1. Instituto Federal do Paraná (IFPR) Câmpus Ivaiporã PR466 - Gleba Pindaúva Secção C, Parte 2 Ivaiporã PR

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1 IMPLEMENTAÇÃO DE UMA REDE NEURAL ARTIFICIAL PARA OBTENÇÃO DAS CORRENTES DE REFERÊNCIA DE UM FILTRO ATIVO DE POTÊNCIA PARALELO TRIFÁSICO COM TOPOLOGIA FOUR-LEGS EDSON J. ACORDI, MÁRIO OLESKOVICZ 2, IVAN N. DA SILVA 2, SÉRGIO A. O. DA SILVA 3. Insttuto Federal do Paraná (IFPR) Câmpus Iaporã PR466 - Gleba Pndaúa Secção C, Parte 2 Iaporã PR E-mal: edson.acord@fpr.edu.br 2. Departamento de Engenhara Elétrca, Unersdade de São Paulo (USP) São Carlos Unersdade de São Paulo - Campus de São Carlos A. Trabalhador São-carlense, 4, Arnold Schmdt São Carlos - São Paulo - Brasl - CEP E-mals: olesk@sc.usp.br, nsla@sc.usp.br 3. Departamento de Engenhara Elétrca, Unersdade Tecnológca Federal do Paraná (UTFPR-CP) A. Alberto Carazza, 64, Cornélo Procópo, PR, CEP 86- E-mal: augus@utfpr.edu.br Abstract Ths paper presents a proposal for mplementaton of a parallel acte power flter (FAPP) ug an artfcal neural network to estmate the reference currents. In ths approach, the FAPP wll acts to reduce the harmonc content generated by nonlnear loads and reacte power compensaton. The FAPP consttuted wth the topology of a four-leg nerter, makng use of a Multlayers Perceptron neural network n the generaton system of compensaton currents, whch s traned to estmate the fundamental component of the load current. The promg results obtaned by smulatons are presented to demonstrate the performance of FAPP n suppresg current harmoncs and reacte power. Keywords Acte Power Flter, Harmoncs, Artfcal Neural Networks, Electrcal Power Qualty. Resumo Este trabalho apresenta uma proposta de mplementação de um fltro ato de potênca paralelo (FAPP) utlzando uma rede neural artfcal para estmar as correntes de referênca. Nesta abordagem, o FAPP atuará na redução do conteúdo harmônco gerado por cargas não lneares e na compensação de potênca reata. O FAPP consttuído com a topologa de um nersor four-legs, faz uso de uma rede neural do tpo Perceptron Multcamdas (PMC) no sstema de geração das correntes de compensação, a qual é trenada para estmar a componente fundamental da corrente da carga. Os promssores resultados obtdos por meo de smulações são apresentados para demonstrar o desempenho do FAPP na supressão de harmôncos de corrente e de potênca reata. Palaras-chae Fltro Ato de Potênca, Harmôncos, Redes Neuras Artfcas, Qualdade da Energa Elétrca. Introdução Os aanços tecnológcos na área da eletrônca de potênca têm contrbuído muto para o desenolmento de equpamentos capazes de tornar a execução de determnadas tarefas, sejam elas doméstcas, comercas ou ndustras mas smples. No entanto, a crescente utlzação de tas equpamentos, como exemplo, os conersores estátcos, prncpalmente por parte das ndústras, traz alguns nconenentes como a degradação da qualdade da energa elétrca (QEE). Nesse contexto, a eletrônca de potênca tem papel fundamental para garantr o processamento efcente da energa elétrca (Abdalla; Rao; Perumal, 2) Mutos dos equpamentos eletrôncos são almentados dretamente pela rede elétrca, e mas de 5% possuem um conersor estátco de potênca que, quando em operação, pode deformar a corrente elétrca de entrada, aumentando consderaelmente o seu conteúdo harmônco. Esta deformação prejudca a QEE elétrca da rede bem como pode afetar outros equpamentos almentados pela mesma. Além de prejudcar a QEE, estes equpamentos, por possuírem um baxo fator de potênca, forçam a rede elétrca a fornecer mas energa do que aquela consumda pela carga dmnundo, desta forma, o seu rendmento. A busca constante por noas tecnologas, bem como o aperfeçoamento das que já são bem conhecdas, se faz necessára, não somente para satsfazer as normas técncas que regulamentam a utlzação destes equpamentos, mas também para reduzr os gastos de consumo em quase todos os setores da economa, contrbundo, desta forma, para a melhora da efcênca energétca, atualmente tão dfundda em todo o mundo. O prncípo de operação dos FAPPs é njetar/drenar corrente no ponto de conexão da rede com a carga de forma que as correntes drenadas da rede por cargas não lneares sejam dealmente senodas. Para o correto funconamento do FAPP, a estratéga a ser utlzada para se determnar as correntes a serem compensadas é um aspecto de extrema mportânca, assm como a técnca de controle aplcada, a qual dee ser capaz de fazer que

2 o fltro mponha de modo adequado as correntes de compensação. Além da compensação dos harmôncos de corrente, o fltro também pode compensar a potênca reata da carga bastando modfcar a estratéga de geração das correntes de referênca (Abdalla; Rao; Perumal, 2; Hamoud et al., 26). As prncpas topologas que permtem o controle da corrente de neutro são conhecdas como Splt- Capactor, Three-Full Brdge e a Foru-Legs. Um estudo detalhado sobre os modelos matemátcos enolendo as topologas Four-Legs e a Three-Full Brdge é mostrado em Acord et al. (22). Dersas técncas para extração das correntes de compensação para fltros atos de potênca foram propostas, tas como o método baseado no sstema de exos de referênca síncrona (SRF), ncalmente proposto por Bhattacharya et al. (99) e algumas arações como mostrado em Sla et al. (28). Outros métodos baseados em redes neuras artfcas são mostrados em Farahat (24) e Campanhol (2). Este trabalho apresenta um método alternato para estmar as correntes de compensação de um FAPP trfásco com a topologa de um nersor fourlegs por meo de uma rede neural artfcal, a qual é trenada com uma carga formada por um retfcador monofásco de onda completa com áros alores de cargas (Ressto-Induta) a fm de formar o domíno para o trenamento da RNA, estabelecendo a faxa de potênca de trabalho do FAPP. A rede neural utlzada é do tpo Perceptron Multcamadas (PMC) e esta é trenada para estmar o alor da componente fundamental da corrente da carga, permtndo deste modo obter-se a corrente harmônca da carga, a qual em conjunto com o sstema de cronsmo do FAPP com a rede, é possíel determnar as correntes de compensação que deem ser njetadas na rede para a supressão de harmôncos e reatos. Para aldar o método proposto, alguns resultados contemplando smulações são apresentados, mostrando a efcáca do FAPP na capacdade de suprmr as correntes harmôncas. 2 Inersor Four-Legs Empregado no Fapp A topologa do nersor Four-Legs utlzado, é apresentada na Fgura. Esta topologa permte a compensação total da corrente que flu pelo condutor, não apresentando problemas de resposta dnâmca como a estrutura de um nersor Splt-Capactor. Deste modo, esta topologa é mas adequada para aplcações onde se deseja compensar as correntes de sequênca zero (Mendalek, 29). Fgura. Topologa do FAPP Four-Legs. 3 Extração das Correntes de Referênca Por Meo Do Sstema Tradconal (SRF) Neste método, as correntes de carga ( La, Lb, Lc ) são meddas e transformadas do sstema trfásco de coordenadas estaconáras (abc) para o sstema bfásco de coordenadas estaconáras (αβ) como apresentado em (). 2 2 a b c () Assm, as correntes do sstema de coordenadas (αβ) podem ser transformadas no sstema bfásco de referênca síncrona (dq) por meo de (2), onde sen(θ) e o cos(θ) são os etores untáros síncronos obtdos de um sstema PLL (Phase-Locked Loop) cronzado com o sstema elétrco. d cos( ) sen( ). sen( ) cos( ) q (2) Deste modo, as correntes no sstema síncrono dq, são compostas por uma parcela contínua e outra alternada. A parcela contínua representa os termos fundamentas ato e reato das correntes de carga, e a parcele alternada representa as componentes harmôncas, as quas podem ser extraídas por meo do uso de um fltro passa alta, como mostrado na Fgura 2.

3 Fgura 2. Topologa do FAPP Four-Legs. A corrente de exo dreto (d) representa a soma da parcela de corrente ata fundamental e a parcela de corrente harmônca da carga. Aplcando um fltro passa baxa (FPB) na corrente d, obtém-se a parcela d, que representa a corrente ata fundamental no exo síncrono. Com sso, a componente alternada, que representa a parcela harmônca, é obtda subtrando-se a corrente total de exo dreto d da parcela d. Deste modo, o resultado representa somente a parcela harmônca da corrente de carga. A corrente de exo em quadratura q representa a soma da parcela reata fundamental e a parcela harmônca da corrente de carga. A corrente q não é fltrada, como pode ser obserado na Fgura 3, pos assm, é possíel a compensação da parcela reata da corrente de carga. As correntes de referênca de compensação (,, ) mostradas na Fgura 3, são então leadas a controladores PI (Proporconal-Integral) e depos são noamente transformadas para o sstema de coordenadas estaconáras (αβ) por meo da equação (3). [ ] [ ( ) ( ) ( ) ( ) ] [ ] (3) Onde,, e são as respectas saídas dos controladores PI dos exos dq. 4 Aplcação da Rede Neural Artfcal Para Estmar a Corrente Fundamental da Carga Atualmente, mutas aplcações sobre QEE enolendo as redes neuras artfcas têm sdo propostas na lteratura (Fernandes, Rcardo A. S.; Sla, I. N.; Oleskocz, 2). Neste trabalho, fo utlzada uma rede neural do tpo perceptron multcamadas para estmar a componente fundamental da corrente de carga. A estrutura utlzada é mostrada na Fgura 3. X X 2 X 3 X Fgura 3. Estrutura da RNA. d Como pode ser obserada na Fgura 3, a estrutura da rede neural é composta de 4 entradas as quas representam o número de amostras para cada meo lo do al da corrente da carga. O etor de entrada X contém os 4 alores da corrente de carga de exo dreto, d. Já o alor desejado para a únca saída da RNA, contém somente o alor da componente fundamental da corrente da carga de exo dreto, d. Além dsso, a prmera e a segunda camada escondda é composta de 8 neurônos. A função de atação utlzada nas camadas esconddas fo a tangente hperbólca. Já para a camada de saída fo utlzada a função lnear. Para o trenamento da rede fo utlzado o conjunto de cargas mostradas na Tabela. Nota-se que foram utlzadas curas caracterzando dferentes alores de potêncas onde as cargas são desequlbradas, o que rá proporconar uma melhor capacdade de generalzação da RNA. Para cada cura foram obtdos 2 los, totalzando 9.84 amostras (82 amostras por lo x 2 los x curas). TABELA - PARÂMETROS DAS CARGAS PARA O TREINAMENTO DA RNA Cura Resstênca Fase a Resstênca Fase b Resstênca Fase c Indutores Fase a, b e c [mh] A faxa de potênca consderada para o trenamento da RNA, fo defnda de 7 VA até aproxmadamente 5 kva, conforme os alores estabelecdos na Tabela. Na Fgura 4 é mostrada a topologa da carga que fo utlzada nas smulações, a qual é caracterzada como uma carga não lnear. Os dados obtdos da smulação foram condconados em matrzes para posltar o trenamento da RNA. Os parâmetros de trenamento da rede são apresentados na Tabela 2. TABELA 2 PARÂMETROS UTILIZADOS NO TREINAMENTO Rede Perceptron Multcamadas Taxa de Aprendzagem,5 Algortmo de Trenamento Leenberg-Marquardt Aalação do Desempenho Erro quadrátco médo (eqm) Quantdade de Amostras 984 Crtéro de Parada Eqm < Para a aldação da rede, foram utlzados os alores de cargas mostrados na Tabela 3. A aldação fo executada de modo on-lne, no qual o FAPP executa o algortmo estmando a corrente fundamental de exo dreto da carga. Na smulação, a tensão de almentação de fase-neutro fo consderada como sendo gual a 27 (V ef ). A corrente de compensação para o FAPP é obtda por meo da

4 subtração da corrente de exo dreto da carga da corrente fundamental, ou seja, d - d. TABELA 3 - ELEMENTOS DAS CARGAS UTILIZADAS NA VALIDAÇÃO DA RNA Fase a Fase b Fase c Retfcador monofásco de onda completa com carga RL (R=4,8Ω e L=mH) Retfcador monofásco de onda completa com carga RL (R=5,9Ω e L=mH) Retfcador monofásco de onda completa com carga RL (R=8,8Ω e L=mH) Na Fgura 4 é lustrada a topologa de carga utlzada para trenamento e aldação da RNA. Corrente [A] 2 ca cb Fgura 5. Corrente de Compensação obtdas com a RNA. As formas de onda das correntes e tensões enoldas são mostradas na Fgura 6. As correntes da carga La, Lb, Lc e Ln, são mostradas na Fgura 6 (a), as quas são desequlbradas. As correntes de fase drenadas da rede elétrca sa,, sc e são mostradas na Fgura 6 (b), onde é possíel obserar que as mesmas tornaram-se pratcamente senodas e equlbradas. Além dsso, a corrente de neutro possu um alor próxmo de zero, como era esperado com o algortmo de compensação utlzado. As correntes de compensação do FAPP ca, cb, e cn, são mostradas na Fgura 6 (c). Na Fgura 6 (d), são mostradas nddualmente a tensão sa, a corrente da carga La, a corrente compensada da rede sa e a corrente de compensação ca, enquanto as Fgura 6 (e) e (f) apresentam as mesmas grandezas para as fases b e c, respectamente. Consderando as Fgura 6 (d), (e) e (f), erfca-se que além de compensar o desequlíbro das correntes da carga, La o FAPP também compensou os reatos da mesma, pos as correntes compensadas sa, e sc estão em fase com as - respectas tensões sa, e sc. La La sa sc Ln Ln Ln La La sa sc sa sc ca ca cb cb Tempo [s] La 2 sa sc ca cb Ln Ln cn sa cn La Fgura Topologa.55 da.5carga.5utlzada. Tempo.52 [s] Tempo.53[s] Tempo [s] [s] sa A Fgura 5 apresenta os resultados da corrente de 2 2 Ln sa cn - compensação obtdas por meo do algortmo SRF e -2-2 ca por meo da RNA. Como pode ser obserado na corrente estmada com o método empregado, a RNA Lb La fcou muto próxmo do método que utlza o algortmo de compensação SRF. sa (c) (d) RNA SRF sa sa sc sc 2 ca cb -2 ca La Lb Lc La Lb Lc sa sa sc sc sa - - sc ca -2 cb cb ca cb Lb La Lc Tempo.53[s] Tempo.53 [s] sa (e) (f) sc (a) (b) Fgura 6 Correntes e tensões: (a) Correntes La, Lb, Lc e Ln. (b) Correntes sa,, sc e. (c) Correntes ca, cb, e cn. (d) Tensão sa e correntes La, sa e ca (e) Tensão Tempo e correntes [s] Lb, e cb. (f) Tensão sc e correntes Lc, sc e. A Tabela 4 mostra os alores da taxa de dstorção das correntes da carga e da compensação consderando o método SRF e com a utlzação da RNA. TABELA 4 - ELEMENTOS DAS CARGAS UTILIZADAS NA VALIDAÇÃO DA RNA Método Dstorção Harmônca Total das Correntes [%] Fase a Fase b Fase c Sem Compensação 25,6 25,3 24,6 RNA 3,73 3,87 3,54 SRF 3,52 3,79 3, ca cb Te Lb cb Te - - sa cn sc.5.5

5 Nota-se pela tabela 4, que os alores por fase da taxa de dstorção harmônca das correntes, antes da compensação do FAPP, estaam em aproxmadamente 25%, o que representa um alor relatamente alto quando aalado por meo da recomendação IEEE Obsera-se anda, que com a utlzação da rede neural artfcal, estes alores foram reduzdos a menos de 4%, desse modo fcando de acordo com a recomendação acma menconada. Além dsso, erfca-se que os resultados obtdos com a RNA fcaram muto próxmos dos resultados obtdos por meo do método SRF. 5 Conclusão Neste trabalho fo apresentada a utlzação de uma rede neural artfcal em substtução ao método tradconal para se determnar a componente fundamental de exo dreto da corrente de carga. Notou-se por meo das smulações realzadas, que a rede neural artfcal obtda do processo de trenamento, fo capaz de estmar adequadamente a corrente desejada para alores de carga dentro do domíno de trenamento, proporconando deste modo a redução de componentes harmôncos e reatos presentes na carga, portanto melhorando a qualdade da energa elétrca quando se tem a presença de cargas não lneares. Referêncas Bblográfcas Abdalla, I. I.; Rao, K. S. R.; Perumal, N. Harmoncs Mtgaton and Power Factor Correcton wth a Modern Three-phase Four-Leg Shunt Acte Power Flter. In: IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON POWER AND ENERGY (PECon2), 2, Kuala Lumpur. Proceedngs... Kuala Lumpur, Malaysa: IEEE, 2. p Acord, E. J.; Campanhol, L. B. G.; Sla, S. A. O.; Nascmento, C. B.; Goedtel, A. Study of Shunt Acte Power Flters Appled to Three-Phase Four-Wre Systems. Renewable Energy & Power Qualty Journal, [S.l.],., p , 22. Bhattacharya, S.; Dan, D.; Banerjee B. B. Synchronous Frame Harmonc Isolator Ug Acte Seres Flter. In: EUROPEAN POWER ELEC- TRONICS CONFERENCE, 99. Proceedngs... [S.l.]: EPE, 99. p Campanhol, L. B. G. ; Goedtel, A.; Sla, S. A. O. ; Nascmento, C. F.. Utlzação de Rede Neural Artfcal na Geração das Correntes de Compensação de um Fltro Ato de Potênca Paralelo Trfásco. In: Smpóso Braslero de Automação Intelgente, 2, São João Del Re-MG. X SBAI, 2.. X. p Farahat, M. A., and A. Zobah. "Acte flter for power qualty mproement by artfcal neural networks technque." Unerstes Power Engneerng Conference, 24. UPEC th Internatonal. Vol. 2. IEEE, 24. Fernandes, Rcardo A. S.; Sla, I. N.; Oleskocz, Máro. Identfcação de cargas lneares e nãolneares em sstemas elétrcos resdencas usando técncas para seleção de atrbutos e redes neuras artfcas. SBA-Controle & Automação,. 2, n. 4, p , 2. Hamoud, F.; Chagh, A.; Adl, M.; Hocne, A. A comparate study between two strateges for four-wre shunt acte flter control. [S.l.]: [s.n.], 26. IEEE Std. P59A/D IEEE gude for applyng harmonc lmts on power systems. [S.l.]: [s.n.], 996. Mendalek, N. Modelng and Control of Three-Phase Four-Leg Splt-Capactor Shunt Acte Power Flter. In: ADVANCES IN COMPUTATIONAL TOOLS FOR ENGINEERING APPLICA- TIONS - ACTEA, 29, Zouk Moeh. Proceedngs... Zouk Moeh: ACTEA, 29. p Sla, S. A. O. and Modesto, R. A. (28). A Comparate Analyss of SRF-based Controllers Appled to Acte Power Lne Condtoners. 34th Annual Conference of the IEEE Industral Electroncs Socety. (IECON 28).