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SISTEMA AUTOMÁTICO PARA

REGULAÇÃO DE TENSÃO EM REDES DE

BAIXA TENSÃO

Por: Jean C. da Cunha

Orientador: Marcello Mezaroba Dr.

Coorientador: Alessandro Luiz Batschauer Dr.

Dezembro 2012

TÓPICOS ABORDADOS

Formulação do problema – Dispositivos X Regulamentação;

Dispositivo Proposto;

Etapas de Desenvolvimento;

Estrutura do Sistema;

Estrutura de Potência;

Controle;

Resultados Experimentais

Comentários Finais.

REGULAMENTAÇÃO SETOR ELÉTRICO

Amostragem:

Valores válidos

para janelas de 10

minutos;

Tempo para

atuação de no

máximo 3 segundos

Basta uma única

violação diária.

Limites para Adequação (ANEEL PRODIST mod. 8):

3% Valores Precários;

0.5% Valores Críticos;

90 Dias Precária;

15 Dias Crítica;

Penalidades: Ressarcimento do Consumidor

Tensão de Atendimento (TA) Faixa de Variação da Tensão de Leitura (Volts)

220/127 Adequada (201≤TL≤231)/(116≤TL≤133)

Precária (189≤TL<201 ou 231<TL≤233)/

(109≤TL<116 ou 133<TL≤140)

Crítica (TL<189 ou TL>233)/(TL<109 ou TL>140)

ANEEL / PRODIST / Módulo 8

SOLUÇÕES USUAIS

Alocação de Banco Automático de Capacitores:

Difícil alocação otimizada dos dispositivos;

Instalação e ajustes ;

Dificuldade em cumprir prazos da legislação.

Mudança no Tap dos Transformadores

Taps com alto tempo de resposta;

Não “vê” mudanças momentâneas ;

DISPOSITIVO PROPOSTO

Principais Objetivos:

Solucionar rapidamente a regulação de tensão;

Permitir a adequação da rede;

Ganhar maior prazo para soluções definitivas;

Prover o uso de soluções móveis na rede;

Reduzir custos das penalidades;

Mudanças quanto ao STATCOM tradicional:

Estratégia de Controle;

Tempo de Atuação;

Tecnologia Empregada.

Necessidade Dispositivo mais eficiente:

Baixo tempo de resposta ( < 3s );

Atuação antes do registro da variação de tensão;

Regulador de tensão baseado na injeção de

potência reativa nas barras (STATCOM);

Estrutura Sistema – Diagrama Unifilar

Lf

Rede

CAZlinha Carga

Cf

Cb1

Cb2

VB

Inversor de TensãoFiltro para Alta

Frequência

Região de CargaSubestação Linha de

Distribuição

vi

vi

v

i

Ztr

Transformador

da rede de

Distribuição

iLZlinha

Linha de

Distribuição

PAC

(Ponto de

Acoplamento de

Carga)

iC

ird

Estrutura Potência

LfB

LfA

LfC

Filtros A.F.

Cb+

Cb-

Regulador de TensãoBar.

CC

CfA CfB CfC

Vb+

Vb-

vPAC_A

vPAC_B

vPAC_C

Comutadores

ifA

ifB

ifCvC_A

vC_C

vC_BVB

Parâmetros do Conversor

Potência de saída So = 4500 VA

Tensão do barramento CC VB = 600 V

Tensão eficaz de fase da rede vrd_ef = 127 V

Ondulação de corrente máxima FAS ΔiL% = 17 %

Ondulação de tensão máxima no barramento CC ΔVB% = 3 %

Frequência de comutação fs = 50 kHz

Frequência da rede frd = 60 Hz

Dispositivos de Potência do Conversor

𝐶𝑏 ≥

𝑆𝑜3

∆𝑉𝑐𝑇 ∙ 𝜔𝑟𝑑 ∙ 𝑉𝐵 𝐿𝑓_𝑚í𝑛 =

𝑉𝐵4 ∙ ∆𝑖𝐿 ∙ 𝑓𝑆

𝐶𝑏 = 1,1𝑚𝐹 𝐿𝑓_𝑚í𝑛 = 1,04𝑚𝐻

Filtro de Alta Frequência - LC

Baixo Volume

Baixas Perdas

Uma Década abaixo de fs

Uma Década acima de frd

Cf

Lf

Zrdvcf(t)+vch(t) ZL

icf(t)+ich(t)

if

𝐶𝑓 =1

𝐿𝑓∙

1

2𝜋 ∙ 𝑓𝑟𝑒𝑠

2

𝐶𝑓 = 4𝜇𝐹

𝑓𝑟𝑒𝑠 = 2,5𝐾𝐻𝑧

Estrutura Geral

X

Controlador

de Corrente

Sensor de

Corrente

em Lsa

Modulador

PWM

Senóide de

Referência

i*cs

v(t) para

VRMS(t)

X

Sensor de Tensão em via

sincronismo

Controlador

de Tensão

v*c

90º 0º

0º

Lfc

Cfc

X

Controlador

de Corrente

Sensor de

Corrente

em Lsa

Modulador

PWM

Senóide de

Referência

i*cs

v(t) para

VRMS(t)

X

Sensor de Tensão em via

sincronismo

Controlador

de Tensão

v*c

90º 0º

0º

Lfb

Cfb

Rede

CA

Cb-

Cb+

CargaN

C

B

A

Zrdc

Zrdb

Zrda

ird_C

ird_B

ird_A

Q

Drives de

Acionamento

Q1,...,Q6

Controlador

Tensão Total

V*B

Sensor

de

Tensão

Sensor

de

Tensão

V*des

VB

Controlador

Desequilíbrio

de Tensão

iL_C

iL_B

iL_A

vPAC_C

vPAC_B

vPAC_A

ifA

X

Controlador

de Corrente

Sensor de

Corrente

em Lsa

Modulador

PWM

Senóide de

Referência

i*cs

v(t) para

vRMS(t)

X

Sensor de Tensão em vPCC_A

sincronismo

Controlador

de Tensão

Eficaz

v*c

90º 0º

0º

Lfa

Cfa

ifB

ifC Vb+

Vb-

icA

icB

icC

Diagrama de Controle

I*C

Planta

Vrd

V*P Controle

VPC

vrd(t)

x

x

PLL

∟0º

∟ 90º

RMS

VPIC

εP V’PCVPC

V’PSensor

VAC

Planta

Corrente

V*T

Sensor

V

Controle

VDC

VDif

εVDC VTC V’TC

V’T

V*DifControle

VDif

εVDCVDif

Sensor

V

VT

I*C

Planta

Vrd

V*P Controle

VPC

vrd(t)

x

x

PLL

∟0º

∟ 90º

RMS

VPIC

εP V’PCVPC

V’PSensor

VAC

Planta

CorrenteI*C

Planta

VPAC

V*P Controle

VPAC

vrd(t)

x

x

Sincronismo

∟0º

∟ 90º

RMS

VPIC

εP V’PACVPAC

V’PSensor

VAC

Planta

Corrente

Planta

VDC_T

Planta

VDif

Fase AFase B

Fase C

Diagrama de Controle

Malha de Corrente

Malha de Corrente

Controlador

de Corrente

Sensor de

Corrente

Modulador

PWM

I*C_d

Planta de

Corrente

AtenuadorICDI’CCICC

I’C

εIc

I*C_q

0º

90º

I*C

Modelos

Modelo da Planta de Corrente:

Modelo da Planta Tensão Total do Barramento CC:

Modelo da Planta de Tensão Diferencial do Barramento CC:

𝐺𝑖𝑓(𝑠) =𝑉𝐵

𝑠 ∙ 𝐿𝑓

𝐺𝑉𝑡𝑡(𝑠) =3

2∙𝑉𝑟𝑑_𝑝𝑘𝑉𝐵

∙1

𝑠 ∙ 𝐶𝑜

𝐺𝑣𝑑(𝑠) =3

2 ∙ 𝑠 ∙ 𝐶𝑜

𝐺𝑣_𝑃𝐶𝐶(𝑠) =

1𝐶𝑓

∙ 𝑠 +𝑟𝑟𝑑𝐿𝑟𝑑

𝑠2 + 𝑠𝑟𝑟𝑑𝐿𝑟𝑑

+1

𝐿𝑟𝑑 ∙ 𝐶𝑓

Modelo da Planta de Tensão no PAC:

Projeto dos Controladores

Requisitos de Projeto:

Margem de fase entre 30º e 150º

A inclinação da curva de ganho para o sistema em laço aberto

na passagem por 0dB deve ser de –20dB/década

Erro estático nulo ao degrau

A frequência de cruzamento da curva de ganho para o sistema

em laço aberto deve ser pelo menos quatro vezes menor do que

a frequência de comutação


Parâmetro do Conversor para o projeto dos Controladores:

Indutância do filtro de saída 𝐿𝑓 = 1100𝜇𝐻

Capacitância do barramento CC 𝐶𝑂 = 1𝑚𝐹

Tensão nominal do barramento CC 𝑉𝐵 = 600𝑉

Ganho do sensor de corrente 𝐾𝑠_𝑖 = 0,068

Ganho do sensor de tensão total 𝐾𝑠_𝑣𝑡 = 0,01

Ganho do sensor de tensão diferencial 𝐾𝑠_𝑣𝑑 = 0,01

Ganho do sensor de tensão de saída 𝐾𝑠_𝑣𝑠 = 0,01

Ganho na saída do controlador de corrente 𝐾𝑎𝑡_𝑖 = 0,64

Ganho na saída do controlador de tensão total 𝐾𝑎𝑡_𝑣𝑡 = 0,21

Ganho na saída do controlador de tensão diferencial 𝐾𝑎𝑡_𝑣𝑑 = 1

Ganho na saída do controlador de tensão de saída 𝐾𝑎𝑡_𝑣𝑠 = 0,84

Ganho do multiplicador de corrente direta 𝐾𝑚𝑑 = 0,1

Ganho do multiplicador de corrente em quadratura 𝐾𝑚𝑞 = 0,8

Frequência de comutação 𝑓𝑠 = 50𝑘𝐻𝑧

Ganho do modulador PWM 𝐾𝑃𝑊𝑀 = 0,09𝑉−1


Controlador de Corrente de Entrada

Função de Transferência de Laço Aberto

Controlador PI + Pólo

Onde:

Frequência de cruzamento:

11kHz

Margem de fase: 54o

𝐶1 = 120𝑝𝐹

𝐶2 = 1𝑛𝐹

𝑅1 = 47𝑘Ω

𝑅2 = 1,3𝑘Ω

R1

+

-

C2

R2

C1

Vin

Vref

Vout

𝐹𝑇𝑀𝐴𝑖(𝑠) = 𝐾𝑎𝑡_𝑖 ∙ 𝐾𝑃𝑊𝑀 ∙𝑉𝐵

𝑠 ∙ 𝐿𝑓∙ 𝐾𝑠_𝑖 ∙ 𝐻𝑖𝑝𝑖 (𝑠)

𝐻𝑖𝑝𝑖(𝑠) = 𝐾𝑖𝑓𝑝𝑖 ∙𝑠 + 𝑍𝑖𝑝𝑖

𝑠 ∙ 𝑠 + 𝑃𝑖𝑝𝑖

𝑍𝑖𝑝𝑖 = 2𝜋 ∙ 3,4𝑘 𝑟𝑎𝑑𝑠𝑒𝑔

𝑃𝑖𝑝𝑖 = 2𝜋 ∙ 31,6𝑘 𝑟𝑎𝑑𝑠𝑒𝑔

𝐾𝑖𝑝𝑖 = 6,4 ∙ 106

Malha de Corrente

Controlador

de Corrente

Sensor de

Corrente

Modulador

PWM

I*C_d

Planta de

Corrente

AtenuadorICDI’CCICC

I’C

εIc

I*C_q

0º

90º

I*C


Controlador de VT do Barramento CC



Onde:


6,8Hz

Margem de fase: 46,5o

𝐶1 = 12𝑛𝐹

𝐶2 = 470𝑛𝐹

𝑅1 = 56𝑘Ω

𝑅2 = 2,2𝑘Ω

R1

+

-

C2

R2

C1

Vin

Vref

Vout

𝐹𝑇𝑀𝐴𝑣𝑡 𝑠 = 𝐾𝑎𝑡𝑣𝑡 ∙ 𝐾𝑚𝑑 ∙1

𝐾𝑠𝑖∙3

2∙𝑉𝑟𝑑𝑝𝑘𝑉𝐵

∙1

𝑠 ∙ 𝐶𝑜

∙ 𝐾𝑠_𝑣𝑏 ∙ 𝐻𝑣𝑡𝑝𝑖

𝐻𝑣𝑡𝑝𝑖(𝑠) = 𝐾𝑣𝑡𝑝𝑖 ∙𝑠 + 𝑍𝑣𝑡𝑝𝑖

𝑠 ∙ 𝑠 + 𝑃𝑣𝑡𝑝𝑖

𝑍𝑣𝑡𝑝𝑖 = 2𝜋 ∙ 6,0 𝑟𝑎𝑑 𝑠𝑒𝑔

𝑃𝑣𝑡𝑝𝑖 = 2𝜋 ∙ 243 𝑟𝑎𝑑 𝑠𝑒𝑔

𝐾𝑣𝑡𝑝𝑖 = 3,8 ∙ 104

Malha de Tensão Total de Barramento

𝑖𝑐𝑜𝑛𝑣 Controlador

0º

𝜀 Atenuador𝑉∗𝑏_𝑣𝑡

𝑣𝑐𝑡𝑟 _𝑣𝑡 𝑖∗

𝑣𝑏_𝑣𝑡′

Planta de Tensão Total de

Barramento

𝐾𝑠_𝑣𝑏

𝑣𝑐𝑡𝑟 _𝑣𝑡 ′ 1𝐾𝑠_𝑖

Ganho da Malha de

Corrente


Controlador de VD do Barramento CC



Onde:


2,3Hz

Margem de fase: 50,4o

𝐶1 = 100𝑛𝐹

𝐶2 = 3,3𝜇𝐹

𝑅1 = 27𝑘Ω

𝑅2 = 470𝑘Ω

R1

+

-

C2

R2

C1

Vin

Vref

Vout

𝐹𝑇𝑀𝐴𝑏_𝑣𝑑 𝑠 = 𝐾𝑎𝑡_𝑣𝑑 ∙1

𝐾𝑠_𝑖∙

3

2∙𝑠∙𝐶𝑜∙ 𝐾𝑠_𝑣𝑏 ∙ 𝐻𝑣𝑑𝑝𝑖(𝑠)

𝐻𝑣𝑑𝑝𝑖(𝑠) = 𝐾𝑣𝑑𝑝𝑖 ∙𝑠 + 𝑍𝑣𝑑𝑝𝑖

𝑠 ∙ 𝑠 + 𝑃𝑣𝑑𝑝𝑖

𝑍𝑣𝑑𝑝𝑖 = 2𝜋 ∙ 1,8 𝑟𝑎𝑑 𝑠𝑒𝑔

𝑃𝑣𝑑𝑝𝑖 = 2𝜋 ∙ 60,7 𝑟𝑎𝑑 𝑠𝑒𝑔

𝐾𝑣𝑑𝑝𝑖 = 3,8 ∙ 104

Malha de Tensão Diferencial de Barramento


𝜀 Atenuador𝑉∗𝑏_𝑣𝑑 𝑣𝑐𝑡𝑟 _𝑣𝑡 𝑖∗

𝑣𝑏_𝑣𝑡′

Planta de Tensão

Diferencial de Barramento

𝐾𝑠_𝑣𝑏

1𝐾𝑠_𝑖

𝑉𝑏_𝑣𝑑

Ganho da Malha de

Corrente


Controlador de VPAC



Onde:


0,5Hz

Margem de fase: 109o

𝐶1 = 470𝑛𝐹

𝐶2 = 470𝑛𝐹

𝑅1 = 1𝑀Ω

𝑅2 = 22𝑘Ω

R1

+

-

C2

R2

C1

Vin

Vref

Vout

𝐹𝑇𝑀𝐴𝑏_𝑣𝑑 𝑠 = 𝐾𝑎𝑡 ∙ 𝐾𝑚𝑢𝑙𝑡 ∙1

𝐾𝑠𝑖∙ 𝐻𝑉_𝑃𝐴𝐶 ∙

𝐾𝑣 ∙ 𝐺𝑟𝑚𝑠(𝑠) ∙ 𝐻𝑣𝑃𝐴𝐶_𝑝𝑖(𝑠)

𝐻𝑣𝑑𝑝𝑖(𝑠) = 𝐾𝑣𝑑𝑝𝑖 ∙𝑠 + 𝑍𝑣𝑑𝑝𝑖

𝑠 ∙ 𝑠 + 𝑃𝑣𝑑𝑝𝑖

𝑍𝑣𝑑𝑝𝑖 = 2𝜋 ∙ 0,34 𝑟𝑎𝑑 𝑠𝑒𝑔

𝑃𝑣𝑑𝑝𝑖 = 2𝜋 ∙ 0,68 𝑟𝑎𝑑 𝑠𝑒𝑔

𝐾𝑣𝑑𝑝𝑖 = 96,7

Malha de Tensão Total no PAC

𝑣𝑃𝐴𝐶

RMStoDC

90º

𝜀 𝑉∗𝑃𝐴𝐶 𝑣𝑐𝑡𝑟 𝑣𝑐𝑡𝑟

′ 𝑖∗𝑐𝑜𝑛𝑣

𝑣𝑃𝐴𝐶′

Planta de Tensão no PAC

𝑣𝑃𝐴𝐶′

𝐾𝑣

𝐾𝑎𝑡 1𝐾𝑠_𝑖

Ganho da Malha de

Corrente



Planta de Testes

Carga

LL

M_B

RL

M_

B

LL

M_

A

RL

M_

A

LL

M_

C

RL

M_

C

Carga Principal Carga Permanente

RL

P_

A

RL

P_B

RL

P_C

Fase A Fase B Fase C

Vb+Lf

Cf

vrd

ird ic

Cb1

Cb2

VB

Zrd_eq

iL

vPAC

PAC

Vb-

Carga


Potência reativa máxima do conversor 1500VAr Fator de potência da carga (indutiva) 0,67

Potência aparente da Carga 3205VA

Resistência série da carga máxima 6,6Ω

Indutância séria da carga 18mH

Indutância série equivalente da linha 1,7mH

Resistência série equivalente da linha 0,2Ω

Tensão Nominal da rede 127 (Vrms) Tensão no PCC sem compensação 114/133 (Vrms) Tensão no PCC com compensação 118/122 (Vrms)

Parâmetros por fase da

planta de ensaio à

Vrd=127Vrms Vb+Lf

Cf

vrd

ird ic

Cb1

Cb2

VB

Zrd

iL

vPAC

PAC

Vb-

Carga

Resultados Experimentais - Estrutura

Fontes Auxiliares

Módulo de Potência

Circuitos de

Controle

Módulos Digitais

Filtro de Alta Fequência

Sensor de Corrente

Resultados Experimentais – Em Regime

133/136/134 Vrms - 2,4A

Sem Compensação - SEM/COM a carga principal

vPAC

A

vPAC

B

vPAC

C

ird

A

ird

B

ird

C

ird

A

ird

B

ird

C

(50V/div, 1A/div , 5ms/div) (50V/div, 10A/div , 5ms/div)

vPAC

A

vPAC

B

vPAC

C

113/115/114 Vrms - 25A

• Sem Carga • Com Carga

•Tensão P

AC

•

Corr

ente

Rede


121/124 /122 Vrms - 11A

vPAC

A

vPAC

B

vPAC

C

ird

A

ird

B

ird

C

ic

A

ic

B

ic

C


Com Compensação – Sem a Carga Principal

11A

Tensão no PAC (VPAC)

Corrente na Rede (Ird)

Corrente no Conversor (Ic)


118 Vrms - 23A

vPAC

A

vPAC

B

vPAC

C

ird

A

ird

B

ird

C

ic

A

ic

B

ic

C


Com Compensação – Com a Carga Principal

7A / 4A / 4A

Tensão no PAC (VPAC)

Corrente na Rede (Ird)

Corrente no Conversor (Ic)

vPAC_A

vPAC_C

vPAC_B

120VRMS

vPAC_A

ird_A

ic_A

Resultados Experimentais - Dinâmica

Tensão no PAC - Corrente da carga, na

rede e no conversor; Transitório do sistema utilizando

o compensador de tensão

De 122Vrms p/ 118Vrms

Tensões RMS

(50V/div, 15A/div , 100ms/div) (10V/div, 100ms/div)

Conexão da carga


Tensão no PAC - Corrente da carga, na

rede e no conversor;

ic_A

ird_A

vPAC_A

vPAC_A

vPAC_C

vPAC_B

120VRMS

De 118Vrms p/ 122Vrms

Tensões RMS

(50V/div, 15A/div , 50ms/div) (10V/div, 50ms/div)

Transitório do sistema utilizando

o compensador de tensão

Desconexão da carga


Desconexão da carga

principal

Conexão da carga

principal

Vb+

vPAC_A

Vb-

Vb+

vPAC_A

Vb-

Tensões de barramento CC, e no PAC

(100V/div, 100ms/div) (100V/div, 100ms/div)

COMENTÁRIOS FINAIS

O controle de corrente permite variações

paramétricas na linha de distribuição

O conversor foi capaz de regular a tensão nos

tempos exigidos pelo ANEEL.

Tensões do barramento mantiveram-se reguladas

Proposta de regulação atingida

Sugestões para trabalhos futuros:

Implementar Circuito de Pré-carga

Utilizar Outro método para o cálculo de

tensão RMS

Efetuar sincronismo de referências

individuais (por fase) / utilizar outro método

Efetuar compensação de harmônicos de

corrente

AGRADECIMENTOS

Família

UDESC

nPEE

Membros da Banca

Marcello Mezaroba

e-mail: [email protected]

Jean Carlo da Cunha

e-mail: [email protected]

Contatos

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