DESENVOLVIMENTO DE COMPENSADOR SÉRIE PARA MITIGAÇÃO HARMÔNICA E CORREÇÃO DINÂMICA DE FATOR DE POTÊNCIA

Transcrição

1 DESENVOLVIMENTO DE COMPENSADOR SÉRIE PARA MITIGAÇÃO HARMÔNICA E CORREÇÃO DINÂMICA DE FATOR DE POTÊNCIA GUSTAVO G. O. SILVA, IGOR A. PIRES, GLEISSON J. FRANÇA, BRAZ J. C. FILHO Laboratório TESLA, Depto. de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais Caixa Postal , , Belo Horizonte, MG, Brasil gustavocontrole@ufmg.br, iap@ufmg.br, gleissonjf@ig.com.br, cardosob@ufmg.br Abstract This work presents the development of a series compensator that inserts harmonic impedances in the electrical system. The impedances are inserted only in specific frequencies, because it is not necessary to cancel completely the harmonics. It is necessary to cancel only specific harmonics which values are higher than acceptable. Furthermore, this work uses coaxial transformer for active harmonic impedances, which became the compensator utilization more viable due to the fact that coaxial transformer does not need to significantly change the electrical system. Keywords Active filter, coaxial transformer, harmonics, series compensator. Resumo Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de um compensador série com a propriedade de inserir impedâncias no sistema elétrico. As impedâncias são inseridas apenas nas freqüências específicas, pois não é necessário o total cancelamento dos harmônicos, uma vez que é necessário cancelar apenas aqueles harmônicos que não estão dentro dos valores compatíveis dos equipamentos que compartilham o sistema em questão. Além disso, esse trabalho utiliza transformadores coaxiais para as impedâncias harmônicas ativas, o que torna a sua utilização mais viável, pois dessa forma não são necessárias mudanças significativas no sistema elétrico. Palavras-chave Harmônicos, filtro ativo, transformador coaxial, compensador série. 1 Introdução Sabe-se que os avanços tecnológicos vêm aumentando significativamente com o decorrer do tempo, principalmente no setor eletrônico. Contudo, esse avanço trás um aumento da quantidade de cargas não-lineares em sistemas elétricos, fato que reduz a garantia da confiabilidade desses sistemas, pois torna a correção de fator de potência mais complexa, devido à distorção harmônica da tensão e da corrente. Além disso, o crescimento de cargas não-lineares pode aumentar as perdas no sistema de distribuição, reduzir o fator de potência, provocar interferências eletromagnéticas, entre outros. As soluções normalmente utilizadas para a mitigação harmônica são passivas, ativas ou híbridas. As passivas consistem em um sistema com apenas indutores, capacitores e resistores, as ativas utilizam filtros ativos séries e/ou paralelo, cujo elemento principal é o conversor CC/CA controlado e as híbridas são a combinação da passiva com a ativa (Akagi, H., 2006) (Johnson, J.R., 2002) (Rastogi, M., Mohan N., Edris A., 1995). A solução apresentada nesse projeto é o desenvolvimento de um compensador série com a característica de inserir impedâncias no sistema elétrico utilizando um transformador coaxial. Essas impedâncias são inseridas apenas nas freqüências de interesse, pois não é necessário o total cancelamento dos harmônicos, apenas os que são incompatíveis com o sistema elétrico. O uso de um transformador coaxial para inserir impedâncias no sistema possibilita uma forma eficiente e flexível de realizar as injeções, permitindo uma rápida instalação, pois é utilizado o próprio cabo do sistema de potência como secundário do transformador. Essas impedâncias harmônicas podem ser usadas em diversas ocasiões, como por exemplo, a dessintonia ativa de banco de capacitores, que será discutida neste trabalho. Para testar e simular esse projeto foram utilizados modelos no Matlab/Simulink (França, G. J., 2013). Assim, devido ao significativo aumento de harmônicos em sistemas elétricos causados por cargas não-lineares desenvolveu-se esse projeto com o propósito de mitigar esses harmônicos. Sabendo que não é necessário o cancelamento de todos os harmônicos mas só aqueles que são incompatíveis com o sistema, esse trabalho teve como propósito introduzir impedâncias específicas no sistema de uma forma que não seja necessária mudanças muito significativas no mesmo, por meio de um transformador coaxial é possível realizar essa tarefa, aumentando, então, a confiabilidade desses sistemas. 2 Principais técnicas para mitigação de harmônicos É possível verificar três principais tipos de tecnicas para mitigação de harmônicos: filtros passivos, ativos e híbridos. Em um sistema passivo, é possível observar uma relativa dificuldade em relação à flexibilidade e desempenho do sistema, pois os mesmos 3130

2 dependem da configuração das cargas nos sistemas. Já para os filtros ativos e híbridos observam-se um custo mais elevado se comparado aos passivos, porém com uma eficiência significativamente maior (Akagi, H., 2006) (Johnson, J.R., 2002). Os filtros passivos apresentam características de compensação fixas, ou seja, caso haja alguma alteração na planta do sistema também é necessário reavaliar sua estrutura. Dessa forma, sua utilização exige um criterioso estudo da planta antes de sua instalação. Esses filtros também podem apresentar problemas relacionados à ressonância ao volume físico elevado e o fato de que as características de filtragem dependem da impedância da rede (Akagi, H., 2006). Já os filtros ativos, que corresponde à solução apresentada neste trabalho, são constituídos basicamente por conversores estáticos conectados com a rede de maneira a eliminar distorções de tensão ou de corrente e ainda efetuar a correção do fator de potência da carga. Na figura 1, é possível observar um diagrama de blocos explicando basicamente o funcionamento dos filtros ativos (Johnson, J.R., 2002). 3 Estruturas e estratégias utilizadas para implementação Foi desenvolvido nesse projeto um sistema ativo, baseado no uso de conversor de freqüência, para síntese de impedâncias em harmônicos específicos em sistemas monofásicos permitindo o controle do fluxo de harmônicos em sistemas elétricos diversos. A impedância harmônica ativa é definida como uma fonte controlada, via conversor estático, que implementa uma relação específica entre a tensão e a corrente que percorre o secundário do transformador utilizado para acoplamento. Esta relação é definida, de forma independente da freqüência fundamental, para uma ou mais freqüências harmônicas presentes no sistema elétrico de interesse. Esse sistema possui uma flexibilidade significativa devido à utilização de transformadores coaxiais para o acoplamento com o sistema elétrico de interesse, conforme pode ser visualizado na versão monofásica apresentada na figura 2, onde o secundário do transformador coaxial é constituído pelo próprio cabo de potência existente no sistema elétrico de interesse no banco de capacitores como observado na figura 2 (França, G. J., 2013). Figura 1. Esquema básico do funcionamento dos filtros ativos O filtro ativo pode ser paralelo ou série. No primeiro caso ele atua como fonte de corrente, compensando as harmônicas de corrente devido à presença de cargas não-lineares. Já o segundo se baseia no bloqueio do fluxo dos harmônicos entre a carga nãolinear e a fonte, a partir da injeção de tensões harmônicas através do transformador de acoplamento. Para realizar a compensação harmônica é necessária a obtenção de sinais de referência para que seja obtida as variáveis de interesse, uma vez que não serão todos os harmônicos a serem anulados, e sim somente aqueles essenciais. Por ultimo, os filtros híbridos, que consistem em uma combinação entre passivos e ativos. Além da redução de custo, a utilização desses apresenta desempenho superior, uma vez que a parte passiva do filtro pode ficar responsável por compensar uma maior parcela de reativos e/ou eliminar uma determinada componente harmônica e o filtro ativo faria a compensação final, garantindo uma compensação dinâmica ótima do sistema (Rastogi, M., Mohan N., Edris A., 1995). Figura 2. Sistema para implementação de uma impedância harmônica ativa monofásica. O sistema de controle apresentado na figura 3 pode ser representado pelo seguinte diagrama de blocos: Figura 3. Diagrama geral em blocos da implementação da impedância harmônica ativa com detalhamento do algoritmo PLL. O PLL da figura 3 funciona da seguinte maneira: mede-se a corrente elétrica no secundário do transformador coaxial e a partir de um algoritmo PLL 3131

3 (Phase Locked Loop) obtêm-se a amplitude e a fase da componente fundamental da corrente. Então, subtrai-se a corrente medida com a corrente fundamental e o resultado encontrado é aplicado em outro PLL monofásico, que irá identificar a fase, a freqüência e a amplitude da componente harmônica de interesse. Uma estrutura PLL ( Phased-Locked-Loop - Malha Fechada de Fase) consiste, basicamente, em uma malha de controle realimentada cujo principal objetivo é a sintetização de uma senóide, geralmente de amplitude unitária, com freqüência idêntica à freqüência da componente fundamental de um sinal de entrada qualquer. Pode ser definido também como um circuito seletivo em frequência projetado para gerar um sinal em sincronismo com o sinal de entrada e manter o sincronismo, mesmo na presença de ruídos ou variações de frequência. Figura 4. Diagrama básico do algoritmo PLL Pela Figura 4, pode-se verificar que uma malha PLL é composta por basicamente três estruturas: um detector de fase, um filtro passa-baixas e um VCO ( Voltage-controlled-oscilator ). O detector de fase irá gerar um sinal de erro proporcional à diferença de fase entre a senóide gerada internamente pelo PLL e a componente fundamental do sinal de entrada. Esse sinal de erro é tipicamente uma correção de freqüência, ω. Quanto maior a diferença de fase entre o sinal de entrada e a senóide gerada pelo PLL, maior será a correção de freqüência. Em seguida, o sinal de correção de freqüência passa pelo filtro passa-baixas (Loop Filter), onde são removidos os distúrbios indesejáveis que possam afetar o comportamento do VCO. Logo em seguida, o sinal Ud(t), após ser filtrado pelo filtro passa-baixas, irá controlar a freqüência do sinal gerado pelo VCO, que é, basicamente, um oscilador controlado por tensão e que afeta a síntese de uma senóide cuja freqüência é diretamente proporcional a um sinal de controle. Deste modo, após um tempo de sincronização, o PLL irá sintetizar, naturalmente, uma senóide sincronizada em fase e freqüência com o sinal de entrada (Gomes, P. H. C., 2007). Pode-se concluir que são necessários dois algoritmos PLL, um para obter a amplitude e a fase das componentes fundamentais e outro para as harmônicas, e a partir disso obter a tensão harmônica correspondente à impedância a ser inserida. A estrutura utilizada para rastreamento da componente harmônica de interesse é idêntica a utilizada para a componente fundamental, em que ambas utilizam a transformação de Park para o tratamento das grandezas no referencial síncrono. Os algoritmos PLL foram implementados no Simulink, em um sistema como se pode observar na figura 4: Figura 5. Diagrama em blocos do algoritmo PLL (Phase Locked Look) monofásico Analisando a figura 5, o PLL simula um sistema trifásico equilibrado e utiliza como entrada as componentes dos eixos α e β (transformação de Clark) do referencial estacionário para a aplicação da transformação para a obtenção das grandezas no referencial síncrono. Nesse caso, verifica-se a compensação de um harmônico específico, mas é possível que haja uma compensação simultânea de harmônicos (Amuda, L. N., Cardoso Filho, B. J., Silva, S. M., Diniz, A. S. A. C., 2000). O esquema de filtragem ativa utilizada nesse projeto é baseado em um conversor VSI (Voltage Source Inverter). Dessa forma se vê necessário o controle da tensão no barramento CC, conforme demonstrado na figura 6. A energia necessária para manter o barramento carregado é obtida a partir da geração de uma tensão em fase (ou em oposição de fase) com a corrente fundamental que circula no secundário do transformador coaxial. É utilizado um controlador tipo proporcional-integral para a regulação da tensão de entrada Vcc, e é gerada uma tensão em fase com a corrente fundamental obtida a partir do algoritmo PLL. Figura 6. Controle da tensão no barramento CC do conversor. O transformador coaxial deve ser construído observando a tensão máxima a ser injetada na frequência de interesse e ainda garantir a utilização do núcleo magnético em um nível de densidade de fluxo inferior ao nível de saturação magnética do material utilizado em sua construção. É importante lembrar também que o número de espiras do primário deve ser definido levando em consideração a tensão e corrente de trabalho dos semicondutores com melhor custo benefício encontrados no mercado (Kunjumuhammed, L.P. e Mishra M.K., 2006) (Singh, B., Al- Haddad K., e Chandra A., 1998) (Meersman, B., 3132

4 Renders B., Degroote L., Vandoorn T., Vandelvelde L., 2009). 4 Testes e Resultados Obtidos Para simular esse projeto foi empregado o Matlab/Simulink. O sistema utilizado como exemplo de aplicação será a dessintonia do banco automático de capacitores para correção do fator de potência. O sistema é composto basicamente por uma fonte e sua impedância, uma carga com fator de potência indutivo, um banco de capacitores para correção de fator de potência, com um estágio fixo e três estágios comutados a tiristor e uma fonte harmônica injetando componente de quinto harmônico. Mais especificamente tem-se os seguintes dados: potencia base= 150kVA, X=7%, X/R=15, carga: 80kW, FP=0,8 indutivo, Ih=0,15 p.u. de quinto harmônico (100 Apico). A figura a seguir apresenta esse esquema: Figura 7. Sistema monofásico com banco automático de capacitores com dessintonia ativa Inicialmente, verificou-se a corrente no banco de capacitores sem a inserção da impedância ativa. Na figura 8 observa-se esse acontecimento, onde no primeiro gráfico a corrente inicialmente possui pouca perturbação, e na medida em que se ativavam os estágios de capacitores, mais distorcida se torna as correntes que passam pelo banco de capacitores, pois maior se torna as componentes harmônicas no sistema, principalmente a corrente do quinto harmônico. No segundo gráfico observa-se o aumento da componente fundamental e no último o aumento da componente do quinto harmônico. A inserção dessa corrente no banco de capacitores, com um quinto harmônico tão elevado poderia trazer diversas conseqüências ao sistema como a queima do banco de capacitores, o que consequentemente levaria a um fator de potência não desejado. Além disso, verifica-se o mesmo fenômeno na corrente da fonte, isto é, quando os estágios de capacitores são ativados a perturbação na corrente aumenta, enviando essa perturbação para todo o sistema,vide figura 9. Figura 8. Corrente no banco de capacitores sem compensação. Figura 9. Corrente na fonte sem injeção de impedância harmônica. Com o sistema de impedância ativa é possível obter a síntese de uma indutância no quinto harmônico que vai alterar significativamente a corrente no banco de capacitores como é possível verificar na figura 10, além disso, a corrente na fonte também terá seus harmônicos amenizados de acordo com a figura 11. Novamente, no primeiro gráfico, verifica-se a corrente no banco de capacitores com certa distorção, entretanto agora a distorção é amenizada e a componente de quinto harmônico é quase anulada. No segundo gráfico nota-se que a componente fundamental continua aumentando, porém, no terceiro gráfico, percebe-se que acorrente de quinto harmônico é reduzida à quase zero, com alguns picos no momento da ativação dos estágios de capacitores, mas esse fato é quase imperceptível pelo sistema. A componente de quinto harmônico é quase totalmente anulada, sua amplitude se torna baixa a ponto de ser quase insignificante exatamente como esperado do projeto desenvolvido. Dessa forma, o risco de problemas no sistema é reduzido o que torna o sistema elétrico em questão mais seguro e confiável. Figura 10. Correntes no banco de capacitores com injeção de tensão harmônica. 3133

5 4 Conclusão Figura 11. Corrente na fonte com injeção de impedância harmônica. Observando-se os gráficos das figuras dessa seção é possível perceber a dessintonia do banco de capacitores, uma vez que antes da inserção da impedância ativa era verificada uma ressonância paralela de quinto harmônico no sistema, e após a inserção esse harmônico é reduzido a um valor irrisório. As figuras a seguir também descrevem esse fato. Na figura 12 percebe-se que a componente de quinto harmônico cresce consideravelmente a medida que os bancos de capacitores vão sendo ativados. Nesse projeto foi trabalhado o compensador harmônico em sistemas elétricos industriais. Através do sistema Matlab/Simulink foi possível verificar a eficiência do projeto, pois se verificou a corrente no banco de capacitores antes e depois da síntese da impedância ativa. Antes, verificava-se uma forte distorção na corrente, o que poderia até levar a queima do banco de capacitores e outros problemas consequentes, mas ao inserir as impedâncias ativas essa distorção foi reduzida significativamente. Nesse artigo, foi apresentado um sistema monofásico, mas é importante lembrar que o projeto também funciona em um sistema trifásico, com resultados também satisfatórios sem muitas alterações na estrutura. Além da eficiência observada, é interessante salientar também que o projeto possui um sistema inovador no que se refere a sua instalação, pois se utiliza um transformador coaxial para inserir impedâncias no sistema, utilizando o secundário como o próprio cabo do sistema. Dessa forma, conclui-se que a tecnologia apresentada cumpri com seu objetivo de forma significativamente eficiente e, como dito anteriormente, possibilita uma maneira mais flexível de realizar as injeções. Referências Bibliográficas Figura 12. Espectro harmônico da corrente no banco de capacitores com retificador sem compensação harmônica. Já na figura 13, onde há compensação harmônica, mesmo com diversas componentes harmônica nota-se que o compensador série foi capaz de detectar a componente de interesse (quinto harmônico) e reduzi-lo drasticamente para um valor quase insignificante. França, G. J. Desenvolvimento De Compensador Série Para Mitigação Harmônica Distribuída E Correção Dinâmica De Fator De Potência Tese (Doutorado em engenharia elétrica) Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, Minas Gerais Akagi, H., "Modern Active Filters and Traditional Passive Filters", Bulletin of the Polish Academy of Sciences, 2006, vol. 54, n Johnson, J.R., "Proper use of active harmonic filters to benefit pulp and paper mills. Industry Applications", IEEE Transactions on, vol. 38, n 3, pp , My/Jun Rastogi, M., N. Mohan, and A. Edris, "Hybrid-active filtering of harmonic currents in power systems", Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 10, n 4, p , october Figura 13. Espectro harmônico da corrente no banco de capacitores com retificador com compensação harmônica. Assim, conclui-se que os resultados podem ser considerados satisfatórios, uma vez que a corrente harmônica em questão teve seu valor reduzido, tornando o sistema elétrico mais protegido e garantido (França, G. J., 2013). Amuda, L.N., B. J. Cardoso Filho, S. M. Silva, A. S. A. C. Diniz, "Wide bandwidth single and threephase PLL structures for grid-tied PV systems", Photovoltaic Specialists Conference, Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE, pp , Encarnação, L., A.G. Merçon, and H.H. Almeida, "Hybrid Filters to Damp Harmonic Resonance in 3134

6 Power Transmission Systems", in Eletrônica de Potência. vol. 11, n 1, p , março de Kunjumuhammed, L.P. and M.K. Mishra, "Comparison of single phase shunt active power filter algorithms", Power India Conference, 2006 IEEE, p. 8, Singh, B., K. Al-Haddad, and A. Chandra, "A universal active power filter for single-phase reactive power and harmonic compensation", Power Quality '98, pp , Jun Meersman, B., B. Renders, L. Degroote, T. Vandoorn, L. Vandelvelde, "DC-bus Voltage Controllers for a Three-Phase Voltage-Source Inverter for Distributed Generation", International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ09), European Association for The Development of Renewable Energies, Environment and Power Quality: Valencia, Spain, April, Gomes, P. H. C. Análise e Síntese de um Algoritmo Phase-Locked-Loop Robusto para Estimação de Amplitude, Fase e Frequência de Sinais Elétricos Dissertação (Mestrado em engenharia elétrica) Escola de Engenharia, Universidade Federal de Juiz Fora, Minas Gerais