Inversor NPC com Filtro L para Conexão de um Sistema de Geração Distribuída à Rede Elétrica

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1 1 Inversor NPC com Filtro L para Conexão de um Sistema de Geração Distribuída à Rede Elétrica Rômulo Diniz Araújo 1, Fernando Luiz Marcelo Antunes 2, Bruno Ricardo de Almeida 3 Universidade Federal do Ceará, Dep. de Eng. Elétrica, Grupo de Processamento de Energia e Controle Caixa Postal 61, CEP , Tel.: +55 (85) Fortaleza, Ceará, Brasil 1 romulo_36@hotmail.com; 2 fantunes@dee.ufc.br; ³allmeida@gmail.com Resumo -- Este artigo apresenta um inversor NPC interligado à rede elétrica através de um filtro L. São projetados um inversor de 6 kw e o filtro L visando melhorar a qualidade da corrente injetada na rede. As simulações provaram que o sistema proposto atende os requisitos solicitados pelas normas. Palavras Chaves Filtro L, Geração Distribuída, Inversor NPC O I. INTRODUÇÃO sistema elétrico existente na maioria dos países está baseado em grandes unidades geradoras, instaladas de forma centralizada, cuja energia produzida é transmitida a grandes distâncias, até o ponto de consumo. Na sua grande maioria, as centrais de geração são do tipo nuclear, térmica ou hidroelétricas, com potências na faixa de centenas de MW a alguns GW[1]. Observa-se, nos últimos anos, uma mudança de conceitos em direção à uma operação distribuída, com unidades geradoras de pequeno porte, instaladas próximas aos pontos de consumo[1]. Paralelamente, a aplicação de geradores de energia elétrica com fontes alternativas e/ou renováveis, tais como eólica, solar e, mais recentemente, células de combustível, tornaram-se economicamente e tecnicamente viáveis. As primeiras instalações de pequenas unidades geradoras com este tipo de fonte de energia foram observados nas décadas de 198 e 199, a maioria próxima dos consumidores, operando isoladamente da rede ou conectados no lado de distribuição, devido à sua potência reduzida. Esta característica de geração, descentralizada, sendo apropriadamente denominada de Geração Distribuída (GD) tem sido considerada como uma alternativa promissora para expansão coordenada e flexível do atual sistema de distribuição, com custo reduzido e com aumento da confiabilidade[2]. Como característica inerente ao uso de fontes renováveis de energia, de pequeno ou médio porte, em sistemas de GD, a potência disponível nos terminais das unidades geradoras pode apresentar diferentes características, especialmente nas suas fontes de onda de tensão e/ou corrente. Por exemplo, dependendo do tipo de geração considerada, pode-se ter as características de saída na forma de: (I) corrente continua ou corrente alternada (que pode, ainda possuir frequência constante ou frequência variável); (II) com amplitude da tensão terminal constante ou variável; (III) e com diferentes níveis de amplitude da tensão, entre. Devido a estes fatores, a utilização de GD implica, normalmente, na utilização de interfaces de eletrônica de potência dedicadas, bem como de dispositivos de comunicação (em alguns casos) e de controle, visando um despacho eficiente e uma operação otimizada das unidades geradoras [3],[4],[5]. Assim, para que se possa utilizar, de forma viável, fontes renováveis de energia em GD, tais como pilhas de células de combustível, painéis solares, geradores eólicos e pequenos aproveitamentos hidroelétricos, é necessário, na maioria dos casos, a utilização de conversores de potência dedicados. Estes conversores são utilizados para tornar a tensão/corrente disponível nos terminais do gerador considerado, adequado para interligação com as diferentes fontes e dispositivos de armazenagem, além da conexão com a rede pública (onde esta está disponível e se tem o interesse na operação interligada). Acrescenta-se a esta justificativa para utilização de conversores, a qualidade de potência entregue: em grande parte dos casos, os conversores de potência são necessários para entregar uma potência com qualidade aceitável do ponto de vista da carga, com reduzido conteúdo harmônico e com amplitude e frequência compatíveis. Estes pontos mostram-se ainda mais importantes quando a carga considerada é a rede pública local, em que é necessário atender determinados requisitos de qualidade de energia[1]. Este trabalho tem como objetivo mostrar a utilização de um inversor NPC de três níveis com filtro L conectado a rede, visando uma melhor qualidade da energia injetada na rede. II. INVERSOR NPC DE TRÊS NÍVEIS O inversor NPC de três níveis é um conversor CC-CA, que envolve a utilização de várias interruptores para fazer uma conversão de energia em pequenos níveis de tensão. A tensão de saída tem baixo conteúdo harmônico mesmo para operações em baixa frequência. O inversor NPC citado, está apresentado na Figura l. O mesmo é composto por doze interruptores, seis diodos e dois capacitores. Cada braço do inversor NPC possui quatro interruptores (S1a, S2a, S3a e S4a) com diodos em antiparalelo, e dois diodos de grampeamento (D1a e D2a) conectados ao ponto neutro () do barramento CC. O barramento CC é formado por dois capacitores divisores de tensão, cada um carregado com Vcc/2.

2 2 TABELA I LIMITES DE HARMÔNICOS DE CORRENTE INJETADOS NA REDE Nível de tensão na carga Sequência de Comutação dos Interruptores S1 S2 S3 S4 + Vcc/ Vcc/ Fig. 1. Inversor NPC Com essa configuração, cada braço do inversor possui três possíveis estados de tensão (Vcc/2, O e - Vcc/2), apresentados na tabela I. O estado de tensão Vcc/2 é obtido acionando os dois interruptores superiores, como visto na figura 2 (Etapa 1), resultando em uma tensão de fase com relação ao ponto neutro do barramento CC. Para obter uma tensão fase-neutro nula (estado de tensão O) deve-se acionar as duas chaves centrais, como visto na figura 2 (Etapas 3). Dessa forma, o terminal de saída da respectiva fase é grampeado ao ponto neutro do barramento CC através dos diodos de grampeamento. O estado de tensão - Vcc/2 é obtido acionando os dois interruptores inferiores, como mostrado na figura 2 (Etapa 2), resultando em uma tensão fase-neutro. Fig. 2. Possíveis estados de comutação do inversor NPC. III. FILTROS Com a crescente proliferação de cargas não lineares nos sistemas de potência, especialmente em nível de distribuição, a existência de componentes harmônicos tornou-se inevitável nas últimas duas décadas. Como consequência, tensões e correntes são raramente senoidais. Além disto, os sistemas de distribuição são em sua grande maioria naturalmente desequilibrados, requerendo desta maneira estudos referentes ao efeito combinado do desequilíbrio e da não linearidade nas correntes e tensões dos sistemas de potência. A presença dos componentes harmônicos causa muitos problemas aos sistemas elétricos, devido ao seu efeito deteriorante e, mais importante ainda é a maneira adversa na qual os harmônicos afetam a qualidade de energia. Diante disto, alguns problemas são detectados, tais como a redução da vida útil de máquinas girantes, ressonâncias, interferência nos dispositivos de proteção e erros nas medidas de potência. Estas mudanças devem ser compensadas de maneira a manter os sistemas elétricos operando adequadamente com determinada eficiência especificada. De uma forma geral, para atenuar os efeitos causados pelos harmônicos, são utilizados os filtros passivos e/ou filtros ativos, embora, atualmente, os filtros passivos sejam a opção mais utilizada na indústria [6]. O filtro L é um filtro de primeira ordem, que é obtido utilizando uma bobina instalada em cada fase em série, afim de reduzir os conteúdos harmônicos de tensão e corrente, onde o valor da indutância L é escolhido para limitar o ripple da corrente de saída do inversor. Desta forma torna-se indispensável o uso de um filtro L acoplado á saída do inversor NPC, para atenuar as harmônicas de chaveamento, as oscilação de alta frequência e a corrente de saída do inversor, visto que o inversor NPC sem a presença do filtro L não atende os limites especificados pela Norma Std IEEE 1547, que pode ser visto na tabela II. O projeto do filtro L para um inversor NPC trifásico conectado à rede baseia-se em encontrar o valor da indutância L de tal forma a satisfazer os limites estabelecidos em normas. Os níveis de harmônicos de corrente considerados são especificados na Std IEEE 1547 [Standard for interconnecting distributed resources with electric power systems, New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 23][7] diminuindo o nível de THD verificado no sistema. A indutância L de todas as topologias pode ser obtida a partir da equação (1), onde V rms é a tensão de saída do inversor, f s é a

3 3 frequência de chaveamento e I ripple é a corrente máxima de ripple admissível. A tabela II traz os limites de harmônicos de corrente injetados na rede por sistemas de GD conectados à rede. (1 ) Ia (A) Ib (A) Ic (A) TABELA II LIMITES DE HARMÔNICOS DE CORRENTE INJETADOS NA REDE HARMÔNICA INDIVIDUAL DE ORDEM H PORCENTAGEM (%) Fonte: Std IEEE 1547 [8]. H<11 11 H<17 17 H<23 25 H<35 H 35 4, 2, 1,5,6,3 IV. RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES O inversor NPC estudado possui as seguintes características: Potência de saída de 6 kw, tensão de saída 22 V (rms), tensão no barramento CC 8 V, frequência da rede 6 Hz, e frequência de chaveamento dos interruptores de 6 khz. Neste tópico serão mostrados diversos resultados de simulações numéricas para validar a análise do inversor NPC com o filtro L, obtidas através do software PSIM, da Powersim Inc. Na figura (3) são mostradas as formas de onda das tensões da rede simétricas e balanceadas Fig. 4. Corrente de saída Na figura (5) são visualizadas as formas de onda da tensão da rede e da corrente de saída multiplicada por dez. A mesma mostra que a corrente esta sendo injetada na rede Vga (V) Ia*1 (A) Fig. 5. Corrente de saída Na figura (6) são visualizadas as formas de onda das correntes de referência em coordenadas dq para o regime permanente, como podemos observar na figura, o sistema fornece potência puramente ativa representada pela corrente do eixo direto Id. A corrente do eixo em quadratura Iq assume valor zero, ou seja, o sistema não fornece potência reativa, o fator de potência é unitário. Igualmente a figura (3) até,9 segundos o inversor está operando com apenas 33% da sua corrente nominal, depois deste intervalo o mesmo atinge o seu valor nominal..4 Id Iq Fig. 3. Tensões da rede Na figura (4) são visualizadas as formas de onda da corrente de saída. Até,9 segundos o inversor está operando com apenas 33% da sua corrente nominal, depois deste intervalo o mesmo atinge o seu valor nominal Fig. 6. Correntes de referência nos eixos, direto e em quadratura, das correntes injetadas na rede.

4 4 Id Iq Na figura (7) é mostrada a forma de onda da tensão no barramento CC. Observa-se que o barramento possui nível de tensão com um reduzido valor de ondulação, da ordem de, Vcc (V) Fig. 9. Correntes de referência nos eixos, direto e em quadratura, das correntes injetadas na rede, submetida a afundamentos de tensão com FP unitário Fig. 7. Tensão no barramento CC. Na figura (1) são visualizadas as formas de onda das correntes de referência em coordenadas dq para o regime permanente, como podemos observar na figura, o sistema fornece potência ativa e consome potência reativa. Na figura (8) temos um afundamento de tensão que é uma redução do valor eficaz de tensão, numa faixa de,1 a,9 pu com duração de,5 ciclo a 1 minuto. É caracterizado principalmente pela sua amplitude, pelo tempo de duração e pela frequência de ocorrência. Considerando o caso demostrado nesta figura, temos uma redução de 45.45% do valor nominal da tensão, ela varia de forma simétrica, no instante entre.2 até.25 segundos. Neste mesmo instante podemos observar que a corrente de saída aumenta de valor. Também na figura (9) no mesmo instante as correntes de referência em coordenadas dq alteram seu valor..4.2 Id Iq Ia*1 (A) Vga (V) Fig. 1. Correntes de referência nos eixos, direto e em quadratura, das correntes injetadas na rede Fig. 8. Tensão da rede elétrica e corrente de saída submetida a afundamentos de tensão. Nas figuras (11) e (12) são mostrados os espectros harmônicos da corrente de saída. Na figura (11) observa-se a frequência fundamental em 6 Hz, na figura (12) mostra-se que o filtro está eliminando os harmônicos de ordens inferiores. Nota-se também que as harmônicas mais expressivas são na frequência de 5,75 khz com 36 ma de magnitude e na frequência de 6,25 khz com 27,5 ma de magnitude, mostrando que estes valores estão bem abaixo dos valores estabelecidos na norma Std IEEE 1547 de acordo com a tabela (1).

5 5 Ia (A) VII. BIBLIOGRÁFIA Frequency (Hz) [1] J. M. CORRÊA, "DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO DE UMA MICRO- REDE AVANÇADA DE ALTA FREQUÊNCIA PARA INTEGRAÇÃO DE FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA," TESE, 26. [2] J. J. SHEA, "DISTRIBUTED GENERATION-THE POWER PARADIGM FOR THE NEW MILLENNIUM [BOOK REVIEW]," ELECTRICAL INSULATION MAGAZINE, IEEE, VOL. 19, PP , 23. [3] R. C. DUGAN, T. E. MCDERMOTT, D. T. RIZY, AND S. J. STEFFEL, "INTERCONNECTING SINGLE-PHASE BACKUP GENERATION TO THE UTILITY DISTRIBUTION SYSTEM," IN TRANSMISSION AND DISTRIBUTION CONFERENCE AND EXPOSITION, 21 IEEE/PES, 21, PP VOL.1. Fig. 11. Espectro harmônica de corrente para frequência fundamental Ia (A) Frequency (KHz) Fig. 12. Espectro harmônica de corrente para frequência de chaveamento. [4] F. BLAABJERG, C. ZHE, AND S. B. KJAER, "POWER ELECTRONICS AS EFFICIENT INTERFACE IN DISPERSED POWER GENERATION SYSTEMS," POWER ELECTRONICS, IEEE TRANSACTIONS ON, VOL. 19, PP , 24. [5] B. OZPINECI, D. ZHONG, L. M. TOLBERT, D. J. ADAMS, AND D. COLLINS, "INTEGRATING MULTIPLE SOLID OXIDE FUEL CELL MODULES," IN INDUSTRIAL ELECTRONICS SOCIETY, 23. IECON '3. THE 29TH ANNUAL CONFERENCE OF THE IEEE, 23, PP VOL.2. [6] R. C. A. FILHO, M. F. BRAGA, AND S. M. SILVA, "APLICAÇÃO DE FILTROS ATIVOS E PASSIVOS DE POTÊNCIA: ESTUDO DE CASO," IN INDUSCON - VIII CONFERÊNCIA INTERNACIONAL DE APLICAÇÕES INDUSTRAIS, 28. [7] Í. W. JASKULSKI, "CONTRIBUIÇÕES AO ESTUDO DE CONEXÃO DE GERAÇÃO EÓLICA À REDE ELÉTRICA," 27. [8] "IEEE DRAFT APPLICATION GUIDE FOR IEEE STANDARD 1547, INTERCONNECTING DISTRIBUTED RESOURCES WITH ELECTRIC POWER SYSTEMS," IEEE UNAPPROVED DRAFT STD P1547.2/D11, SEPT 28, 28. V. CONCLUSÃO Este trabalho apresentou um inversor NPC trifásico para interconexão de sistemas de geração distribuída à rede elétrica. Os resultados de simulação apresentados para um inversor de 6 kw interconectado à rede elétrica através de um filtro L mostraram que a corrente injetada atende aos requisitos na Norma IEEE Esta solução vem contribuir no uso da Geração Distribuída (GD), que tem sido considerada como uma alternativa promissora para expansão coordenada e flexível do atual sistema de distribuição, com custo reduzido e com aumento da confiabilidade. VI. AGRADECIMENTOS O autor agradece os membros do Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC), e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq - Brasil. VIII. BIOGRAFIA Rômulo Diniz Araújo. Nasceu em Juazeiro do Norte, Brasil, em 3 de Junho de Possui graduação Tecnológica em Eletromecânica pelo Instituto Centro de Ensino Tecnológico - CENTEC (24), Pós- Graduação em Gestão de Segurança do Trabalho, Faculdade de Ciências Aplicadas Dr. Leão Sampaio (21), Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Ceará UFC (212). Atualmente é professor do Instituto Federal de Educação e Tecnologia da Bahia - IFBA. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Sistemas Elétricos de Potência. Bruno Ricardo de Almeida. Nasceu em Atibaia/SP, Brasil, em 3 de março de Graduado no Instituto Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina (IF-SC), Florianópolis/SC, no curso de Sistemas Digitais, em 21. Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Ceará (UFC), Fortaleza/CE, em 212. Tendo como área de atuação e pesquisa Eletrônica de potência, com ênfase em energias renováveis.

6 Fernando L.M. Antunes. Bacharel em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Ceará, Bacharel em Administração de Empresas pela Universidade Estadual do Ceará, Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade de São Paulo e PhD pela Loughborough University of Technology Inglaterra (1991). É Professor Associado do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará ensinando e pesquisando nas áreas de eletrônica de potência, máquinas elétricas e produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis de energia. Orienta teses de doutorado e dissertações de mestrado dentro do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFC, do qual é o vice-coordenador, com publicações em revistas e congressos nacionais e internacionais na área de eletrônica de potência. Coordena o Grupo de Processamento de Energia e Controle - GPEC do DEE da UFC onde são realizadas pesquisas com financiamento de agências de fomento e empresas nacionais. No período de abril de 26 a março de 27, em estágio de pós-doutorado, atuou como pesquisador em projeto de conversores multiníveis de alta potência para aerogeradores off-shore, no Instituto de Tecnologia em Energia Solar - ISET(atualmente IWES - Instituto de Energia Eólica e Energia) em Kassel na Alemanha. É bolsista de produtividade do CNPq, membro da SOBRAEP, da SBA e do IEEE. Foi Editor da revista Eletrônica de Potência da Presidente da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência SOBRAEP no período de janeiro de 27 a dezembro de 29, e Presidente da SOBRAEP de setembro de 29 a setembro de 211. Atualmente é coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFC. 6

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