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Avaliação de Parâmetros de Qualidade de Energia em Sistemas de Microgeração Sérgio Alexandre Martins Lopes Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Júri Presidente: Professor Paulo José da Costa Branco Orientador: Professora Sónia Maria Paulo Ferreira Pinto Co-orientador: Professor José Fernando Alves da Silva Vogal: Professor João José Esteves Santana Março de 2011

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Avaliação de Parâmetros de Qualidade de Energia em

Sistemas de Microgeração

Sérgio Alexandre Martins Lopes

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Júri

Presidente: Professor Paulo José da Costa Branco

Orientador: Professora Sónia Maria Paulo Ferreira Pinto

Co-orientador: Professor José Fernando Alves da Silva

Vogal: Professor João José Esteves Santana

Março de 2011

Page 2: Avaliação de Parâmetros de Qualidade de Energia em Sistemas de … · Agradecimentos Agradeço à Professora Sónia Ferreira Pinto pelo auxilio prestado durante todo o processo

Agradecimentos

Agradeço à Professora Sónia Ferreira Pinto pelo auxilio prestado durante todo o

processo de elaboração desta tese. A sua ajuda constante foi muito importante em cada uma

das fases deste projecto. Agradeço também ao Professor Fernando Silva, como co-orientador,

pela sua disponibilidade no esclarecimento de dúvidas que surgiram.

Agradeço à minha namorada, Joana, por todo o apoio prestado nos momentos mais

diícieis e pela partilha da alegria a cada conquista alcançada tornando mais fácil o meu

percurso.

Agradeço aos meus pais pelo esforço que fizeram para me proporcionar uma boa

formação académica e ao meu irmão pelo interesse e entusiasmo demonstrado durante a

elaboração desta tese.

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Resumo

Com o crescente interesse e utilização da microgeração tem surgido a necessidade de

avaliação do seu impacto na Qualidade de Energia Eléctrica (QEE), nomeadamente na Taxa

de Distorção Harmónica (THD) da corrente injectada na rede, na consequente THD da tensão

da rede eléctrica de baixa tensão (BT), no factor de potência FP e no factor de deslocamento.

A possível utilização dos microgeradores para mitigação de alguns problemas de QEE,

actuando como Filtros Activos de Potência (FAP) também tem suscitado algum interesse.

Neste trabalho são apresentadas soluções de microgeração com filtro de primeira e de

terceira ordem na interligação do microgerador à rede eléctrica de baixa tensão (BT), e são

dimensionados os respectivos controladores lineares e não lineares da corrente injectada na

rede. Em ambiente Matlab/Simulink são simuladas isoladamente todas as soluções propostas e

os resultados obtidos são comparados com os fornecidos pelos fabricantes dos equipamentos

existentes no mercado e com os valores máximos admissíveis pelas normas internacionais.

É proposta uma solução de microgeração, com filtro de terceira ordem de ligação à

rede e com compensação simultânea de energia reactiva (Filtro Activo de Potência).

Posteriormente, todas as soluções propostas são utilizadas numa pequena rede de

teste. Dos resultados obtidos conclui-se que, de uma maneira geral, para uma rede com vários

microgeradores, o filtro de terceira ordem permite obter menores taxas de distorção harmónica

de corrente e da tensão da rede BT.

Palavras-chave: Microgeração, Qualidade de Energia Eléctrica, Filtro indutivo, Filtro LCL, Taxa

de Distorção Harmónica, Factor de Potência.

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iii

Abstract

The growing interest and use of microgenerators has brought some attention to the

evaluation of their impact on Power Quality, namely to the Total Harmonic Distortion (THD) on

the current and on the grid voltage, as well as on the Power Factor and Displacement Factor.

Also, the use of microgenerators to mitigate some Power Quality problems, acting as Active

Power Filters (APF), is becoming more attractive.

This thesis presents and evaluates two possible solutions for microgenerators grid

connection: through a first order or through a third order filter. For each one of these solutions,

linear and nonlinear controllers are designed for the current injected into the low voltage grid.

The proposed solutions are simulated in Matlab/Simulink and the obtained results are compared

to those obtained for the existing equipment and to the maximum values admissible by

international standards.

A microgeneration solution with a third order filter in the connection to the low voltage

grid and guaranteeing simultaneous reactive power compensation (Active Power Filter) is

proposed.

All the proposed solutions are tested on a small low voltage grid. The obtained results

show that, in general, the use of a third order filter guarantees lower THD both for the currents

and voltages, when a high number of microgenerators is considered.

Keywords: Microgeneration, Power Quality, Inductive Filter, LCL Filter, Harmonic Distortion,

Power Factor.

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Índice

1. Introdução .................................................................................................................................. 1

1.1. Objectivo do trabalho .......................................................................................................... 2

1.2. Estrutura do trabalho .......................................................................................................... 2

2. Qualidade da Energia Eléctrica (QEE) ...................................................................................... 3

2.1. Taxa de Distorção Harmónica - THD ................................................................................. 3

2.2. Factor de Potência .............................................................................................................. 5

3. Modelo do G Convencional ..................................................................................................... 7

3.1. Inversor monofásico de tensão .......................................................................................... 7

3.2. G com filtro indutivo .......................................................................................................... 9

3.2.1. Dimensionamento do filtro indutivo .............................................................................. 9

3.2.2. Dimensionamento do controlador por modo de deslizamento .................................. 10

3.2.3. Dimensionamento do controlador Proporcional-Integral ........................................... 13

3.3 G com filtro LCL ............................................................................................................... 17

3.3.1. Função de transferência do filtro LCL ........................................................................ 18

3.3.1. Dimensionamento do filtro ......................................................................................... 19

3.3.3. Dimensionamento do controlador por modo de deslizamento .................................. 21

3.3.3. Dimensionamento do controlador linear Proporcional-Integral (PI) ........................... 23

3.3.4. Dimensionamento do controlador linear com polinómio para compensação do filtro

LCL ....................................................................................................................................... 26

3.4. Comparação de resultados............................................................................................... 31

4. µG Compensado ..................................................................................................................... 32

4.1. Sistema de controlo do G com filtro activo de potência ................................................. 32

4.2. Resultados obtidos ........................................................................................................... 36

4.2.1. G com filtro LCL ....................................................................................................... 37

4.2.2. G compensado com filtro LCL ................................................................................. 39

4.2.3. G compensado com filtro indutivo............................................................................ 41

4.2.4. Comparação dos resultados obtidos ......................................................................... 43

5. Resultados de simulação ........................................................................................................ 45

5.1. G com filtro indutivo e controlo por modo de deslizamento ........................................... 46

5.2. G com filtro indutivo e controlo Proporcional-Integral .................................................... 47

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v

5.3. G com filtro LCL e controlo por modo de deslizamento ................................................. 49

5.4. G com filtro LCL e controlador Propocional-Integral ...................................................... 50

5.5. G com filtro LCL e controlo polinomial............................................................................ 52

5.6. Comparação dos resultados ............................................................................................. 53

6. Conclusões .............................................................................................................................. 56

Bibliografia ................................................................................................................................... 58

Anexo A: Modelo da Rede .......................................................................................................... 60

A.1. Transformador .................................................................................................................. 60

A.1.1. Ensaio em vazio ........................................................................................................ 60

A.1.2. Ensaio em curto-circuito ............................................................................................ 61

A.2. Linha eléctrica .................................................................................................................. 62

A.2.1. Resistência ................................................................................................................ 62

A.2.2. Indutância .................................................................................................................. 63

Anexo B: Dados de catálogo ....................................................................................................... 64

Anexo C: Função de transferência do filtro LCL ......................................................................... 65

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vi

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Evolução da repartição da energia eléctrica importada (1990-2008). Fonte: DGEG.

....................................................................................................................................................... 1

Figura 3.1 – Topologia do inversor monofásico de tensão. .......................................................... 7

Figura 3.2 - Modulação de largura de impulso de três níveis. ...................................................... 8

Figura 3.3 – Ligação do inversor à rede através de um filtro indutivo. ......................................... 9

Figura 3.4 - Esquema do controlo histerético a três níveis da corrente . ................................ 11

Figura 3.5 – Diagrama equivalente do inversor ligado à rede através de um filtro indutivo, com

controlo por modo de deslizamento. ........................................................................................... 12

Figura 3.6 – Formas de onda da tensão e da corrente injectada numa rede ideal pelo

inversor, com filtro L, controlado por modo de deslizamento. .................................................... 12

Figura 3.7- Diagrama de blocos do inversor ligado à rede através de um filtro indutivo e

controlador PI da corrente injectada na rede [7]. ........................................................................ 14

Figura 3.8 – Diagrama de blocos do modelo de controlo linearizado da corrente injectada na

rede [7]. ....................................................................................................................................... 15

Figura 3.9 - Diagrama de blocos do modelo linearizado e simplificado de controlo da corrente

injectada na rede [7]. ................................................................................................................... 15

Figura 3.10 – Formas de onda da tensão da rede e corrente injectada numa rede ideal

pelo inversor, com filtro L e com um controlador PI. ................................................................... 17

Figura 3.11 - Esquema do filtro de ligação à rede do G com filtro LCL. ................................... 18

Figura 3.12 - Ligação do inversor à rede através de um filtro LCL. ............................................ 19

Figura 3.13 – Diagrama de Bode da função de transferência do filtro LCL. ............................... 21

Figura 3.14 - Diagrama equivalente do inversor ligado à rede através de um filtro LCL e com

controlo por modo de deslizamento. ........................................................................................... 22

Figura 3.15 – Formas de onda da tensão da rede e corrente injectada numa rede ideal

pelo inversor com filtro LCL e controlo por modo de deslizamento. ........................................... 22

Figura 3.16 – Formas de onda da tensão da rede e tensão no condensador numa rede

ideal utilizando um filtro LCL e controlo por modo de deslizamento........................................... 23

Figura 3.17 – Diagrama de blocos equivalente do inversor ligado à rede através de um filtro

LCL e com controlador PI de corrente. ....................................................................................... 24

Figura 3.18 - Diagrama de blocos do modelo linearizado do inversor com filtro LCL controlado

em corrente. ................................................................................................................................ 24

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vii

Figura 3.19 – Formas de onda da tensão da rede da corrente injectada numa rede ideal

utilizando um filtro LCL e controlo PI. ......................................................................................... 25

Figura 3.20 - Formas de onda da tensão da rede e tensão no condensador numa rede

ideal utilizando um filtro LCL e controlo PI. ................................................................................. 26

Figura 3.21 – Esquema do inversor com filtro LCL controlado em corrente. ............................. 27

Figura 3.22 - Diagrama de blocos do modelo linearizado do inversor com filtro LCL controlado

em corrente. ................................................................................................................................ 28

Figura 3.23 – Root Locus da função de transferência em cadeia aberta. .................................. 28

Figura 3.24 – Formas de onda da tensão e da corrente injectada numa rede ideal por um

inversor com filtro LCL e controlo do tipo polinomial. ................................................................. 30

Figura 3.25 – Formas de onda da tensão da rede e tensão no condensador numa rede

ideal utilizando um filtro LCL e controlo do tipo polinomial. ........................................................ 30

Figura 4.1 - Esquema de ligação à rede do G com filtro activo de potência FAP. ................... 33

Figura 4.2 – Diagrama de blocos do controlador de tensão com controlo interno de corrente do

FAP. ............................................................................................................................................. 33

Figura 4.3 – Diagrama de blocos do sistema global, considerando que a corrente injectada na

rede está controlada. ................................................................................................................... 34

Figura 4.4 – Controlador de tensão no andar DC do µG. ........................................................... 35

Figura 4.5 – Tensão da rede e corrente consumida por uma carga não-linear. ......................... 37

Figura 4.6 – Tensão da rede e corrente fornecida pelo G convencional com filtro LCL. ......... 38

Figura 4.7 – Tensão no andar DC do G convencional. ............................................................. 38

Figura 4.8 – Tensão e corrente na rede BT, com carga não-linear e G convencional. ............ 39

Figura 4.9 – Tensão e corrente da rede com carga não linear e G compensado com filtro LCL.

..................................................................................................................................................... 40

Figura 4.10 - Corrente fornecida pelo G compensado. ............................................................. 40

Figura 4.11 – Tensão no andar DC do G compensado. ........................................................... 41

Figura 4.12 - G compensado com filtro indutivo na ligação à rede BT. .................................... 41

Figura 4.13 – Tensão e corrente na rede, com carga não linear e G compensado com filtro

indutivo. ....................................................................................................................................... 42

Figura 4.15 – Tensão no andar DC do G compensado, com filtro indutivo. ............................. 43

Figura 5.1 – Rede de BT de teste com 5 G ligados por fase. ................................................... 45

Figura 5.2 - Formas de onda da tensão e da corrente fornecida com um G por fase. ............. 46

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Figura 5.3 - Formas de onda da tensão e da corrente fornecida por um dos cinco G por fase.

..................................................................................................................................................... 47

Figura 5.4 – Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede com um G por fase. 48

Figura 5.5 - Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede por um de cinco G por

fase. ............................................................................................................................................. 48

Figura 5.6 – Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede com um G por fase,

com filtro LCL e controlo por modo de deslizamento. ................................................................. 49

Figura 5.7 - Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede por um dos cinco G

por fase, com filtro LCL e controlo por modo de deslizamento. .................................................. 50

Figura 5.8 - Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede com um G por fase. 51

Figura 5.9 - Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede por um dos cinco G

por fase. ....................................................................................................................................... 51

Figura 5.10 - Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede com um G por fase.

..................................................................................................................................................... 52

Figura 5.11 - Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede por um dos cinco G

por fase. ....................................................................................................................................... 53

Figura 5.12 – Comparação da forma de onda da corrente injectada na rede por cinco G com

filtro indutivo com uma rede com cinco G com filtro LCL. ......................................................... 54

Figura A.1 - Esquema equivalente em T do Transformador. ...................................................... 60

Figura A.2 - Esquema equivalente do transformador em vazio. ................................................. 60

Figura A.3 - Esquema equivalente do transformador em curto-circuito...................................... 61

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Lista de Tabelas

Tabela 2.1 – Valores das harmónicas nos pontos de entrega até à ordem 25, expressas em

percentagem [2]. ........................................................................................................................... 5

Tabela 3.1 – Parâmetros de QEE do inversor monofásico ligado à rede BT através de filtro

indutivo e com controlador de corrente por modo de deslizamento. ....................................... 13

Tabela 3.2 – Parâmetros de QEE do inversor monofásico ligado à rede BT através de filtro

indutivo e com controlador linear PI de corrente. ...................................................................... 17

Tabela 3.3 – Parâmetros de QEE do inversor monofásico ligado à rede BT através de filtro LCL e

com controlador de corrente por modo de deslizamento. ........................................................ 23

Tabela 3.4 – Parâmetros de QEE do inversor monofásico ligado à rede BT através de filtro LCL e

com controlador PI de corrente. ................................................................................................. 26

Tabela 3.5 – Parâmetros de QEE do inversor monofásico ligado à rede BT através de filtro LCL e

com controlador do tipo polinomial. .......................................................................................... 31

Tabela 3.6 – Comparação dos valores da taxa de distorção harmónica da corrente obtidos para

um inversor monofásico ligado a uma rede BT ideal. ................................................................. 31

Tabela 4.1 – THD da corrente numa rede BT com G de 3,45kW convencional e compensado.

..................................................................................................................................................... 43

Tabela 4.2 – Valores simulados na carga não-linear. .................................................................. 44

Tabela 5.1 – Parâmetros de QEE de microgeradores com filtro indutivo e com controlo por

modo de deslizamento. ............................................................................................................... 46

Tabela 5.2- Parâmetros de QEE de microgerador com filtro indutivo e com controlo PI. ......... 47

Tabela 5.3 - Parâmetros de QEE de G com filtro LCL e com controlo por modo de

deslizamento, ligados a uma rede BT.......................................................................................... 49

Tabela 5.4- Parâmetros de QEE para G com filtro LCL e controlador PI. .................................. 50

Tabela 5.5 - Parâmetros de QEE para G com filtro LCL e com controlo por modo polinomial. 52

Tabela 5.6 – Comparação dos de QEE das 5 tipologias estudas ................................................. 54

Tabela A.1: Parâmetros do transformador em vazio. ................................................................. 61

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x

Lista de Abreviaturas

BT - Baixa tensão

FAP - Filtro Activo de Potência

FP - Factor de Potência

IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor

QEE - Qualidade de Energia Eléctrica

THD - Total Harmonic Distortion (taxa de distorção harmónica).

G - Microgerador

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xi

Lista de Símbolos - Condensador do filtro LCL

- Função de transferência do controlador de corrente

- Condensador do FAP

- Função de transferência do controlador de tensão

- Erro, diferença entre o valor de referência e o valor medido

- Função de transferência do filtro

- Factor de potência

- Frequência de comutação

- Frequência de corte do filtro

- Frequência da rede

- Função de transferência em cadeia aberta

- Função de transferência em cadeia fechada

- Corrente representativa do sistema controlado

- Corrente injectada na rede pelo microgerador com filtro indutivo

- Corrente de saída do inversor

- Corrente injectada na rede pelo microgerador com filtro LCL

- Corrente do condensador

- Valor eficaz da corrente

- Corrente do painel fotovoltaico

- Corrente de referência

- Ganho do inversor

- Ganho integral

- Ganho proporcional

- Indutância do filtro LCL do lado do inversor

- Indutância do filtro LCL do lado da rede

- Indutância de ligação do inversor à rede BT

- Função de transferência do conjunto modulador + inversor

- Potência activa

- Pólo do filtro LCL coincidente com zero do controlador linear com polinómio

- Pólo do filtro LCL coincidente com zero do controlador linear com polinómio

- Pólo do filtro LCL coincidente com zero do controlador linear com polinómio

- Pólo do compensador do tipo polinomial

- Resistência série de

- Resistência série de

- Resistência série do condensador

- Resistência equivalente da rede

- Resistência interna do filtro

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- Associação da resistência série da bobina com resistência equivalente

- Potência aparente

- Semicondutor k do inversor

- Período de comutação

- Atraso na comutação do inversor

- Zero do controlador PI

- Pólo do controlador linear

- Tensão contínua

- Tensão da portadora

- Valor máximo da tensão da portadora

- Tensão aos terminais do condensador do filtro LCL

- Valor eficaz da tensão da rede

- Tensão aos terminais do condensador do FAP

- Valor médio da tensão de saída aos terminais do inversor

- Valor médio da tensão aos terminais do inversor

- Ganho de retroacção do controlador de corrente

- Ganho de retroacção do controlador de tensão

- Variável de comando do inversor

- Variação máxima da corrente de saída do inversor

, - Variáveis de saída dos blocos de histerese

- Factor de amortecimento

- Frequência de ressonância

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1

1. Introdução

Portugal é um país onde se verifica uma elevada dependência de recursos energéticos,

como o Petróleo, Gás Natural e Carvão – que representam cerca de 85% da energia

consumida [1]. Nas ultimas décadas, a utilização de combustíveis fósseis tem vindo a aumentar

(Figura 1.1), por forma a acompanhar o crescente consumo energético decorrente da natural

melhoria das condições de vida da população, aumentando o desequilíbrio na balança de

pagamentos com o exterior mas, principalmente, tornando-se o grande responsável pelo

crescente valor das emissões para a atmosfera de dióxido de carbono .

Figura 1.1 - Evolução da repartição da energia eléctrica importada (1990-2008). Fonte: DGEG.

Com a assinatura do Protocolo de Quioto, Portugal comprometeu-se a que no período

de 2008-2012 o crescimento das emissões de fosse no máximo, 27% superior

relativamente às emissões de 1990. Para cumprir esta meta, Portugal terá necessariamente de

recorrer a energias renováveis.

Como Portugal é um dos países com maior incidência solar da Comunidade Europeia,

tem excelentes condições para produção de energia fotovoltaica. Hoje em dia uma das formas

de produção dessa energia é a microgeração (G), fomentada com a entrada em vigor do

Decreto-Lei 363/2007 de 2 de Novembro, segundo o qual qualquer cliente da rede eléctrica da

baixa tensão (BT) pode ser produtor de energia eléctrica e fornecer a totalidade da sua

produção à rede pública em condições que podem ser economicamente vantajosas.

Na sua ligação à rede eléctrica BT, os microgeradores (µG) recorrem à utilização de

um inversor de tensão (VSI – Voltage Source Inverter), assim como de um contador da energia

que é injectada na rede. Sendo o inversor de tensão um conversor comutado a alta frequência,

0

5 000

10 000

15 000

20 000

25 000

30 000

Ener

gia

Imp

ort

ada

(kte

p)

Electricidade

Gás Natural

Petróleo

Carvão

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2

é necessária a utilização de um filtro que faça a interligação entre o conversor e a rede

eléctrica BT, garantindo a correcta adequação entre a tensão de saída do conversor e a tensão

da rede eléctrica BT no ponto de ligação.

1.1. Objectivo do trabalho

Devido às características do andar de saída do microgerador, a utilização em larga

escala destes inversores tem impacto na Qualidade de Energia Eléctrica (QEE),

nomeadamente na taxa de distorção harmónica da tensão e da corrente. O objectivo desta tese

é então avaliar a solução - topologia de filtro + controlador - que introduz menor impacto na

QEE. Para o cumprir, dimensionam-se dois tipos de filtro: filtro L e filtro LCL, e dois tipos de

controladores: a) controlo não linear, por modo de deslizamento; b) controlo linear, do tipo

Proporcional Integral (PI) e controlo polinomial, de ordem superior.

Posteriormente é criado um modelo mais completo do microgerador (G compensado)

que permite fazer compensação local do factor de potência. Com este modelo pretende-se

injectar na rede a máxima potência activa, garantindo simultaneamente que o microgerador

actua como um filtro activo de potência, efectuando a compensação (total ou parcial) da

potência reactiva no ponto de ligação.

Neste enquadramento, obtém-se um modelo do µG que posteriormente é inserido num

modelo de uma pequena rede de teste. Desta forma é possível analisar a QEE em condições

de operação mais próximas da realidade. Os parâmetros da QEE que são comparados para as

diferentes soluções são:

Taxa de Distorção Harmónica da tensão;

Taxa de Distorção Harmónica de corrente;

Factor de Potência.

Os resultados obtidos são avaliados e comparados.

1.2. Estrutura do trabalho

No primeiro capítulo desta dissertação faz-se uma introdução ao trabalho, referindo o

enquadramento e objectivos da tese. No segundo capítulo é feita uma apresentação e

explicação dos parâmetros de QEE estudados. No terceiro capítulo é obtido um modelo para

um microgerador convencional, com filtro de primeira ou terceira ordem e controladores

lineares ou não lineares. No quarto capítulo é criado o modelo de um microgerador

compensado e são dimensionados os controladores que garantam a compensação local de

potência reactiva. No quinto capítulo apresentam-se as conclusões do trabalho realizado.

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3

2. Qualidade da Energia Eléctrica (QEE)

Num sistema eléctrico a energia fornecida tem qualidade quando é garantido o bom

funcionamento do equipamento eléctrico, sem alterações significativas no seu desempenho.

O sistema trifásico de tensões em Portugal é caracterizado por três tensões

sinusoidais, desfasadas de 120º, com valor eficaz e frequência definidos pela norma NP50160

[2]. Quando existem desvios significativos a estas características existe uma consequente

degradação da QEE.

Nas últimas décadas tem-se verificado um elevado crescimento da utilização de

equipamentos eléctricos, ligados à rede BT através de conversores electrónicos de potência,

habitualmente rectificadores a díodos. Estes equipamentos, embora permitam uma utilização

mais eficiente da energia eléctrica, apresentam um comportamento não-linear, provocando

distorções nas formas de onda da corrente e, consequentemente, da tensão, contribuindo de

forma significativa para a diminuição da qualidade de energia eléctrica.

Estima-se que nos países desenvolvidos a potência das cargas não-lineares

represente cerca de 60% da potência total, originando eventuais problemas na QEE. Este

número tem tendência a aumentar. Por exemplo na Suíça, um dos indicadores da QEE, a Taxa

de Distorção Harmónica (THD), subiu de 3,6% no ano de 1971 para 4,7% em 1991 [3].

Para combater a diminuição da QEE, organismos como a IEC (International

Electrotechnical Commission) e o IEEE (Instituto de Engenheiros Electrotécnicos e

Electrónicos) têm elaborado normas com o intuito de limitar as perturbações da QEE. No

âmbito da Comunidade Europeia foram publicadas várias directivas para eliminar as diferenças

entre os seus estados membros. Uma dessas directivas é a do Conselho n.º 85/374 [4], que no

seu Artigo 2º define a electricidade como um produto. Foi então necessário definir as suas

características originando a norma europeia EN 50160 [3].

A norma NP EN 50160:2001 – “Características da tensão fornecida pelas redes de

distribuição pública de energia eléctrica” é a versão portuguesa da norma europeia EN

50160:1999 [2]. Esta norma indica as principais características da tensão fornecida pela rede

de distribuição pública em BT ou MT, nomeadamente, valor eficaz e frequência das tensões da

rede, taxas de distorção harmónica e valores máximos admissíveis, em condições normais de

exploração [5].

2.1. Taxa de Distorção Harmónica - THD

As harmónicas são tensões ou correntes com frequências múltiplas da componente

fundamental (50 Hz). Cada harmónica tem uma determinada ordem que está relacionada com

o múltiplo da frequência correspondente (2.1). Por exemplo, a 3ª harmónica (150 Hz) tem uma

frequência 3 vezes maior que a frequência fundamental.

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4

(2.1)

Por exemplo, a 3ª harmónica (150 Hz) tem uma frequência 3 vezes maior que a

frequência fundamental.

É possível decompor a tensão ou a corrente num somatório de tensões ou correntes

com frequências múltiplas da fundamental.

O valor eficaz total é dado por (2.2):

(2.2)

Habitualmente, a circulação de correntes harmónicas nos condutores contribui para um

aumento do valor eficaz da corrente e, por conseguinte, para um aumento das perdas por

efeito de Joule. Enquanto que em corrente contínua a circulação da corrente se processa

uniformemente em toda a secção do condutor, em corrente alternada e, para frequências

elevadas, tende a circular pela periferia do condutor. Este fenómeno é designado por efeito

pelicular e é responsável pelo aumento da resistência do condutor eléctrico, devido à

diminuição da área efectiva de condução do condutor.

Se existirem harmónicas, o efeito de proximidade também é mais relevante, uma vez

que este se deve ao facto de a corrente num determinado condutor criar um campo magnético

que vai influenciar a distribuição da corrente na secção de outro condutor.

Além disso, as harmónicas de 3ª ordem, e todas as harmónicas múltiplas de 3,

apresentam a mesma fase. Por este motivo, o valor eficaz da corrente de neutro não se anula,

correspondendo à soma dos valores eficazes de todas as harmónicas de ordem múltipla de 3.

Considerando os valores das harmónicas mais significativas, pode-se calcular um dos

principais indicadores de QEE, a taxa de distorção harmónica (THD – Total Harmonic

Distortion) (2.3).

(2.3)

O aumento de THD reflecte-se no aumento das perdas de Joule, nas perdas por efeito

pelicular, no efeito de proximidade e no aumento das correntes de neutro.

Segundo a norma NP EN 50160, para cada período de uma semana, 95% dos valores

eficazes médios de 10 minutos de cada tensão harmónica não devem exceder os limites

definidos na tabela 2.1. Para além desses limites, a THD da tensão de alimentação, incluindo

as harmónicas até à ordem 40 não deve exceder os 8% [2].

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5

Tabela 2.1 – Valores das harmónicas nos pontos de entrega até à ordem 25, expressas em percentagem

[2].

Harmónicas Ímpares Harmónicas Pares

Não múltiplas de 3 Múltiplas de 3

Ordem n Peso relativo

[%]

Ordem n Peso relativo

[%]

Ordem n Tensão

relativa [%]

5 6,0 3 5,0 2 2,0

7 5,0 9 1,5 4 1,0

11 3,5 15 0,5 6…24 0,5

13 3,0 21 0,5

17 2,0

19 1,5

23 1,5

25 1,5

2.2. Factor de Potência

As harmónicas de corrente e consequentes harmónicas de tensão produzidas por

cargas não lineares aumentam as perdas, conduzindo, habitualmente, a um

sobredimensionamento de transformadores e de equipamentos ligados à rede BT. O factor de

potência é definido como o quociente entre a Potência Activa (potência entregue às cargas) e a

Potência Aparente (potência instalada) [6][7]:

(2.4)

Considera-se que a corrente i(t) não é sinusoidal mas que pode ser descrita por uma

série de Fourier:

(2.5)

Assumindo que a tensão é sinusoidal, a potência activa é dada pelo valor médio

do produto da tensão por todas as componentes harmónicas de corrente, multiplicando pelo

coseno do ângulo entre a tensão e a componente fundamental da corrente [2][7]. Como o valor

médio deste produto é nulo para todas as componentes da corrente, excepto para a

componente fundamental, a potência activa é dada por (2.6):

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6

(2.6)

Substituindo (2.6) em (2.4), o factor de potência é dado por (2.7):

(2.7)

Sabe-se que a THD da corrente é dada por (2.8):

(2.8)

Com base nas equações (2.7) e (2.8) o factor de potência pode ser calculado em

função da taxa de distorção harmónica da corrente (2.9):

(2.9)

Estas equações serão posteriormente utilizadas para cálculo dos indicadores de

Qualidade de Energia.

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7

3. Modelo do G Convencional

A ligação do G à rede é feita através de um inversor monofásico e de um filtro que

garante a atenuação das harmónicas de alta frequência da corrente injectada na rede BT.

Neste capítulo é apresentado o modelo do inversor monofásico de tensão e é feito o

dimensionamento de dois tipos de filtro de ligação à rede eléctrica BT: um de primeira ordem

(L) e outro de terceira ordem (LCL). Para os dois tipos de filtragem utilizada são dimensionados

controladores por modo de deslizamento e controladores lineares.

Para cada uma das soluções propostas são avaliadas a taxa de distorção harmónica da

corrente e o valor do factor de potência obtidos.

3.1. Inversor monofásico de tensão

Numa primeira abordagem o G é representado como um inversor monofásico de

tensão alimentado por uma fonte de tensão para simular a tensão de saída dos painéis

fotovoltaicos. Para que o funcionamento do inversor seja o adequado, é necessário garantir

(3.1), onde é o valor eficaz da tensão da rede [8].

(3.1)

O inversor monofásico em ponte completa é composto por 4 semicondutores de

potência – IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), cada um dos quais com um díodo em anti-

paralelo.

i

S1 S2

S4

UDC

S3

VPWM

Figura 3.1 – Topologia do inversor monofásico de tensão.

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8

Nestes conversores, para garantir menores conteúdos harmónicos e minimizar os

componentes de filtragem, é habitual utilizar-se a modulação por largura de impulso (PWM –

Pulse Width Modulation) de 3 níveis (Fig. 3.2), impondo uma frequência de comutação (que

depende das portadoras triangulares) muito superior à frequência da rede (50Hz).

Com este tipo de modulação, a tensão de saída é positiva quando a modulante é maior

do que as duas portadoras, é nula quando a modulante é superior a apenas uma das

portadoras e negativa quando é menor do que as duas portadoras [7] (figura 3.2).

Figura 3.2 - Modulação de largura de impulso de três níveis.

De acordo com as figuras 3.1 e 3.2 os semicondutores S1 e S4 estão no estado ON

quando a tensão de saída é positiva; quando a tensão é negativa, estão os semicondutores S2

e S3 ON; quando a tensão é nula, estão os semicondutores S1 e S2 ON ou os semicondutores

S3 e S4 ON, dependendo do sinal da tensão modulante. Assim, a tensão do inversor

PWM de 3 níveis é dada por (3.2):

(3.2)

Considerando (3.2), o estado de condução dos semicondutores pode ser definido

pela variável , que será muito útil no dimensionamento dos controladores.

(3.3)

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9

Considerando (3.2) e (3.3), a tensão será dada por (3.4):

(3.4)

Sendo a tensão de saída do inversor uma tensão comutada, a ligação do inversor

à rede tem de ser realizada através de um filtro. Neste trabalho utilizam-se dois tipos de filtros:

um filtro indutivo L e, numa segunda abordagem, um filtro de terceira ordem do tipo LCL.

3.2. G com filtro indutivo

Neste subcapítulo dimensiona-se o filtro indutivo de ligação do inversor à rede (Figura

3.3) e são estudadas duas estratégias de controlo da corrente a injectar na rede: controlo por

modo de deslizamento e controlo Proporcional-Integral.

VR

RL Linv i0

Inversor UDC VPWM

Figura 3.3 – Ligação do inversor à rede através de um filtro indutivo.

3.2.1. Dimensionamento do filtro indutivo

Considerando modulação PWM a 3 níveis, a bobina [6] pode ser calculada de

acordo com (3.5), onde representa a tensão contínua de entrada do inversor monofásico,

é o período de comutação (considera-se que ) e é o tremor da

corrente injectada na rede.

(3.5)

Considera-se que o tremor da corrente injectada na rede não deve ser superior a 10%

do seu valor eficaz (3.6):

(3.6)

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10

Admitindo que a bobina tem perdas reduzidas, considera-se que o valor da sua

resistência interna é:

(3.7)

3.2.2. Dimensionamento do controlador por modo de deslizamento

Para controlar a corrente de saída do filtro, uma das abordagens possíveis é utilizar

o Controlo por Modo de Deslizamento [9] (figura 3.5), uma vez que esta estratégia de comando

garante a robustez do sistema e é de fácil implementação.

A corrente injectada na rede pelo conversor com filtro indutivo, será determinada de

acordo com (3.8), com base nos valores de definidos em (3.3).

(3.8)

O erro da corrente a controlar é dado pela diferença entre o valor de referência e a

corrente de saída do inversor (3.9):

(3.9)

O objectivo do controlador é garantir que o erro da corrente injectada na rede é nulo.

No entanto, sendo o inversor de tensão um conversor comutado, não é possível garantir a

exacta anulação desse erro em cada instante de tempo, porque isso implicaria uma frequência

de comutação infinita.

Sabendo que, no comando PWM utilizado, a tensão de saída do inversor pode tomar

um de três níveis diferentes (+UDC, 0, -UDC) (3.2) dependendo dos estados de condução dos

semicondutores, é habitual quantificar-se o erro da variável a controlar também em três níveis,

de modo a permitir a selecção de todas as combinações possíveis de ligação dos

semicondutores. Neste caso, o comparador de 3 níveis (Fig. 3.4) é construído com recurso a

dois comparadores de 2 níveis, com larguras de banda de histerese e . O valor é o

resultado da soma das variáveis correspondentes a cada um dos comparadores de histerese,

e , que podem tomar os valores -0,5 ou + 0,5 [7][10][11]. O erro da corrente injectada na

rede (3.9) é então quantificado em três níveis (-1, 0, 1) que, de acordo com a variável de

comando (3.3), irão determinar o estado de condução dos semicondutores.

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11

+

+

e+

-

iref

i0

f

q

g

2D2

2D1

Figura 3.4 - Esquema do controlo histerético a três níveis da corrente .

Para garantir que, aparte uma banda de erro, a corrente segue o seu valor de

referência, é necessário que os estados de condução dos semicondutores sejam

seleccionados de modo a que seja cumprida a condição de estabilidade do modo de

deslizamento (3.10):

(3.10)

Assim, com base em (3.9), (3.10) e, de acordo com a figura 3.4:

Se então a corrente de referência é maior do que a corrente

injectada na rede , logo tem de aumentar, o que implica , o que,

de acordo com (3.3) e (3.8) é obtido para . Isto significa que e devem passar

ao estado ON.

Se , então a corrente de referência é menor do que a corrente

injectada na rede , logo tem de diminuir, o que implica , o que, de

acordo com (3.3) e (3.8) é obtido para . Isto significa que e devem passar

ao estado ON.

Se e então a corrente injectada na rede é praticamente

igual à sua referência , pelo que deverá ser , estando a conduzir os

semicondutores e caso a referência esteja na alternância positiva ou os

semicondutores e caso esteja na alternância negativa.

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12

O diagrama de blocos do sistema global controlado em corrente, encontra-se

representado na figura 3.5.

i

++

-

i0ref +

+ VR

RL i0

Amp

Modulador

+Inversori

VPWM

Linv

e

Figura 3.5 – Diagrama equivalente do inversor ligado à rede através de um filtro indutivo, com controlo por modo de deslizamento.

Ao ligar o inversor com controlo de corrente por modo de deslizamento (Figura 3.5) a

uma rede ideal obtêm-se os resultados da figura 3.6:

Figura 3.6 – Formas de onda da tensão e da corrente injectada numa rede ideal pelo inversor,

com filtro L, controlado por modo de deslizamento.

Verifica-se que o factor de deslocamento é quase unitário (Tabela 3.1). Os

indicadores de QEE obtidos com a utilização do filtro indutivo e com controlo por modo de

deslizamento encontram-se listados na Tabela 3.1.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

tada n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

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13

Tabela 3.1 – Parâmetros de QEE do inversor monofásico ligado à rede BT através de filtro indutivo e com

controlador de corrente por modo de deslizamento.

Filtro Tipo de

Controlador

Factor de

Potência

L Modo de

deslizamento 2,97 0,999 0,999

Com base nos resultados obtidos (Tab. 3.1) verifica-se que os valores de Taxa de

Distorção Harmónica da corrente e do Factor de Potência se encontram dentro dos valores

indicados pelos fabricantes (Anexo B) e definidos pelas normas [12][13].

3.2.3. Dimensionamento do controlador Proporcional-Integral

Em regime de condução contínua, o valor da tensão de saída do inversor é

directamente dependente dos intervalos de condução dos semicondutores, pelo que a função

de transferência da associação modulador + inversor, em regime de pequenas

perturbações pode ser escrever-se de acordo com (3.11) [7], onde é o valor médio da

tensão de saída do inversor, é o valor da tensão de comando, é o ganho do inversor e

representa o atraso na comutação do inversor.

(3.11)

Desenvolvendo (3.11) em série de Taylor e desprezando os termos de alta frequência

obtém-se (3.12):

(3.12)

De (3.12) verifica-se que a associação modulador de largura de impulso + inversor

pode ser vista como um amplificador de ganho com pólo dominante em [7].

O ganho incremental do inversor é dado por (3.13) [7], onde é o valor da tensão

no andar DC e é o valor máximo da portadora.

(3.13)

Em regime de pequenas perturbações pode considerar-se que o atraso é dado por

(3.14) onde é o período de comutação:

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14

(3.14)

Pretende-se controlar a corrente injectada na rede pelo inversor, de acordo com o

diagrama de blocos da figura 3.7.

i

++

-

i0ref

VR

RL Linv i0

Amp

i ReqC(s)Modulador

+ Inversor VPWM

Figura 3.7- Diagrama de blocos do inversor ligado à rede através de um filtro indutivo e controlador PI da corrente injectada na rede [7].

Considerando o efeito não ideal da perturbação introduzida pela tensão da rede, a

função de transferência da corrente injectada na rede pelo inversor é dada por (3.15).

(3.15)

Considera-se que, para efeitos de controlo da corrente injectada rede, a perturbação

introduzida pela tensão da rede pode ser representada por uma resistência equivalente :

(3.16)

O valor da resistência (3.17) inclui a resistência série da bobina e a resistência

equivalente :

(3.17)

O diagrama de blocos do sistema, incluindo o ganho do sensor de corrente e o

compensador encontra-se representado na figura 3.8:

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15

C(s)

i

+

-1d

D

sT

K i0

tt RsLR 1

1

+

i0refi

Figura 3.8 – Diagrama de blocos do modelo de controlo linearizado da corrente injectada na rede [7].

O compensador a dimensionar deverá garantir o seguimento da corrente de

referência. Como se pretende erro estático de posição nulo o compensador deve ter acção

integral (I). No entanto, só com acção integral o sistema torna-se lento. Por esse motivo,

introduz-se uma acção proporcional (P) que possibilita uma maior rapidez de resposta do

sistema. Assim, opta-se por utilizar um compensador do tipo Proporcional-Integral (PI) [7].

(3.18)

Habitualmente, selecciona-se o zero do compensador coincidente com o pólo

introduzindo pelo filtro de ligação do microgerador à rede (3.19):

(3.19)

Considerando a figura 3.8, em que se substituiu pela função de transferência 3.18

e se considerou o cancelamento do pólo do filtro (3.15) com o zero do compensador ,

obtém-se o diagrama de blocos do sistema controlado representado na figura 3.9.

+

-1

d

ID

sT

K i0

+

i0ref

tR

1

PsT

1

Figura 3.9 - Diagrama de blocos do modelo linearizado e simplificado de controlo da corrente injectada na rede [7].

A função de transferência em cadeia fechada do controlador de corrente representado

na figura 3.9 é dada por (3.20):

(3.20)

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16

Pelo teorema do valor final (3.21), verifica-se que o objectivo de controlo em regime

permanente é cumprido ( ):

(3.21)

Fazendo a equivalência do denominador da função de transferência em cadeia fechada

(3.20) com um sistema de segunda ordem na forma canónica de fase (3.22), obtém-se (3.23):

(3.22)

(3.23)

Resolvendo (3.23) em ordem a obtém-se:

(3.24)

Considerando que o coeficiente de amortecimento é , que é o valor para o

qual se obtém um melhor compromisso entre a velocidade de resposta e sobreelevação, então

poderá ser calculado por (3.25) [7]:

(3.25)

Para um inversor ligado a uma rede ideal através de um filtro indutivo e controlado em

corrente com um controlador do tipo PI, obtêm-se as formas de onda representadas na figura

3.10.

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17

Figura 3.10 – Formas de onda da tensão da rede e corrente injectada numa rede ideal pelo

inversor, com filtro L e com um controlador PI.

Ao analisar a figura 3.10, verifica-se que o factor de deslocamento é quase unitário

(desfasagem . Os indicadores de QEE obtidos com o filtro indutivo e com controlo

linear PI da corrente, encontram-se listados na Tabela 3.2.

Tabela 3.2 – Parâmetros de QEE do inversor monofásico ligado à rede BT através de filtro indutivo e com

controlador linear PI de corrente.

Filtro Tipo de

Controlador

Factor de

Potência

L PI 2,51 0,999 0,999

Da tabela 3.2 verifica-se que os valores de Taxa de Distorção Harmónica da corrente e

do Factor de Potência se encontram dentro dos valores indicados pelos fabricantes (Anexo B)

e impostos pelas normas [12][13].

3.3 G com filtro LCL

Para se obter uma maior atenuação das harmónicas de alta frequência é necessário

considerar um filtro de ordem mais elevada. Neste trabalho considerou-se um filtro LCL que

permite uma maior redução da THD a frequências de comutação menores, o que é uma grande

vantagem para aplicações de maior potência [14]. Contudo, a utilização de um filtro de ordem

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

tada n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

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18

superior requer o dimensionamento de um controlador de corrente mais complexo e mais

susceptível a perturbações e à distorção da forma de onda da tensão da rede BT.

Neste capítulo dimensiona-se o filtro LCL e faz-se o controlo de corrente por modo de

deslizamento, com compensador PI e com controlo polinomial.

3.3.1. Função de transferência do filtro LCL

Para garantir a atenuação das oscilações não amortecidas do sistema, é habitual

considerar-se uma resistência em série com o condensador cujas perdas devem ser

desprezáveis quando comparadas com a potência total do microgerado [15].

O esquema genérico do filtro LCL não ideal, considerando as resistências internas das

bobinas e a resistência de amortecimento ligada em série com o condensador, encontra-se

representado na figura 3.12.

VR

i2

VPWM

R2L2i1L1 R1

C

RC

V12 Req

iC

Figura 3.11 - Esquema do filtro de ligação à rede do G com filtro LCL.

Pretende-se controlar a corrente injectada na rede . Considerando que o efeito da

perturbação introduzida na corrente pela tensão da rede pode ser representada por uma

impedância equivalente , nesse caso e as equações do sistema representado na

figura 3.12 são dadas por:

(3.26)

Aplicando a transformada de Laplace a (3.26) obtém-se (3.27):

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19

(3.27)

Considerando as equações (3.27), obtém-se a função de transferência da corrente de

saída do filtro em função da variável de comando:

(3.28)

3.3.1. Dimensionamento do filtro

No dimensionamento do filtro LCL utilizam-se os polinómios de Chebyshev de terceira

ordem (3 componentes ) [16]. A topologia usada encontra-se representada na figura 3.12.

VR

i2

Inversor UDC VPWM

L2i1L1

CVC

Figura 3.12 - Ligação do inversor à rede através de um filtro LCL.

As variáveis auxiliares para dimensionamento do filtro são dadas por (3.29), (3.30) e

(3.31), onde é o ripple em dB, considera-se que vale 0,3 dB:

(3.29)

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20

(3.30)

(3.31)

Para um filtro do tipo LCL de terceira ordem, os valores das bobinas , e são

dados por (3.32), (3.33) e (3.34), onde é a impedância característica do filtro:

(3.32)

(3.33)

(3.34)

A frequência de corte deste filtro é dada por (3.35):

(3.35)

Para garantir a atenuação das harmónicas de alta frequência que resultam do processo

de comutação dos semicondutores sem afectar a harmónica fundamental, a frequência de

corte do filtro deverá ser pelo menos uma década acima da frequência da rede e pelo

menos uma década abaixo da frequência de comutação dos semicondutores (3.36).

(3.36)

Com base em (3.29), (3.30) e (3.31), assumindo que a frequência de corte é

e que a impedância é dada por , obtêm-se os valores , e dos

parâmetros do filtro.

(3.37)

Com base em (3.35), para estes valores de , e , a frequência de corte do filtro é

dada por (3.38).

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21

(3.38)

O valor obtido verifica a condição (3.36)

O diagrama de Bode da função de transferência (3.28) encontra-se representado na

figura 3.13. Consideraram-se os valores determinados em (3.37), , e

(perdas inferiores a 0,5% da potência total do microgerador).

.

Figura 3.13 – Diagrama de Bode da função de transferência do filtro LCL.

3.3.3. Dimensionamento do controlador por modo de deslizamento

Para dimensionar o controlador de corrente por modo de deslizamento assume-se que

a tensão aos terminais do condensador é aproximadamente igual à tensão da rede. Nestas

condições, o dimensionamento do controlador por modo de deslizamento para a corrente de

saída do inversor é idêntico ao realizado para o filtro indutivo (3.2.2).

O erro da corrente a controlar (figura 3.14) é dado pela diferença entre o do valor da

corrente de referência e da corrente de saída do inversor :

(3.39)

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Magnitu

de (

dB

)

101

102

103

104

105

-225

-180

-135

-90

-45

0

Fase (

deg)

Diagrama de Bode

Frequencia (Hz)

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22

i

++

-

iref +

+VR

R2L2i1

Amp

i

L1 R1

C

RC

Modulador

+ InversorV12VPWM

Figura 3.14 - Diagrama equivalente do inversor ligado à rede através de um filtro LCL e com controlo por modo de deslizamento.

Ao ligar o inversor a uma rede ideal através de um filtro LCL utilizando um controlador

por modo de deslizamento obtém-se a forma de onda da corrente injectada na rede

representada na figura 3.15.

Figura 3.15 – Formas de onda da tensão da rede e corrente injectada numa rede ideal pelo

inversor com filtro LCL e controlo por modo de deslizamento.

Na figura 3.16 representam-se as formas de onda da tensão da rede e da tensão

no condensador do filtro . Verifica-se que, tal como se tinha assumido, a tensão no

condensador é praticamente igual à tensão da rede BT.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

tada n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

Page 36: Avaliação de Parâmetros de Qualidade de Energia em Sistemas de … · Agradecimentos Agradeço à Professora Sónia Ferreira Pinto pelo auxilio prestado durante todo o processo

23

Figura 3.16 – Formas de onda da tensão da rede e tensão no condensador numa rede ideal

utilizando um filtro LCL e controlo por modo de deslizamento.

Verifica-se que o factor de deslocamento é quase unitário . Os indicadores

de QEE obtidos com o filtro LCL e controlo por modo de deslizamento encontram-se listados na

Tabela 3.3.

Tabela 3.3 – Parâmetros de QEE do inversor monofásico ligado à rede BT através de filtro LCL e com

controlador de corrente por modo de deslizamento.

Filtro Tipo de

Controlador

Factor de

Potência

LCL Modo de

deslizamento 0,91 0,998 0,998

Da tabela 3.3 verifica-se que com a utilização de um filtro LCL a Taxa de Distorção

Harmónica da corrente é menor que a verificada com um filtro indutivo e que Factor de

Potência é praticamente igual, consequentemente estes valores encontram-se dentro dos

limites indicados pelos fabricantes (Anexo B) e impostos pelas normas [12][13].

3.3.3. Dimensionamento do controlador linear Proporcional-Integral (PI)

Numa segunda abordagem opta-se por fazer o controlo da corrente com um

compensador PI. Mais uma vez, considera-se que a tensão no condensador é

aproximadamente igual à da rede e controla-se a corrente de saída do inversor. O diagrama de

blocos e o esquema do filtro estão representados na figura 3.17.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Tensão n

o c

ondensador

(V)

e T

ensão d

a r

ede (

V)

tempo (s)

Tensão da rede

Tensão no condensador

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24

i

++

-

irefVR

R2L2i1

Amp

i Req

L1 R1

C

RC

Modulador

+ InversorV12C(s) VPWM

Figura 3.17 – Diagrama de blocos equivalente do inversor ligado à rede através de um filtro LCL e com controlador PI de corrente.

Assumindo que a tensão no condensador é aproximadamente igual à da rede, a função

de transferência da corrente de saída do inversor relativamente à tensão de saída do

inversor é dada por (3.40):

(3.40)

Neste caso o valor da resistência (3.41) inclui a resistência série da bobina e a

resistência equivalente :

(3.41)

Sendo a função de transferência da associação modulador + inversor dada por (3.12),

o diagrama de blocos do sistema, incluindo o ganho do sensor de corrente e o

compensador encontra-se representado na figura (3.18):

C(s)

i

+

-1d

D

sT

K i1

)1(

1

TT RsLR +

irefi +

-

+

V12

VPWM

Figura 3.18 - Diagrama de blocos do modelo linearizado do inversor com filtro LCL controlado em corrente.

À semelhança da abordagem utilizada para o inversor com carga indutiva, também

neste caso se optou por um compensador PI (3.42):

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25

(3.42)

Com o zero do compensador (3.43) anula-se o pólo introduzido pela impedância

equivalente do ramo do filtro ligado ao inversor.

(3.43)

O valor de (3.44) é calculado com base na função de transferência de segunda

ordem do sistema em cadeia fechada.

(3.44)

Considerando que o coeficiente de amortecimento é e substituindo em (3.44)

obtém-se o novo valor de (3.45):

(3.45)

Para verificar a forma de onda da corrente injectada na rede liga-se o inversor a uma

rede ideal através de um filtro LCL. Utilizando o controlador PI dimensionado obtém-se a

corrente representada na figura 3.19.

Figura 3.19 – Formas de onda da tensão da rede da corrente injectada numa rede ideal utilizando

um filtro LCL e controlo PI.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

tada n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

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26

Na figura 3.20 representam-se as formas de onda da tensão da rede e da tensão

no condensador do filtro . Verifica-se que, tal como se tinha assumido, a tensão no

condensador é praticamente igual à tensão da rede BT.

Figura 3.20 - Formas de onda da tensão da rede e tensão no condensador numa rede ideal

utilizando um filtro LCL e controlo PI.

Da figura 3.19 verifica-se que a desfasagem entre a tensão e a harmónica fundamental

da corrente injectada na rede é de 10,8º. Os indicadores de QEE obtidos com filtro LCL e

controlo PI encontram-se listados na Tabela 3.4.

Tabela 3.4 – Parâmetros de QEE do inversor monofásico ligado à rede BT através de filtro LCL e com

controlador PI de corrente.

Filtro Tipo de

Controlador

Factor de

Potência

LCL PI 0,45 0,984 0,984

Desta tabela verifica-se que os valores de Taxa de Distorção Harmónica da corrente e

do Factor de Potência se encontram dentro dos valores indicados pelos fabricantes (Anexo B)

e impostos pelas normas [12][13], embora o Factor de Potência seja um pouco inferior

relativamente aos outros casos estudados.

3.3.4. Dimensionamento do controlador linear com polinómio para

compensação do filtro LCL

Para obter um compensador com melhor resposta dinâmica e factores de potência

mais próximos da unidade deverá considerar-se a dinâmica de 3ª ordem do filtro LCL.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Ten

são

no c

onde

nsad

or (

V)

e T

ensã

o da

red

e (V

)

tempo (s)

Tensão da rede

Tensão no condensador

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27

De acordo com (3.28), a função de transferência do filtro tem um zero e

três pólos e , um real e dois complexos conjugados (3.46).

(3.46)

O diagrama equivalente do controlador de corrente pretendido encontra-se

representado na figura 3.21.

i

++

-

irefVR

R2L2i2

i Req

L1 R1

C

RC

Modulador

+ InversorV12C(s)

Amp

VPWM

Figura 3.21 – Esquema do inversor com filtro LCL controlado em corrente.

Como já foi determinado no subcapítulo 3.2, o conjunto modulador + inversor pode ser

representado pela função de transferência (3.12).

Para compensar o efeito introduzido pelo filtro LCL, assume-se que o compensador a

utilizar é do tipo polinomial (3.47), com três zeros ( e ) para cancelar os três pólos do

filtro e um pólo coincidente com o zero do filtro. Para garantir erro estático nulo na resposta

ao escalão considera-se um pólo na origem:

(3.47)

Para não aumentar o número de zeros face ao número de pólos do sistema, introduz-

se um terceiro pólo no compensador (3.47) com uma frequência suficientemente elevada

para não interferir na dinâmica do sistema.

(3.48)

O diagrama de blocos do sistema controlado representa-se na figura 3.22, onde

representa o compensador polinomial (3.48), , a função de transferência do conjunto

modulador + inversor (3.12) e , a função de transferência do filtro LCL (3.46).

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28

Figura 3.22 - Diagrama de blocos do modelo linearizado do inversor com filtro LCL controlado em corrente.

Considerando (3.48), (3.12), (3.46) e desprezando o efeito do pólo de alta frequência, a

função de transferência em cadeia aberta é dada por (3.49):

(3.49)

Substituindo (3.47), (3.12) e (3.46) em (3.49) obtém-se (3.50):

(3.50)

O Root Locus da função de transferência em cadeia aberta (3.50), encontra-se

representado na figura (3.23). Tal como esperado, verifica-se que os três zeros e o pólo do

controlador cancelam, respectivamente, os três pólos e o zero do filtro LCL.

Figura 3.23 – Root Locus da função de transferência em cadeia aberta.

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5

x 104

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5x 10

4 Root Locus

Real Axis

Imagin

ary

Axis

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29

A função de transferência em cadeia fechada é dada por (3.51):

(3.51)

Substituindo 3.50 em 3.51 a função de transferência em cadeia fechada será dada por

(3.52):

(3.52)

Escrevendo (3.52) em forma canónica obtém-se (3.53):

(3.53)

Fazendo a equivalência entre o denominador de (3.53) e o polinómio característico de

segunda ordem obtém-se (3.54):

(3.54)

Resolvendo a primeira equação de (3.54) em ordem a e substituindo na segunda

equação obtém-se (3.55):

(3.55)

Resolvendo (3.55) determina-se o valor de (3.56):

(3.56)

Para o inversor com o filtro LCL ligado a uma rede ideal, usando o controlador

polinomial obtém-se a forma de onda da corrente injectada na rede representada na figura

3.24.

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30

Figura 3.24 – Formas de onda da tensão e da corrente injectada numa rede ideal por um inversor

com filtro LCL e controlo do tipo polinomial.

Na figura 3.25 representam-se as formas de onda da tensão da rede e da tensão

no condensador do filtro .

Figura 3.25 – Formas de onda da tensão da rede e tensão no condensador numa rede ideal

utilizando um filtro LCL e controlo do tipo polinomial.

Ao analisar a figura 3.24 verifica-se que o factor de deslocamento praticamente unitário

. Os parâmetros da QEE obtidos com a utilização utilização do filtro indutivo controlo

polinomial encontram-se listados na Tabela 3.5.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

tada n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Tensão n

o c

ondensador

(V)

e T

ensão d

a r

ede (

V)

tempo (s)

Tensão da rede

Tensão no condensador

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31

Tabela 3.5 – Parâmetros de QEE do inversor monofásico ligado à rede BT através de filtro LCL e com

controlador do tipo polinomial.

Filtro Tipo de

Controlador

Factor de

Potência

LCL Polinomial 0,56 0,998 0,998

Da tabela 3.5 verifica-se que os valores de Taxa de Distorção Harmónica da corrente e

do Factor de Potência se encontram dentro dos valores indicados pelos fabricantes (Anexo B)

e impostos pelas normas [12][13].

3.4. Comparação de resultados

Na tabela 3.6 resumem-se os indicadores de QEE dos 5 casos estudados para o

inversor ligado a uma rede ideal.

Tabela 3.6 – Comparação dos valores da taxa de distorção harmónica da corrente obtidos para um

inversor monofásico ligado a uma rede BT ideal.

Filtro Tipo de

Controlador

Factor de

Potência

L Modo de

deslizamento 2,97 0,999

L PI 2,51 0,999

LCL Modo de

deslizamento 0,91 0,998

LCL PI 0,45 0,984

LCL Polinomial 0,56 0,998

Ao analisar a tabela 3.5 verifica-se que, os µG que têm filtro LCL apresentam uma THD

da corrente menor que os µG com filtro indutivo.

Verifica-se também que o caso que apresenta a menor THD é com a utilização do

compensador PI para controlar a corrente, contudo este também é o caso que apresenta a

maior desfasagem da primeira harmónica de corrente em relação à tensão da rede e

consequentemente um menor Factor de Potência.

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32

4. µG Compensado

Nos últimos anos, a proliferação de cargas não lineares baseadas em conversores

electrónicos de potência tem sido responsável por alguma degradação da QEE. Os

rectificadores a díodos são um dos maiores poluidores, injectando harmónicas de corrente de

baixa frequência, que contribuem para um aumento da THD de corrente e consequente

aumento da THD de tensão [17].

No entanto, embora os conversores electrónicos de potência sejam causadores de

alguns problemas de QEE, também podem ser parte da solução, mediante a utilização de

conversores totalmente comandados, comutados a alta frequência.

O Filtro Activo de Potência (FAP) [18] recorre à utilização de um inversor de tensão

(VSI- Voltage Source Inverter) habitualmente controlado em corrente, de modo a reduzir a THD

da corrente injectada na rede e, simultaneamente, compensar o factor de potência. Por ajuste

da amplitude da tensão de saída do inversor de tensão alternada através da estratégia de

modulação por largura de impulso, o FAP permite injectar na rede harmónicas de corrente

iguais mas desfasadas de 180º das harmónicas criadas pelas cargas não-lineares, cancelando-

-as [18] [19] [20]. Este princípio pode ser aplicado a qualquer tipo de carga e, com um

controlador adequado, permite compensar o factor de potência no ponto de ligação do FAP e

da carga não linear, garantindo que a rede de distribuição eléctrica vê a carga não-linear e o

µG como uma carga resistiva [20].

Embora os filtros activos de potência não sejam a única forma de efectuar a

compensação do factor de potência, apresentam algumas vantagens face às soluções

tradicionais com filtros passivos, nomeadamente em termos de volume (o volume de

componentes passivos é elevado) e não dão origem a fenómenos de ressonância série e

paralela próprios dos filtros passivos LC [18].

Sendo o andar de saída de um G convencional composto por um inversor de tensão,

no G compensado o objectivo é, não só injectar na rede a energia fornecida pelo painel

fotovoltaico, mas também garantir que a corrente fornecida pelo painel cancela as harmónicas

criadas pela carga não-linear [19], com um comportamento similar ao de um FAP.

4.1. Sistema de controlo do G com filtro activo de potência

Nesta abordagem o G compensado, ou seja, o conjunto G + FAP é ligado à rede BT

em paralelo com a carga (figura 4.1). O microgerador é representado pelo respectivo inversor e

filtro LCL (Fig. 4.1). Do lado DC, o painel fotovoltaico é representado por uma fonte de corrente

ligada ao inversor de tensão através de um condensador.

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33

VR

iµG

Inversor VPWM

R2L2i1L1 R1

C

RC

V12ipv

CFAP

Carga não

linear

irede

icarga

i

iC

Figura 4.1 - Esquema de ligação à rede do G com filtro activo de potência FAP.

Na figura 4.2 representa-se o diagrama de blocos do controlo de tensão com controlo

interno de corrente do FAP.

i

++

-

CV(s)+

-

Ci(s) Moduladori

vpwm

+Vref

Conversor

+

+

icarga

- iredeiµGFiltro de

Entrada

ipv

+

-FAPsC

1

Figura 4.2 – Diagrama de blocos do controlador de tensão com controlo interno de corrente do FAP.

O controlador de corrente injectada na rede é dimensionado seguindo a abordagem

utilizada no capítulo anterior, controlo polinomial. Desprezando o efeito dos termos de alta

frequência, o sistema controlado em corrente pode ser aproximado a um sistema de primeira

ordem [6]:

(4.1)

O ganho do controlador de corrente pode ser calculado recorrendo às relações entre as

potências:

(4.2)

Considerando a relação entre a potência de entrada e de saída, o sistema controlado

pode ser representado por uma fonte de corrente (Fig. 4.3):

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34

(4.3)

CFAP

ic

VCFAP)(

1

1)( si

sT

Gsi ref

di

i

ipv

Figura 4.3 – Diagrama de blocos do sistema global, considerando que a corrente injectada na rede está controlada.

A corrente no condensador (4.4) é dada pela diferença entre a corrente de entrada do

inversor e a corrente do painel fotovoltaico:

(4.4)

Aplicando a transformada de Laplace a (4.4) obtém-se:

(4.5)

Considerando que é necessário garantir erro estático de posição nulo usa-se um

controlador integral. Como um controlador só com acção integral origina uma resposta lenta do

sistema, opta-se por um controlador do tipo PI (4.6), onde é o ganho proporcional e é o

ganho integral, o que assegura erro estático de posição nulo e melhora a velocidade de

resposta [7].

(4.6)

O diagrama de blocos do controlador da tensão encontra-se representando na figura

4.4.

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35

+-

reficrefvCFAPvi

v

v1dv

ii

sT

G +-

ipv

FAPCs

1

s

KK i

p

Figura 4.4 – Controlador de tensão no andar DC do µG.

A resposta da tensão à perturbação introduzida pelo painel será dada por:

(4.7)

Simplificando (4.7), obtém-se (4.8):

(4.8)

Aplicando o teorema do valor final a (4.8), calcula-se o limite da função de transferência

quando s tende para zero:

(4.9)

Verifica-se que a resposta do sistema às perturbações introduzidas pela corrente é

nula em regime permanente. Conclui-se que o controlador PI garante que, em regime

permanente, eventuais perturbações são extintas.

Para estudar a resposta dinâmica do sistema às perturbações introduzidas pela

corrente , reescreve-se (4.8) na forma canónica:

(4.10)

Para calcular os parâmetros do controlador PI recorre-se ao polinómio de terceira

ordem é dado por:

(4.11)

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36

Igualando o denominador de (4.10) a (4.11) obtém-se:

(4.12)

Resolvendo (4.12) obtêm-se os ganhos proporcional e integral do controlador de

tensão:

(4.13)

Admitindo que a resposta do controlador de tensão é lenta, quando comparado com o

tempo de resposta das correntes de entrada considerou-se:

(4.14)

Os valores obtidos em (4.14) foram os utilizados para simular o G compensado.

4.2. Resultados obtidos

Para além de injectar na potência eléctrica criada através do painel fotovoltaico, o

microgerador com filtro activo de potência também tem como objectivo fazer a compensação

local da energia reactiva consumida pelas cargas não lineares reduzindo a THD da corrente

injectada na rede.

Para garantir o correcto funcionamento do inversor de saída do microgerador é

necessário que seja verificada a condição (3.1), recorrendo a um controlador de tensão que

garante que a tensão do condensador no andar DC estabiliza nos 500V (Fig. 4.5). O valor

da fonte de corrente que representa o painel fotovoltaico (Fig. 4.1) é calculado com base na

potência do microgerador .

(4.15)

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37

Para estudar qual o tipo de microgerador com o qual se obtém uma maior atenuação

da THD simula-se um microgerador com filtro LCL na ligação à rede BT, sem compensação.

Posteriormente, os resultados obtidos com este microgerador são comparados com os

microgeradores compensados: com filtro LCL ou com filtro indutivo na ligação à rede BT.

4.2.1. G com filtro LCL

Esta simulação é efectuada com base no esquema da figura 4.1. O microgerador não é

compensado, ou seja, não actua como filtro activo de potência.

Na figura 4.5 representam-se as formas de onda da tensão na rede BT e da corrente

icarga consumida pela carga não-linear.

Figura 4.5 – Tensão da rede e corrente consumida por uma carga não-linear.

Na figura 4.6 representam-se as formas de onda da tensão na rede BT e da corrente

iG fornecida pelo microgerador.

1.9 1.91 1.92 1.93 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2

-30

-20

-10

0

10

20

30

Tensão d

a r

ede [

V/1

0]

e C

orr

ente

na c

arg

a n

ão-lin

ear

[A]

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente na carga não-linear

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38

Figura 4.6 – Tensão da rede e corrente fornecida pelo G convencional com filtro LCL.

Relativamente ao microgerador, verifica-se que a tensão no condensador do andar DC

(Fig. 4.7) está estabilizada em 500V, seguindo o valor de referência.

Figura 4.7 – Tensão no andar DC do G convencional.

1.9 1.91 1.92 1.93 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2

-30

-20

-10

0

10

20

30

Tensão d

a r

ede [

V/1

0]

e C

orr

ente

do m

icro

gera

dor

[A]

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente do microgerador

1.9 1.91 1.92 1.93 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 20

100

200

300

400

500

600

Tensão n

o C

ondensador

[V]

tempo (s)

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39

Na figura 4.8 representam-se as formas de onda da tensão e da corrente irede na rede

BT.

Figura 4.8 – Tensão e corrente na rede BT, com carga não-linear e G convencional.

Verifica-se que a corrente na rede apresenta uma taxa de distorção harmónica de

20,48%. A microgeração compensada permitirá reduzir substancialmente este valor.

4.2.2. G compensado com filtro LCL

Com a microgeração compensada é possível garantir que a corrente da rede irede é

praticamente sinusoidal (Fig. 4.9), ao contrário do que se verificava no microgerador

convencional (Fig. 4.8).

Considerando uma carga não-linear com a mesma característica tensão/corrente da

figura 4.5, obtiveram-se as formas de onda da tensão da rede, da corrente da rede (Fig. 4.9) e

da corrente do microgerador com controlo polinomial (Fig. 4.10). O FAP controla a corrente

injectada na rede, actuando no microgerador que funciona como fonte de corrente que

compensa a corrente não linear da carga.

1.9 1.91 1.92 1.93 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2

-30

-20

-10

0

10

20

30

Tensão d

a r

ede [

V/1

0]

e C

orr

ente

na r

ede [

A]

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente na rede

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40

Figura 4.9 – Tensão e corrente da rede com carga não linear e G compensado com filtro LCL.

Figura 4.10 - Corrente fornecida pelo G compensado.

Também se verifica que a tensão no condensador do andar DC (Fig. 4.11) está

estabilizada em 500V, de acordo com o esperado.

1.9 1.91 1.92 1.93 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2

-30

-20

-10

0

10

20

30

Tensão d

a r

ede [

V/1

0]

e C

orr

ente

na r

ede [

A]

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente na rede

1.9 1.91 1.92 1.93 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2

-30

-20

-10

0

10

20

30

Corr

ente

forn

ecid

a p

elo

mic

rogera

dor

[A]

tempo (s)

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41

Figura 4.11 – Tensão no andar DC do G compensado.

Com o G compensado a corrente da rede fica mais semelhante a uma sinusóide,

sendo a taxa de distorção harmónica da corrente da rede (1,92%) bastante inferior ao cenário

em que não existe compensação (20,48%).

4.2.3. G compensado com filtro indutivo

Para comparar resultados, o microgerador compensado também é simulado

considerando um filtro indutivo (Fig. 4.12).

VRInversor VPWM

i0LinvRL

ipv

CFAP

Carga não

linear

irede

icarga

Figura 4.12 - G compensado com filtro indutivo na ligação à rede BT.

1.9 1.91 1.92 1.93 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 20

100

200

300

400

500

600

Tensão n

o C

ondensador

[V]

tempo (s)

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42

Considerando uma carga não-linear com a mesma característica tensão/corrente da

figura 4.5, obtiveram-se as formas de onda da tensão da rede, da corrente da rede (Fig. 4.13) e

da corrente do microgerador (Fig. 4.14).

Figura 4.13 – Tensão e corrente na rede, com carga não linear e G compensado com filtro indutivo.

Figura 4.14 - Corrente fornecida pelo G compensado com filtro indutivo.

1.9 1.91 1.92 1.93 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2

-30

-20

-10

0

10

20

30

Tensão d

a r

ede [

V/1

0]

e C

orr

ente

na r

ede [

A]

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente na rede

1.9 1.91 1.92 1.93 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2

-30

-20

-10

0

10

20

30

Corr

ente

forn

ecid

a p

elo

mic

rogera

dor

[A]

tempo (s)

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43

Também se verifica que a tensão no condensador do andar DC (Fig. 4.15) está

estabilizada em 600V, de acordo com o esperado.

Figura 4.15 – Tensão no andar DC do G compensado, com filtro indutivo.

Verifica-se que no G compensado com filtro indutivo a corrente da rede é semelhante

a uma sinusóide. No entanto, quando comparada com a corrente obtida com o G compensado

com filtro LCL, verifica-se que a THD é superior, o que aliás é bem visível nas formas de onda,

que apresentam um tremor superior.

4.2.4. Comparação dos resultados obtidos

Ao simular uma rede de BT que alimenta uma carga não-linear obtém-se os valores de

THD representados na tabela 4.1.

Tabela 4.1 – THD da corrente numa rede BT com G de 3,45kW convencional e compensado.

Tipo de Filtro

Rede sem FAP LCL 20,48

Rede com FAP L 5.34

LCL 1,96

Através das figuras 4.8 e 4.9 e da tabela 4.1, verifica-se que a introdução do filtro activo

de potência reduz substancialmente a THD da corrente da rede. Considerando que há

1.9 1.91 1.92 1.93 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 20

100

200

300

400

500

600T

ensão n

o C

ondensador

[V]

tempo (s)

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44

compensação do factor de potência (Fig. 4.9 e Fig. 4.13) verifica-se que com o filtro LCL se

obtém uma maior atenuação da THD da corrente.

Na tabela 4.2 encontra-se os parâmetros de QEE da carga não-linear usada nas

simulações.

Tabela 4.2 – Valores simulados na carga não-linear.

S [VA] P [W] Q [VAr]

925 885 270 54,38

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45

5. Resultados de simulação

Neste capítulo faz-se a simulação em MATLAB/Simulink dos G dimensionados no

capítulo 3, inseridos numa pequena rede BT de teste.

Como se pretende estudar a variação dos parâmetros da QEE com o aumento do

número de G na rede, considera-se que a distância destes ao transformador é igual a 200m.

No máximo, são ligados 5 inversores por fase, o que perfaz um total de 15 G (Fig. 5.1).

Figura 5.1 – Rede de BT de teste com 5 G ligados por fase.

Os parâmetros de QEE estudados na simulação dos diferentes tipos de G são: a THD

da corrente injectada, a THD da tensão da rede, o factor de deslocamento e o factor de

potência. São ainda obtidas e comparadas as formas de onda da corrente injectada na rede

por cada G, assim como a tensão da rede BT.

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46

5.1. G com filtro indutivo e controlo por modo de deslizamento

Numa primeira simulação a ligação do G à rede é feita com um filtro indutivo e o

controlo de corrente é feito por modo de deslizamento. Os valores dos parâmetros de QEE

obtidos com 1 e com 5 inversores por fase encontram-se na tabela 5.1.

Tabela 5.1 – Parâmetros de QEE de microgeradores com filtro indutivo e com controlo por modo de

deslizamento.

G por fase Factor de Potência

1 2,89 1,14 0,999

5 5,28 3,48 0,999

Nas figuras 5.2 e 5.3 representam-se as formas de onda das correntes injectadas na

rede por um G e por cinco G, assim como as formas de onda da tensão da rede para os dois

casos.

Figura 5.2 - Formas de onda da tensão e da corrente fornecida com um G por fase.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

cta

da n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

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47

Figura 5.3 - Formas de onda da tensão e da corrente fornecida por um dos cinco G por fase.

Verifica-se que com este tipo de G o factor de deslocamento é praticamente nulo. No

entanto, quando se utilizam 5 G verifica-se que o tremor da corrente e da tensão aumenta

substancialmente.

5.2. G com filtro indutivo e controlo Proporcional-Integral

Na tabela 5.2 encontram-se os valores obtidos no estudo da QEE ao simular um G

com filtro indutivo e com controlador de corrente do tipo PI.

Tabela 5.2- Parâmetros de QEE de microgerador com filtro indutivo e com controlo PI.

G por fase Factor de Potência

1 2,61 1,55 0,999

5 2,60 1,02 0,999

Nas figuras 5.4 e 5.5 encontram-se representadas a corrente injectada na rede assim

como a tensão da rede. Verifica-se que existe uma desfasagem da harmónica fundamental da

corrente injectada em relação à tensão de 1,8º que não sofre um aumento substancial em

comparação com o cenário em que são usados cinco G por fase. No entanto, tal como no

controlo por modo de deslizamento, é visível o aumento siginificativo do ruído na tensão e na

corrente da rede, que se traduz num significativo aumento da taxa de distorção harmónica da

corrente e da tensão.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

cta

da n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

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48

Figura 5.4 – Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede com um G por fase.

Figura 5.5 - Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede por um de cinco G por fase.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

forn

ecid

a p

elo

mic

rogera

dor

(A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente do microgerador

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

forn

ecid

a p

elo

mic

rogera

dor

(A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente do microgerador

Page 62: Avaliação de Parâmetros de Qualidade de Energia em Sistemas de … · Agradecimentos Agradeço à Professora Sónia Ferreira Pinto pelo auxilio prestado durante todo o processo

49

5.3. G com filtro LCL e controlo por modo de deslizamento

Neste caso é utilizado um filtro LCL e controlo por modo de deslizamento na corrente

de saída do inversor. Os valores dos parâmetros de QEE obtidos encontram-se representados

na tabela 5.3.

Tabela 5.3 - Parâmetros de QEE de G com filtro LCL e com controlo por modo de deslizamento, ligados

a uma rede BT.

G por fase Factor de Potência

1 0,95 0,05 0,998

5 1,23 0,22 0,998

Nas figuras 5.6 e 5.7 encontram-se representadas a corrente injectada na rede e a

tensão da rede utilizando, respectivamente um G e cinco G por fase.

Comparando a corrente injectada com a tensão da rede verifica-se que existe uma

desfasagem da harmónica fundamental da corrente injectada em relação à tensão de 3,6º que

se mantém aproximadamente constante com o aumento do número de G por fase.

Figura 5.6 – Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede com um G por fase, com filtro LCL e controlo por modo de deslizamento.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

tada n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

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50

Figura 5.7 - Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede por um dos cinco G por fase, com filtro LCL e controlo por modo de deslizamento.

Comparando os resultados das figuras 5.6 e 5.7 verifica-se que, ao aumentar o número

de microgeradores, o tremor da corrente e da tensão não aumenta, ao contrário do que se

verificava para a solução com filtro puramente indutivo.

5.4. G com filtro LCL e controlador Propocional-Integral

Na tabela 5.4 encontram-se os valores dos parâmetros de QEE obtidos ao usar um

controlador PI para controlar a corrente de saída do inversor.

Tabela 5.4- Parâmetros de QEE para G com filtro LCL e controlador PI.

G por fase Factor de Potência

1 0,94 0,08 0,984

5 0,94 0,12 0,981

Ao analisar as formas de onda da corrente e da tensão representadas nas figuras 5.8 e

5.9, verifica-se que o factor de deslocamento é de 7,2º quando é usado um G por fase e que

aumenta para 10,8º quando se usam 5 G por fase.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

cta

da n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

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51

Figura 5.8 - Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede com um G por fase.

Figura 5.9 - Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede por um dos cinco G por fase.

Comparando os resultados das figuras 5.8 e 5.9 verifica-se que, o aumentar do número

de microgeradores não corresponde num aumento indesejado do tremor da corrente e da

tensão, ao contrário do que se verificava para a solução com filtro puramente indutivo.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

tada n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

tada n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

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52

5.5. G com filtro LCL e controlo polinomial

No último caso estudado, é utilizado controlo polinomial na corrente de saída do filtro

LCL. As medições dos valores da QEE efectuados na simulação encontram-se representadas

na tabela 5.5. Ao analisar a tabela 5.5 verifica-se, que de todos os casos estudados este é o

único em que ao aumentar o número de G da rede, a THD da corrente injectada na rede

diminui.

Tabela 5.5 - Parâmetros de QEE para G com filtro LCL e com controlo por modo polinomial.

UM por fase Factor de Potência

1 0,98 0,08 0,998

5 0,52 0,09 0,998

Na figura 5.10 representam-se as formas de onda da corrente injectada na rede e da

tensão da rede por um G composto por um filtro LCL, com controlo polinomial. As formas de

onda obtidas ao ligar cinco G deste tipo à rede encontram-se representadas na figura 5.11.

Figura 5.10 - Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede com um G por fase.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

tada n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

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53

Figura 5.11 - Formas de onda da tensão e da corrente injectada na rede por um dos cinco G por fase.

Verifica-se que a desfasagem entre a harmónica fundamental da corrente injectada na

rede relativamente à tensão da rede aumenta ligeiramente (de 1,8º para 2,7º) quando o número

de G por fase aumenta de um para cinco. No entanto, não se verifica um aumento significativo

da THD de corrente e da tensão com o aumento de inversores por fase.

5.6. Comparação dos resultados

Para comparar a forma de onda da corrente injectada simulam-se duas redes com G

iguais, um com um filtro indutivo e a outro com um filtro LCL, ambas com controlo por modo de

deslizamento. Na figura 5.12 estão representadas as formas de onda da corrente injectada

pelos dois tipos de G.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Corr

ente

Inje

tada n

a r

ede (

A)

e T

ensão d

a r

ede (

V/1

0)

tempo (s)

Tensão da rede

Corrente Injectada

Page 67: Avaliação de Parâmetros de Qualidade de Energia em Sistemas de … · Agradecimentos Agradeço à Professora Sónia Ferreira Pinto pelo auxilio prestado durante todo o processo

54

Figura 5.12 – Comparação da forma de onda da corrente injectada na rede por cinco G com filtro

indutivo com uma rede com cinco G com filtro LCL.

Ao analisar a figura 5.12 verifica-se que, apesar do condensador do filtro LCL, a

corrente injectada na rede pelo G se encontra praticamente em fase com a corrente injectada

na rede por um G com filtro indutivo. Verifica-se também que o filtro LCL reduz o ruído da

corrente injectada na rede. Para comparar os 5 tipos de G representam-se na tabela 5.6 os

resultados obtidos.

Tabela 5.6 – Comparação dos de QEE das 5 tipologias estudas

Filtro ControloG por

fase

Desfasagem da

primeira harmonica(º)

L Modo

deslizamento

1 2,89 1,14 0

5 5,28 3,48 0

L PI 1 2,61 1,55 1,8

5 2,60 1,02 1,8

LCL Modo

deslizamento

1 0,95 0,05 3,6

5 1,23 0,22 3,6

LCL PI 1 0,94 0,08 7,2

5 0,94 0,12 10,8

LCL Polinomial 1 0,98 0,08 1,8

5 0,52 0,09 2,7

Ao analisar a tabela 5.6 verifica-se que quando o número de G na rede aumenta,

tanto a THD de tensão como a da corrente verificada nos inversores com filtro indutivo é

bastante superior à dos inversores com filtro LCL. Verifica-se também que ao utilizar controlo

linear a THD da corrente nunca aumenta com o número de inversores.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Cor

rent

e fo

rnec

ida

pelo

mic

roge

rado

r [A

]

tempo (s)

Microgerador com filtro L

Microgeredor com filtro LCL

Page 68: Avaliação de Parâmetros de Qualidade de Energia em Sistemas de … · Agradecimentos Agradeço à Professora Sónia Ferreira Pinto pelo auxilio prestado durante todo o processo

55

Considerando apenas G com filtro LCL verifica-se que, ao utilizar-se controlo PI a

desfasagem da primeira harmónica de corrente em relação à tensão da rede é muito elevada

sendo que o factor de potência nunca é inferior a 0,984 que comparado com os valores dos

inversores existentes no mercado (Anexo B) é um pouco baixo, embora ainda esteja de acordo

com os valores definidos pela norma [13].

Page 69: Avaliação de Parâmetros de Qualidade de Energia em Sistemas de … · Agradecimentos Agradeço à Professora Sónia Ferreira Pinto pelo auxilio prestado durante todo o processo

56

6. Conclusões

Com o crescente número de sistemas de Microgeração ligados à rede eléctrica,

aumentam também os problemas na Qualidade de Energia Eléctrica. Esta tese teve como

objectivo analisar alguns dos indicadores de QEE que resultam da introdução da Microgeração

na rede BT e propor estratégias de mitigação dos seus efeitos na qualidade de energia

eléctrica, nomeadamente na Taxa de Distorção Harmónica de tensão e de corrente, assim

como no factor de potência.

Para realizar este estudo recorreu-se ao MATLAB/Simulink para criar um modelo de

um microgerador que, na sua forma mais simplificada, é representado por um inversor

monofásico de tensão, com um filtro de ligação à rede eléctrica BT. A ligação do microgerador

à rede eléctrica é feita através de um filtro, sendo analisadas duas topologias diferentes para a

sua realização: filtro de primeira ordem (indutivo) e filtro de terceira ordem LCL. Para controlar

a corrente a injectar na rede são dimensionados dois tipos de controladores: controladores não

lineares por modo de deslizamento e controladores lineares do tipo PI e polinomial. Todos os

resultados obtidos para a taxa de distorção harmónica da corrente e para o factor de potência

verificam os valores indicados pelos fabricantes e não excedem os valores máximos definidos

pelas normas. No entanto, verifica-se que, ao utilizar um filtro puramente indutivo, a taxa de

distorção harmónica da corrente é signitivamente maior do que a verificada quando a ligação

do microgeredor à rede feita com um filtro LCL. Ao utilizar-se um filtro de ordem mais elevada

também se reduz o tamanho dos seus componentes e, consequentemente, o seu preço e

volume.

Com base no modelo do microgerador com filtro LCL e controlo polinomial foi criado um

novo modelo em que o microgerador também actua como filtro activo de potência. Ao fazer a

simulação de um microgerador ligado a uma carga não linear comprova-se a vantagem do uso

deste tipo de filtro numa rede BT, pois permite reduzir bastante a THD da corrente introduzida

pelas cargas não lineares. Comparando a utilização de um filtro LCL com um filtro indutivo no

andar de saída do microgerador verifica-se que a redução da THD é ainda mais acentuada

para o filtro de ordem superior, tal como seria expectável

Posteriormente, todas as soluções propostas foram utilizadas numa pequena rede de

teste. Os resultados obtidos permitiram concluir que, de uma maneira geral, para uma rede

com vários microgeradores, o filtro de terceira ordem permite obter menores taxas de distorção

harmónica de corrente e de tensão da rede BT e, com o aumento do número de G,

praticamente não existe degradação dos parâmetros de QEE estudados ao contrário do que

acontece com filtro indutivo. Considerando apenas os microgeradores com filtro LCL verifica-se

que a solução que apresenta uma menor desfasagem da primeira harmónica de corrente em

relação à tensão da rede é aquela em que se usa controlo polinomial, com uma desfasagem de

2,7º. Este resultado deve-se ao tipo de controlo utilizado, que considera a dinâmica do filtro de

de 3ª ordem, ao contrário do controlo por modo de deslizamento, com uma desfasagem de 3,6º

Page 70: Avaliação de Parâmetros de Qualidade de Energia em Sistemas de … · Agradecimentos Agradeço à Professora Sónia Ferreira Pinto pelo auxilio prestado durante todo o processo

57

e o controlo PI, com uma desfasagem de 10,8º, em que a dinâmica do filtro não é totalmente

considerada.

De futuro seria interessante a implementação experimental de um microgerador com

filtro LCL com controlo polinomial, assim como de um microgerador compensado, para

confirmar a viabilidade dos modelos e dos controlodaores dimensionados.

Page 71: Avaliação de Parâmetros de Qualidade de Energia em Sistemas de … · Agradecimentos Agradeço à Professora Sónia Ferreira Pinto pelo auxilio prestado durante todo o processo

58

Bibliografia

[1] Resolução do Conselho de Ministros n.º169/2005, Diário da Republica n.º204 – Série B, 24

de Outubro de 2005

[2] “Manual da Qualidade da Energia Eléctrica” EDP em colaboração com o ISR, Departamento

de Engenharia Electrotécnica da Universidade de Coimbra, 2005.

[3] Martins, J. S.; Couto, C.; Afonso, J. L., “Qualidade de Energia Eléctrica”, 3º Congresso Luso-

Moçambicano de Engenharia, Maputo, 2003.

[4] Directiva 85/374/CEE do Conselho, de relativa à aproximação das disposições legislativas,

regulamentares e administrativas dos Estados-Membros em matéria de responsabilidade

decorrente dos produtos defeituosos, 25 de Julho de 1985.

[5] Silva, J. F. A., “Qualidade da Energia Eléctrica”, Texto de Apoio de Sistemas de Energia em

Telecomunicações, MEEC, Instituto Superior Técnico, Lisboa, 2007.

[6] Grady,W. M.; Gilleskie, R. J., “Harmonics and How They Relate to Power Factor”, Proc of

the EPRI Power Quality Issues and Oportunities Conference (PQA‟93), San Diego, USA,

November 1993.

[7] Silva, J. F. A., “Sistemas de Energia em Telecomunicações: Texto de Apoio”, Instituto

Superior Técnico, Lisboa, 2008.

[8] Silva, F. M. M., “Impacto da Microgeração na Forma de Onda da Tensão da Rede de

Distribuição”, Tese de Mestrado em Engenharia Electrotécnica, Instituto Superior Técnico,

Lisboa, 2009.

[9] Gao, W. and Hung, J.: „Variable Structure Control of Nonlinear Systems: A New Approach‟,

IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 40, No.1, pp.45-54, 1993.

[10] Pedro, N. F. F., “Filtro Activo de Harmónicas de Corrente”, Tese de Mestrado em

Engenharia Electrotécnica, Instituto Superior Técnico, Lisboa, 2007.

[11] Frade, P. M. S., “Microgeração como solução reparadora da Qualidade de Energia

Eléctrica” Tese de Mestrado em Engenharia Electrotécnica, Instituto Superior Técnico, Lisboa,

2009.

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59

[12] Decreto-Lei n.º 363/2007 de 2 de Novembro, Diário da República, 1ª série – N.º211,

Ministério da Economia e Inovação, 2 de Novembro de 2007.

[13] European Standard EN50438, “Requirements for the Connection of Micro-generators in

Parallel with Public Low-Voltage Distribution Networks”, 2007.

[14] Shen, G; Xu, D.; Cao, L.; Zhu, X., “An Improved Control Strategy for Grid-Connected

Voltage Source Inverters With an LCL Filter”, IEEE Trans. Power Electronics, vol. 23, no.4,

pp.1899-1906, 2008.

[15] Liserre, M.; Blaabjerg, F.; Hansen, S., “Design and Control of an LCL-Filter-Based Three-

Phase Active Rectifier”, IEEE Trans. Industry Applications, vol. 41, no.5, pp.1281-12991, 2005.

[16] Daniels, R. W. “Approximation Methods for Electronic Filter Design”. New York: McGraw-

Hill, 1974.

[17] Jalili, K.; Bernet, S., “Design of LCL Filters of Active-Front-End Two-Level Voltage-Source

Converters”. IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 56, no.5, pp. 1674-1689, 2009.

[18] Özdemir, E.; Kale, M.; Özdemir, Ş., “Active Power Filter for Power Compensation Under

Non-Ideal Mains Voltages”, Proc. 11th Mediterranean Conference on Control and Automation,

Rhodes, Grécia, Junho 2003.

[19] McGranaghan, M., “Active Filter Design and Specification for Control of Harmonics in

Industrial and Commercial Facilities”, Electrotek Concepts, Inc., Knoxville TN, EUA.

[20] Morán, L. A.; Dixon, J. W.; Espinoza, J. R.; Wallace, R. R., “USING ACTIVE POWER

FILTERS TO IMPROVE POWER QUALITY”, 5º COBEP, Foz do Iguaçu, Brasil, 1999.

[21] Nexans, “Transport et Distribution de l‟Énergie – Transformateurs”, Julho de 2009,

<http://www.nexans.ma/Morocco/2009/Catalogue%20Transformateurs.pdf>

[22] SMA Solar Technology AG, “SUNNY BOY 3300 / 3800 - O generalista”,

<http://download.sma.de/smaprosa/dateien/5691/SB33_38_38V-DPT104442W.pdf>

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60

Anexo A: Modelo da Rede

De modo a estudar o impacto dos G em alguns dos indicadores de qualidade de

energia eléctrica constrói-se um modelo de uma rede eléctrica de modo a simular a rede de

Baixa Tensão. A simulação da rede é feita recorrendo ao MatLab/Simulink.

A.1. Transformador

Considera-se o modelo equivalente em T do transformador, representado na figura A.1,

e recorrendo aos dados de um fabricante (Nexans [21]):

Tensão MT: 30 kV;

Tensão BT: 400 V;

Potência nominal: 630 kVA;

Perdas em vazio: 1800 W;

Perdas em carga: 7500 W;

Tensão de curto-circuito: 4,5%;

Corrente de magnetização: 1,8%.

V2V1

jX2R2jX1R1

Gm

I1I2

Im

jBm

Figura A.1 - Esquema equivalente em T do Transformador.

A.1.1. Ensaio em vazio

Vn Gm

Im

jBm

Figura A.2 - Esquema equivalente do transformador em vazio.

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Tabela A.1: Parâmetros do transformador em vazio.

Tensão em Vazio Perdas em vazio Corrente de magnetização

Fabricante [21]

Valor base

Valor p.u.

A condutância de magnetização é dada por (A.1):

(A.1)

E a partir desta obtém-se o valor da resistência de magnetização :

(A.2)

A susceptância de magnetização é dada por:

(A.3)

A partir do qual se obtém o valor da reactância de magnetização :

(A.4)

A.1.2. Ensaio em curto-circuito

Vcc

ZccIn

Figura A.3 - Esquema equivalente do transformador em curto-circuito.

O módulo da impedância de curto-circuito é dado por (A.5):

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(A.5)

A impedância de curto-circuito é composta pelas componentes resistiva e reactiva. A

componente resistiva é determinada através da potência :

(A.6)

Conhecendo o valor do modulo da impedância e o valor da componente resistiva, o

valor da componente reactiva é dado por (A.7):

(A.7)

Assumindo que as resistências e reactâncias do primário e secundário têm o mesmo

valor, obtém-se:

(A.8)

(A.9)

Foram obtidos os seguintes parâmetros no dimensionamento do transformador:

A.2. Linha eléctrica

A.2.1. Resistência

A resistência de linear em corrente continua é dada por (A.10):

(A.10)

Onde:

é a secção do condutor em

é a sua resistividade à temperatura de 20ºC que para o alumínio tem o valor de

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A.2.2. Indutância

A indutância do condutor é dada por:

(A.11)

Sabendo que a permeabilidade do vazio, , é , então o coeficiente

de auto-indução para o caso em que os condutores estão dispostos simetricamente é dado por:

(A.12)

Onde:

é a média geométrica das distâncias entre o eixo dos condutores ;

é o diâmetro da alma condutora de cada um dos condutores .

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Anexo B: Dados de catálogo

Dados técnicos dos inversores de tensão Sunny Boy SB3300-IT/3800-IT [22].

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Anexo C: Função de transferência do filtro LCL

Considerando a figura 3.12 as equações do sistema são dadas por (C.1):

(C.1)

Aplicando a transformada de Laplace a (C.1) obtém-se:

(C.2)

Considerando as equações (C.2), obtém-se a função de transferência da corrente de

saída do filtro em função da variável de comando:

(C.3)

Reescrevendo (C.3) obtém-se:

(C.4)

Resolvendo a segunda e terceira equações de (C.4) em ordem à corrente de saída do

filtro , obtém-se:

(C.5)

Substituindo a segunda equação na terceira equação de (C.5) obtém-se:

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(C.6)

Substituindo a segunda e terceira equações na primeira equação de (C.6) obtém-se:

(C.7)

Reescrevendo (C.7):

(C.8)

Agrupando os termos obtém-se:

(C.9)

Reescrevendo na forma canónica a função de transferência da corrente de saída do

filtro em função da variável de comando é dada por:

(C.10)