SISTEMA AUTOMÁTICO PARA REGULAÇÃO DE TENSÃO EM REDES DE BAIXA TENSÃO

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1 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

2 TÓPICOS ABORDADOS Formulação do problema Dispositivos X Regulamentação; Dispositivo Proposto; Etapas de Desenvolvimento; Estrutura do Sistema; Estrutura de Potência; Controle; Resultados Experimentais Comentários Finais.

3 REGULAMENTAÇÃO SETOR ELÉTRICO Tensão de Atendimento (TA) Faixa de Variação da Tensão de Leitura (Volts) Adequada Precária Crítica ANEEL / PRODIST / Módulo 8 220/127 (201 TL 231)/(116 TL 133) (189 TL<201 ou 231<TL 233)/ (109 TL<116 ou 133<TL 140) (TL<189 ou TL>233)/(TL<109 ou TL>140) Limites para Adequação (ANEEL PRODIST mod. 8): 3% Valores Precários; 0.5% Valores Críticos; 90 Dias Precária; 15 Dias Crítica; Penalidades: Ressarcimento do Consumidor Amostragem: Valores válidos para janelas de 10 minutos; Tempo para atuação de no máximo 3 segundos Basta uma única violação diária.

4 SOLUÇÕES USUAIS Mudança no Tap dos Transformadores Taps com alto tempo de resposta; Não vê mudanças momentâneas ; Alocação de Banco Automático de Capacitores: Difícil alocação otimizada dos dispositivos; Instalação e ajustes ; Dificuldade em cumprir prazos da legislação.

5 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; 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); Mudanças quanto ao STATCOM tradicional: Estratégia de Controle; Tempo de Atuação; Tecnologia Empregada.

6 Estrutura Sistema Diagrama Unifilar v i i rd PAC (Ponto de Acoplamento de Carga) i v Rede CA Z linha Z tr Zlinha v i L Carga Subestação Linha de Distribuição Transformador da rede de Distribuição Linha de Distribuição i C i Região de Carga C f L f C b1 V B C b2 Filtro para Alta Frequência Inversor de Tensão

7 Estrutura Potência V b+ C b+ v C_A L fa i fc v PAC_A V B v C_B L fb i fb v PAC_B C b- v C_C L fc i fa v PAC_C C fa C fb C fc V b- Bar. CC Comutadores Regulador de Tensão Filtros A.F.

8 Parâmetros do Conversor Potência de saída S o = 4500 VA Tensão do barramento CC V B = 600 V Tensão eficaz de fase da rede v rd_ef = 127 V Ondulação de corrente máxima FAS Δi L% = 17 % Ondulação de tensão máxima no barramento CC ΔV B% = 3 % Frequência de comutação Frequência da rede f s = 50 khz f rd = 60 Hz Dispositivos de Potência do Conversor C b S o 3 V ct ω rd V B L f_mín = V B 4 i L f S C b = 1,1mF L f_mín = 1,04mH

9 Filtro de Alta Frequência - LC L f i f i cf (t)+i ch (t) C f = 1 L f 1 2π f res 2 v cf (t)+v ch (t) C f Z rd Z L f res = 2,5KHz C f = 4μF Baixo Volume Baixas Perdas Uma Década abaixo de f s Uma Década acima de f rd

10 Estrutura Geral Rede CA Zrda Zrdb Zrdc N A B i rd_a C i rd_b i rd_c v PAC_A v PAC_B v PAC_C i L_A i L_B i L_C Carga i cc i ca i cb i fc L fc C b+ V b+ L Q i fb fb Cfc i fa L fa V B C b- V b- Cfb Cfa Sensor de Tensão Sensor de Tensão Sensor de Tensão em via Sensor de Tensão em via Q1,...,Q6 Drives de Acionamento Sensor de Tensão em vpcc_a v(t) para sincronismo VRMS(t) v(t) para sincronismo VRMS(t) v(t) para 0º sincronismo vrms(t) v* c Senóide 0º Modulador de PWM v* Referência c Senóide 0º Modulador de PWM v* Referência c Senóide de Sensor de Controlador Referência Corrente 90º de Tensão X 0º X Sensor de em Lsa Controlador Corrente 90º de Tensão X 0º X Sensor de em Controlador Lsa Corrente de Tensão X X em Lsa Modulador PWM Controlador de Corrente Controlador de Corrente Controlador de Corrente i* cs i* cs Eficaz i* cs 90º 0º Controlador Tensão Total Controlador Desequilíbrio de Tensão V* B V* des

11 Diagrama de Controle V T Sensor V Sensor V V* Dif ε VDC Controle V Dif V Dif Planta V Dif V Dif V* T ε VDC V TC V TC Controle V DC Planta V DC_T V T Fase C Fase B Fase A v rd (t) v rd (t) v rd (t) V* P ε P Controle V PC V PC V* P ε P Controle V PC V PC V PC V* P ε P Controle V PC V PAC V PAC V PAC x x x PLL Sincronismo x x 0º 0º 0º PLL 90º 90º 90º x I* I C C Planta I C Planta I* C Planta Corrente I C Planta Vrd V P I* C Planta Corrente Planta Vrd Corrente V PAC V P V P V P Sensor RMS V P Sensor V AC RMS V P Sensor V AC RMS V AC

12 Diagrama de Controle Malha de Corrente I* C_d 0º I* C ε Ic Controlador de Corrente I CC Malha de Corrente I Atenuador CC Modulador PWM D Planta de Corrente I C I* C_q 90º I C Sensor de Corrente

13 Modelos Modelo da Planta de Corrente: Gi f (s) = V B s L f Modelo da Planta Tensão Total do Barramento CC: G Vtt (s) = 3 2 V rd_pk V B 1 s C o Modelo da Planta de Tensão Diferencial do Barramento CC: 3 G vd (s) = 2 s C o Modelo da Planta de Tensão no PAC: G v_pcc (s) = 1 C f s + r rd s 2 + s r rd L rd + L rd 1 L rd C f

14 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

15 Projeto dos Controladores Parâmetro do Conversor para o projeto dos Controladores: Indutância do filtro de saída L f = 1100μH Capacitância do barramento CC C O = 1mF Tensão nominal do barramento CC V B = 600V Ganho do sensor de corrente K s_i = 0,068 Ganho do sensor de tensão total K s_vt = 0,01 Ganho do sensor de tensão diferencial K s_vd = 0,01 Ganho do sensor de tensão de saída K s_vs = 0,01 Ganho na saída do controlador de corrente K at_i = 0,64 Ganho na saída do controlador de tensão total K at_vt = 0,21 Ganho na saída do controlador de tensão diferencial K at_vd = 1 Ganho na saída do controlador de tensão de saída K at_vs = 0,84 Ganho do multiplicador de corrente direta K md = 0,1 Ganho do multiplicador de corrente em quadratura K mq = 0,8 Frequência de comutação f s = 50kHz Ganho do modulador PWM K PWM = 0,09V 1

16 Projeto dos Controladores Controlador de Corrente de Entrada Frequência de cruzamento: 11kHz Margem de fase: 54 o I* C_d I* C_q 0º I* C 90º ε Ic Controlador de Corrente I CC Malha de Corrente I Atenuador CC I C Sensor de Corrente Modulador PWM D Planta de Corrente I C Função de Transferência de Laço Aberto FTMA i (s) = K at_i K PWM V B s L f K s_i Hi pi (s) Controlador PI + Pólo R 1 C 1 C 2 s + Zi pi Hi pi (s) = Ki fpi s s + Pi pi Onde: V in V ref R V out Zi pi = 2π 3,4k rad seg Pi pi = 2π 31,6k rad seg Ki pi = 6, C 1 = 120pF C 2 = 1nF R 1 = 47kΩ R 2 = 1,3kΩ

17 Projeto dos Controladores Controlador de V T do Barramento CC Frequência de cruzamento: 6,8Hz Margem de fase: 46,5 o Malha de Tensão Total de Barramento V ε v ctr _vt Atenuador v b_vt ctr _vt i Controlador v b_vt K s_vb 0º Ganho da Malha de Corrente i conv 1 Ks_i Planta de Tensão Total de Barramento Função de Transferência de Laço Aberto FTMAvt s = K atvt K md K s_vb Hvt pi Controlador PI + Pólo 1 K si 3 2 V rd pk V B 1 s C o s + Zvt pi Hvt pi (s) = Kvt pi s s + Pvt pi Onde: Zvt pi = 2π 6,0 rad seg Pvt pi = 2π 243 rad seg Kvt pi = 3, R 2 V in V ref C 1 = 12nF C 2 = 470nF C 1 R 1 C R 1 = 56kΩ R 2 = 2,2kΩ V out

18 Projeto dos Controladores Controlador de V D do Barramento CC Frequência de cruzamento: 2,3Hz Margem de fase: 50,4 o V b_vd ε Controlador Malha de Tensão Diferencial de Barramento v ctr _vt Atenuador v b_vt i K s_vb Ganho da Malha de Corrente 1 Ks_i Planta de i conv Tensão Diferencial de V b_vd Barramento Função de Transferência de Laço Aberto FTMA b_vd s = K at_vd 1 K s_i 3 2 s C o K s_vb Hvd pi (s) Controlador PI + Pólo s + Zvd pi Hvd pi (s) = Kvd pi s s + Pvd pi R 1 C 1 C 2 Onde: Zvd pi = 2π 1,8 rad seg V in V ref R V out Pvd pi = 2π 60,7 rad seg Kvd pi = 3, C 1 = 100nF C 2 = 3,3μF R 1 = 27kΩ R 2 = 470kΩ

19 Projeto dos Controladores 90º Controlador de V PAC Frequência de cruzamento: 0,5Hz Margem de fase: 109 o Malha de Tensão Total no PAC V PAC ε v ctr v ctr i conv Controlador K at v PAC RMS to DC Ganho da Malha de Corrente i conv 1 Ks_i v PAC K v Planta de Tensão no PAC v PAC Função de Transferência de Laço Aberto FTMA b_vd s Controlador PI + Pólo 1 = K at K mult H K V_PAC si K v G rms (s) Hv PAC_pi (s) s + Zvd pi Hvd pi (s) = Kvd pi s s + Pvd pi Onde: Zvd pi = 2π 0,34 rad seg Pvd pi = 2π 0,68 rad seg Kvd pi = 96,7 V in V ref R 2 C 1 = 470nF C 2 = 470nF C 1 R 1 C R 1 = 1MΩ R 2 = 22kΩ V out

20 Resultados Experimentais Planta de Testes Z rd_eq PAC i rd i c i L C ar v rd v PAC C f L f C b1 V b+ V B g a C b2 V b- Carga Fase A Fase B Fase C LLM_A RLM_A LLM_B RLM_B LLM_C RLM_C RLP_A RLP_B RLP_C Carga Principal Carga Permanente

21 Resultados Experimentais Parâmetros por fase da planta de ensaio à Z rd i rd PAC i c i L C ar V rd =127Vrms L f V b+ C f C b1 V B g a v rd v PAC C b2 V b- 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)

22 Resultados Experimentais - Estrutura Circuitos de Controle Módulo de Potência Filtro de Alta Fequência Fontes Auxiliares Módulos Digitais Sensor de Corrente

23 Corrente Rede Tensão PAC Resultados Experimentais Em Regime Sem Compensação - SEM/COM a carga principal 133/136/134 Vrms - 2,4A 113/115/114 Vrms - 25A v PAC A v PAC B v PAC C v PAC v PAC A B v PAC C i rd A i rd B i rd C i rd A i rd B i rd C Sem Carga (50V/div, 1A/div, 5ms/div) Com Carga (50V/div, 10A/div, 5ms/div)

24 Resultados Experimentais Em Regime Com Compensação Sem a Carga Principal 121/124 /122 Vrms - 11A v PAC v PAC A B v PAC C Tensão no PAC (V PAC ) Corrente na Rede (I rd ) 11A Corrente no Conversor (I c ) i rd A i rd B i rd C i c A i c B i c C (50V/div, 1A/div, 5ms/div) (50V/div, 5A/div, 5ms/div)

25 Resultados Experimentais Em Regime Com Compensação Com a Carga Principal 118 Vrms - 23A Tensão no PAC (V PAC ) v PAC v PAC A B v PAC C Corrente na Rede (I rd ) Corrente no Conversor (I c ) 7A / 4A / 4A i c A i c B i c C i rd A i rd B i rd C (50V/div, 10A/div, 5ms/div) (50V/div, 5A/div, 5ms/div)

26 Resultados Experimentais - Dinâmica Tensão no PAC - Corrente da carga, na rede e no conversor; v PAC_A Transitório do sistema utilizando o compensador de tensão Conexão da carga De 122Vrms p/ 118Vrms Tensões RMS i rd_a v PAC_B PAC_C v 120V PAC_A RMS i c_a (50V/div, 15A/div, 100ms/div) (10V/div, 100ms/div)

27 Resultados Experimentais - Dinâmica Tensão no PAC - Corrente da carga, na rede e no conversor; v PAC_A Transitório do sistema utilizando o compensador de tensão Desconexão da carga De 118Vrms p/ 122Vrms Tensões RMS i rd_a v PAC_B PAC_C v PAC_A 120V RMS i c_a (50V/div, 15A/div, 50ms/div) (10V/div, 50ms/div)

28 Resultados Experimentais - Dinâmica Tensões de barramento CC, e no PAC Conexão da carga principal Desconexão da carga principal V b+ V b+ v PAC_A v PAC_A V b- V b- (100V/div, 100ms/div) (100V/div, 100ms/div)

29 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

30 AGRADECIMENTOS Família UDESC npee Membros da Banca Contatos Marcello Mezaroba Jean Carlo da Cunha