindo o conversor DAB..

(46)

(47) 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. Neste capítulo serão abordadas algumas das estruturas de conversores CC-CC bidirecionais capazes de realizar o gerenciamento de energia durante o processo de descarga das baterias juntamente com suas principais características operacionais. As tecnologias de baterias mais utilizadas em aplicações conectadas ao sistema elétrico de potência serão discutidas.. 2.1 CONVERSORES CC-CC BIDIRECIONAIS. Os conversores estáticos têm papel fundamental nos sistemas de potência, são eles os responsáveis por processar os níveis de energia entre a entrada e a saída do sistema. Faz parte de cada projeto onde são aplicados os conversores obter os requisitos de funcionamento dos elementos ativos e passivos presentes no sistema para poder assim fazer o gerenciamento e controle das variáveis de interesse. Para o caso em que conversores bidirecionais são conectados a elementos armazenadores de energia, além de possuir a característica da bidirecionalidade, o seu gerenciamento de carga e descarga são de extrema importância para prolongar sua vida útil, uma vez que os elementos de armazenamento são os que agregam maior custo ao sistema. São propostas diversas topologias de conversores CC-CC bidirecionais isolados ou não isolados, onde os que utilizam transformador com isolação galvânica de alta frequência isolam a carga e a fonte, além disso, conseguem também atingir alta taxa de conversão de tensão. A Figura 2.1 apresenta a estrutura básica dos conversores bidirecionais isolados. Alguns conversores bidirecionais já são bem difundidos quando possuem sua aplicação definida, por exemplo, os conversores Zeta e Buck-Boost por apresentar altas ondulações na corrente de saída não podem ser utilizados para carga e descarga de baterias (DAMASCENO et al., 2008), o conversor bidirecional Flyback-Forward apesar de apresentar estrutura simples deve ser utilizado em aplicações que demandam baixo fluxo de potência (LIANG et al., 2013; CORNEA et al., 2014). Os elementos que compõem a entrada do conversor definem a característica de alimentação, se tensão quando apresenta um capacitor na entrada ou corrente quando o elemento é um indutor (KARSHENAS et al., 2011), podendo ter duas entradas distintas quando o conversor bidirecional não apresentar configuração simétrica dos elementos. Em Yakushev, Meleshin e Fraidlin (1999) cita a vantagem do conversor alimentado por corrente quando utilizado em aplicações que utilizam ampla faixa de tensão na fonte de entrada. Em Xuewei e Rathore (2014) compara uma mesma topologia alimentada por tensão e outra alimentada por corrente, essa provinda de uma bateria tem vantagem pela corrente drenada ser contínua apresentando baixo ripple e prolongando o tempo de vida.

(48) 46. 2 Revisão Bibliográfica. útil das células. Outro fator considerado importante do circuito alimentado por corrente é a redução da corrente circulante apresentando melhor eficiência . Figura 2.1 – Estrutura padrão de conversor bidirecional CC-CC.. Fluxo de Potência Bidirecional Modo 1 para 2. i1. Inversor 1. N:1. Retificador 1. i2 V2. V1 Transformador Inversor 2. Retificador 2 Modo 2 para 1. Fonte: Adaptado de (KARSHENAS et al., 2011).. Os arranjos que contemplam os conversores bidirecionais isolados conhecidos como Half-Bridge, Full-Bridge e Push-Pull são os mais apropriados quando aplicados em sistemas bidirecionais com alto fluxo de potência (JAIN; DANIELE; JAIN, 2000; YAMAMOTO et al., 2006; HIRAKI et al., 2009; PENG et al., 2004; CORNEA et al., 2014). As estruturas dos conversores bidirecionais citadas encaminham as escolhas para um número restrito de conversores bidirecionais isolados adequados para controlar o fluxo de potência de um arranjo de baixa tensão composto por baterias ou supercapacitores para um barramento CC de alta tensão. Então, são apresentadas apenas topologias dos principais conversores utilizados para interfaceamento entre os barramentos CC-CC e suas peculiaridades de funcionamento. Dentre os conversores bidirecionais citados, o half-bridge (meia-ponte) é um dos que menos apresentam interruptores e para que haja o fluxo bidirecional de potência é necessário que a configuração tenha uma meia ponte em cada lado dos terminais do transformador, motivo pelo qual também é conhecido por dual half-bridge. Peng et al. (2004) apresenta na topologia do conversor um indutor na entrada, Figura 2.2, o qual configura alimentado em corrente para fluxo direto e na outra extremidade alimentado em tensão para fluxo reverso, os interruptores contam com um capacitor em paralelo para que ocorra comutação suave..

(49) 47. 2 Revisão Bibliográfica Figura 2.2 – Conversor Dual Half-bridge.. Fluxo de Potência. S1. Cs1. S3. C1. Cs3. C3. 1:N. L. Co Vin. S2. Cs2 C2. S4. Cs4. Vo. C4. Fonte: Adaptado de (PENG et al., 2004).. A comutação caracterizada suave é dada através combinação de comutação entre S1 e S2 que geram uma tensão de onda quadrada no primário do transformador. Os interruptores S3 e S4 atuando com razão cíclica de 50 % em conjunto com seus diodos retificam a corrente que é de forma alternada na saída do transformador, gerando também uma tensão de onda quadrada. A defasagem longitudinal entre as tensões quadradas nos terminais primário e secundário do transformador irão determinar o sentido do fluxo, sendo que o ângulo (φ) aplicado é o responsável pela quantidade de energia a ser transferida. A forma de onda da corrente encontrada na indutância de dispersão do transformador é determinada pelos valores entre as tensões nos capacitores do primário e secundário (V1 e V3 ) e (V2 e V4 ), Figura 2.3 (a), (PENG et al., 2004) assim é possível identificar a direção do fluxo de energia conforme a Figura 2.3 (b), se direto ou reverso. A abordagem de Peng et al. (2004) mostra as vantagens de utilizar o conversor bidirecional composto por duas meia ponte ao invés de utilizar o de duas pontes completas, apresentado na sequência. A aplicação tem a entrada de baixa tensão representada por uma bateria de veículo elétrico ou célula combustível que mantém o nível de tensão em média 12 V, mesmo que essa topologia half-bridge dobre o valor da tensão de entrada nos terminais dos interruptores no lado primário, pelo fato de haver dois capacitores em série, de acordo com o fluxo de energia entre o primário e o secundário do transformador ele utiliza a metade do número de interruptores que o conversor ponte completa deve utilizar para realizar a transferência, isso implica também no acréscimo de circuitos de alimentação e lógica de controle para o comutação dos demais interruptores..