ANÁLISE DE UMA ESTRATÉGIA DE CONTROLE PARA RESTAURADORES DINÂMICOS DE TENSÃO

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1 ANÁLISE DE UMA ESTATÉGIA DE CONTOLE PAA ESTAUADOES DINÂMICOS DE TENSÃO DIOGO. COSTA J. ¹, JOÃO A. MOO NETO ¹, ², MAUÍCIO AEDES ¹ ¹ COPPE Laboratório de Eletrônica de Potência Uniersidade Federal do io de Janeiro C.P. 684, CEP , io de Janeiro, J, Brasil ² DETEC - Laboratório de Análise da Qualidade de Energia Elétrica Uniersidade egional do Noroeste do Estado do io Grande do Sul C.P. 6, CEP 987-, Ijuí, S, Brasil s: (diogo, moor e aredes)@coe.ufrj.br Abstract This work introduces a control strategy for Dynamic Voltage estorers. The purpose of this strategy is the control of the oltage supplied to a critical load. The control model is based mainly on a Positie Sequence Voltage Detector. An auxiliary module of control was used in an attempt to improe the behaior of the sag control algorithm. A feedback fire control was also used, guaranteeing a wae form in the oltage compensation effectiely applied by the DV. The results of simulations in a practical distribution system confirm the success of the control strategy proposed. Keywords Dynamic Voltage estorer, Custom Power, Positie Sequence Detector, esumo Este trabalho oferece uma estratégia de controle para estauradores Dinâmicos de Tensão (DVs). Esta apresenta o objetio de controlar a tensão fornecida a uma carga crítica. O modelo de controle proposto está baseado principalmente em um detector de seqüência positia de tensão. Foi utilizado um módulo auxiliar de controle com intuito de melhorar a resposta do algoritmo de controle de afundamento. Um controle de disparo realimentado também foi utilizado, garantindo uma determinada forma de onda na tensão de compensação efetiamente aplicada pelo DV. esultados de simulações em um sistema de distribuição típico atestam a efetiidade da estratégia de controle proposta. Palaras-chae estaurador Dinâmico de Tensão, Custom Power, Detector de Seqüência Positia, 1 Introdução O desenolimento de dispositios semicondutores que operam com limites de tensão e corrente eleados permitiu um aumento das possibilidades de aplicações da Eletrônica de Potência em sistemas elétricos de transmissão e distribuição de energia Uma destas aplicações tem o objetio de garantir a qualidade e confiabilidade da energia entregue ao consumidor que é o foco do conceito de Custom Power [1]. O estaurador Dinâmico de Tensão (DV) é um dos equipamentos que opera atendendo este conceito e sua principal função é eliminar ou reduzir afundamentos momentâneos de tensão. Soluções clássicas para a regulação de tensão, como o emprego de capacitores em primeiro plano, e compensadores estáticos de reatios (SVC) num segundo plano, controlam a tensão de uma forma indireta, com a mudança da impedância efetia do sistema. No caso s no sistema de transmissão ou distribuição, o afundamento proocado na tensão dee ser solucionado com a injeção de tensão combinada com o suprimento de energia atia que é uma particularidade da operação de um DV. Uma das antagens do DV é que este pode também ser aplicado na redução de desequilíbrios e harmônicos nas tensões fornecidas aos consumidores, o que seria impossíel com a utilização de uma das soluções clássicas. O modelo sugerido é composto por um inersor PWM e um retificador a diodos conectados de maneira que apresentem o elo CC comum. Também há a necessidade de utilizar filtros passa-baixa (circuito L--C) para eliminar os harmônicos de ordem eleada sintetizados pela PWM. O retificador é o elemento do DV que propicia o fornecimento de energia atia durante a compensação de afundamento. Este elemento poderia ser uma célula fotooltaica, um flywheel, ou, entre outros, uma bateria. Porém com o intuito de obter um equipamento de menor custo e maior robustez, optouse utilizar um retificador não controlado. Por outro lado, o emprego deste retificador pode proocar distorções eleadas na tensão da barra de entrada, o que torna indispensáel a utilização de um algoritmo de compensação de harmônico. A tensão sintetizada pelo inersor PWM é filtrada pelo circuito L--C. O inersor está conectado no sistema por um transformador série que é um outro elemento importante do DV. Este dee ser projetado a suportar toda a corrente fornecida à carga protegida, mesmo no momento em que o DV encontrar-se bloqueado, sem injetar tensão. Na Figura 1 podemos obserar o DV, que é de conexão série e as tensões injetadas têm amplitudes e ângulos de fase dinamicamente controladas, funcionando como uma fonte de tensão controlada. A tensão reg. na barra regulada é a soma da tensão com afundamento da barra de entrada, que é a

2 tensão de suprimento X S tensão c/ afundamento entr barra de entrada DV tensão de compensação cargas não protegidas Figura 1: Diagrama unifilar do DV disponíel ao DV, com a tensão de compensação c injetada atraés do transformador série. O Controle do DV carga sensíel protegida O controle do DV é composto por três instâncias, como destacado no diagrama da Figura : algoritmo de compensação de afundamentos; algoritmo de compensação de harmônicos e desequilíbrios; e o controle de disparo das chaes do conersor PWM. Também ale notar a presença do controle auxiliar de compensação de harmônico. Tanto no controle de afundamento quanto no de harmônicos e desequilíbrios há somente a necessidade de se conhecer a forma de onda da tensão disponíel na barra de entrada do DV. Porém, o controle de disparo implementado dee ter uma realimentação da tensão de compensação aplicada na carga que, neste caso, é obtida pela diferença da tensão na barra regulada com a tensão da barra de entrada..1 Algoritmo de compensação de afundamento O diagrama representando o algoritmo de compensação de afundamento está destacado na Figura. Este garante que a componente de seqüência positia da tensão na barra regulada permaneça com o alor eficaz V ref., conenientemente definido como 1 p.u.. O algoritmo baseia-se no fato de que a tensão da c tensão regulada reg barra regulada barra regulada é a tensão de compensação somada com a tensão disponíel na barra de entrada do DV. A amplitude da tensão de compensação de afundamento é calculada utilizando os conceitos do alor coletio V Σ [], definido na equação (1). Este alor representa o alor eficaz da tensão de linha, no caso das tensões de fase a, b e c não apresentarem distorções e desequilíbrios [3]. V = + + (1) Σ a b c Para se obter um alor coletio que realmente represente o alor eficaz da componente de seqüência positia tensão na barra de entrada utiliza-se um detector de sequência positia (V +1 ), representado na Figura 3. Este detector é apresentado em [], e está baseado na Teoria das Potências Atia e eatia Instantânea [4], onde é definido as expressões utilizadas em seu algoritmo. Como pode ser obserado na Figura 3, o detector utiliza um circuito PLL (phase-locked loop) responsáel pela detecção de freqüência e fase da a b c V (pu) V (pu) Transf. α-β - 1 i α PLL i β α β Cálculo das Potências p p = f = Hz c q q = = Hz Cálculo de α e β α β Figura 3: Detector de Seqüência Positia a b c V rms fc Transf. Inersa α-β a b c..1.. tempo(s) Figura 4: Dinâmica do detector de seqüência positia V Σ V Σ reg. Detector de V +1 Controle de Afundamento de Tensão. Módulo Auxiliar do Controle de Afundamento reg. Cálculo de V Σ V ( reg.) V ref.(1pu). en tr Detector Cálculo V ( ent.) V comp.af. de V de V Σ amplitude & Gerador senos comp. af. de senos x PI ajuste entr comp. reg. 3 comp. aplic. PI ref. pwm s 1 s 4 s s3 Seno PWM s s6 L C trafo série comp. aplic. 3 comp. har. Controle de disparo Controle de Harmônicos e Desequilíbrio Figura : Diagrama do algoritmo de controle

3 tensão. Em [] encontra-se uma análise do PLL utilizado neste trabalho, além de apresentar resultados de sua operação sob distúrbios harmônicos e desequilíbrio. No caso exemplificado na Figura 4, as tensões a, b e c apresentam uma componente harmônica de quinta ordem com magnitude. pu e no instante,1 s ocorre um afundamento de % na tensão. Como também podem ser obseradas na Figura 3, as componentes médias de p e q são obtidas utilizando filtros passa-baixas, o quais acrescentam uma dinâmica a resposta do detector de V +1. Na Figura 4 podemos obserar o alor coletio V Σ, este é calculado diretamente com as tensões a, b e c. O conteúdo harmônico presente nestas tensões prooca uma oscilação neste alor coletio, com isso, se utilizarmos V Σ durante o cálculo do alor eficaz V comp.par.af. da tensão de compensação, a oscilação presente neste alor faz com que o próprio algoritmo de compensação de afundamento injete um conteúdo harmônico no sistema. Isso justifica a utilização do detector de seqüência positia. Depois de encontrar o alor eficaz V comp.af. (tensão de compensação de afundamento), multiplicase este com os sinais senos, que são de alor eficaz unitário e sincronizados com a tensão na barra de entrada, encontrando, assim, a tensão de compensação de afundamento comp. af... Algoritmo de compensação de harmônicos e desequilíbrios A forma da tensão da barra de entrada do DV pode ser descrita pela equação (), onde está expressa somente a fase a. Em () podemos obserar que a tem uma componente de seqüência positia (primeira parcela). A segunda e terceira parcelas de a representam, respectiamente, a componente de seqüência negatia e o somatório de todos os harmônicos. Esta componente de seqüência positia a é obtida pelo mesmo detector utilizado no controle de afundamento, e representado na Figura 3. a = V sin( ω t + φ ) + V sin( ω t+ φ ) entr. a entr. a comp. har. h= V sin( ω t + φ ) h h h () = V sin( ω t+ φ ) (3) = V sin( ω t + φ ) h= V sin( ω t + φ ) h h h (4) De acordo com o diagrama do controle de harmônicos e desequilíbrio da Figura imos que a tensão de compensação harmônica e de desequilíbrio a comp.har ale a a, como pode ser comproado pelas equações (), (3) e (4), este alor é exatamente o oposto das componentes de harmônicos e desequilíbrio da fase a do sistema de potência. Com esta mesma lógica, foram criadas as tensões de compensação das outras fases ( b comp.har e c comp.har) e com a injeção destas três tensões pelo DV é possíel reduzir o conteúdo harmônico e de desequilíbrio do sistema de potências..3 Controle de disparo A tensão de compensação, que é a referência para o chaeamento do inersor, é soma das tensões de compensação de afundamento e de compensação de harmônicos e desequilíbrio. Como o circuito L--C na saída do inersor PWM causa uma atenuação e um deslocamento de fase na tensão de compensação sintetizada pelo inersor, foi necessária a utilização de uma malha adicional de controle com o objetio de garantir que a tensão injetada no sistema, atraés do transformador série, tenha a mesma forma de onda da tensão de referência calculada. Esta malha adicional está baseada no controle linear de corrente apresentado em [6], mas como, no caso, o objetio é um controle de tensão, algumas modificações tornaram-se necessárias. A malha adicional compara a tensão de compensação aplicada, que é obtida pela equação (), com a tensão de compensação calculada. O erro dessa comparação é a entrada de um controlador PI que apresenta em sua saída a tensão de referência para o seno PWM, que é o responsáel por pelos sinais de chaeamento S1, S,... S6. comp. aplic. = reg. () Este controle atendeu satisfatoriamente as exigências necessárias para a compensação de harmônicos. Também a queda de tensão inerente a operação normal do sistema de distribuição considerado neste estudo foi compensada de forma eficaz. Entretanto, erificou-se uma limitação neste controle, isto que o mesmo não possibilitou a compensação total da tensão na ocorrência de um afundamento temporário. Para afundamentos em torno de % da tensão nominal, pode-se obter uma compensação de cerca de 98%. Com o intuito de otimizar o desempenho do controle de afundamento, é proposta a inclusão de um módulo auxiliar no algoritmo de controle de afundamento, ora proposto..4 Módulo Auxiliar do Controle de Afundamentos. Para obter uma compensação total da tensão na barra regulada, foi adicionado o Módulo Auxiliar de Controle de Afundamento, que pode ser obserado na Figura. Neste módulo é calculado o alor coletio da componente fundamental de seqüência positia da tensão na barra regulada. Para isso foi necessária a inclusão de um circuito de detecção semelhante ao relatado no item.1.

4 Este alor agregado é comparado com o alor de referência V ref., o mesmo utilizado no item.1. Sendo o erro utilizado na entrada de um controlador PI, que apresentará em sua saída o alor eficaz a ser adicionado àquele encontrado no algoritmo original de controle de afundamento. Deste modo, foi possíel eliminar a diferença de cerca de % de afundamento que permanecia na tensão regulada, quando o controle original é utilizado. Em situações que não exijam uma compensação total da tensão, o módulo auxiliar pode ser dispensado. Ainda assim a atuação do DV atenderá os requisitos inclusos na normalização a regulação de tensão, como pode ser erificado em [8]. 3 Modelo Simulado Com o intuito de alidar o controle proposto, foram feitas simulações do DV operando em um sistema de distribuição típico. O simulador aqui utilizado foi o PSCAD Este foi escolhido por apresentar algumas antagens, tais como a interface de isualização dos resultados em tempo real; a possibilidade de modificação de parâmetros do controle também em tempo real; os sistemas elétricos e de controle podem ser aglomerados em módulos melhorando a organização da simulação; interpolação da solução entre dois time steps, encontrando a solução no instante exato do eento; além de possuir excelentes exemplos. O diagrama unifilar do sistema de distribuição está representado na Figura. Este é composto por noe alimentadores radiais modelados em pi. Todos conectados na barra comum. Entre a barra comum e a barra infinita há uma linha modelada por um -L série. Este sistema é o mesmo utilizado em [7]. O DV está inserido no final de um dos alimentadores, em série com a carga consideráel crítica que deerá ser protegida. a tensão na barra comum apresenta um alor em torno de 87 % da tensão nominal. Esta queda de tensão é proocada pelo carregamento adotado nos alimentadores. um curto-circuito trifásico, em um dos alimentadores adjacente no instante.4 seg., resulta em um afundamento de 4 % na tensão da barra comum. O curto-circuito ocorreu em um ponto localizado a cerca de 3 % do comprimento total do alimentador, a partir da carga. Este lea 3 ms. para ser extinto. o DV está inserido em série com a carga sensíel atuando somente a partir do instante.3 seg.. Isso deido a necessidade do carregamento do capacitor do elo CC, e a dinâmica do detector V Caso 1: Algoritmo sem o módulo auxiliar do controle de afundamento Os resultados das simulações aqui apresentados têm o objetio de alidar a estratégia de controle sem a inclusão do módulo auxiliar relatado no item.4. Na Figura 6 estão ilustradas as formas de onda das tensões de fase na barra comum do sistema. Note que no instante de 4 ms, há um afundamento de tensão causado pelo curto-circuito trifásico no alimentador adjacente. O resultado da atuação do DV pode ser obserado na Figura 7, onde encontra-se a forma de onda da tensão de fase na barra regulada. A Figura 8 mostra a tensão de linha em três barras do sistema. Pode-se notar que a tensão na barra infinita ( ab_ ) possui alor 1 pu (alor MS) e não possui harmônicos. Em compensação a tensão na barra de entrada do DV ( ab_in ) é bem inferior a este alor e possui uma grande quantidade de harmônicos. Já a tensão na barra regulada ( ab_reg ) possui um baixo conteúdo harmônico, quando comparada com a tensão 1 a b c Eento Extinção da falta 4 esultados de Simulações - O caso teste foi implementado considerando os seguintes aspectos:.6 pu.147 pu S base = 4 MVA V base = 13.8KV I base = 1673,A Z base = 1Ω f = 6Hz Barra Comum ALIMENTADO ALIMENTADO ALIMENTADO ALIMENTADO ALIMENTADO ALIMENTADO ALIMENTADO ALIMENTADO ALIMENTADO CAGA CAGA CAGA CAGA CAGA CAGA CAGA CAGA DV Barra de Entrada ALIMENTADO =.4 pu Xl=.3 pu Yc= 1.6e -4 pu CAGA CAGA Barra egulada Figura : Diagrama unifilar do sistema de distribuição típico =9.6pu Xl=14.7pu Yc= 9.36e -4 pu Tempo (ms) Figura 6: Forma de onda da tensão trifásica na barra comum a b c Eento Extinção da falta Tempo (ms) Figura 7: Forma de onda da tensão trifásica na barra regulada

5 - - Eento ab_ ab_reg ab_ in Figura 8: Forma de onda das tensões de linha nas barras do sistema: ab_ tensão na barra infinita; ab_in tensão na barra de entrada dp DV; ab_reg tensão na barra regulada Tensão (pu) Valor eficaz de tensão (pu) comp.,ref. comp.,aplic Figura 9: Tensão de compensação da fase a V rms_r eg Ínicio da atuação do DV Eento V rms_ in Extinção da falta Figura 1: Valor eficaz da tensão na barra de entrada do DV (V rms_in ) e na barra regulada (V rms_reg ). da barra de entrada, demonstrando um ótimo funcionamento do DV. A defasagem entre a tensão na barra infinita e a tensão nas outras barras é deido à impedância da linha de transmissão. O funcionamento do controle de disparo pode ser erificado na Figura 9. Nela, pode-se obserar a forma de onda da tensão de compensação de referência para a fase a, comp,ref. (calculada pelos algoritmos de controle de afundamento e de controle de harmônicos e desequilíbrio), e também a tensão de compensação aplicada pelo DV comp,aplic.. Verificase que a tensão injetada pelo DV não acompanha exatamente a referência, resultando em uma limitação na compensação total do afundamento, como citado no item.3. Isso pode ser obserada na Figura 1, onde o alor eficaz da tensão na barra regulada permanece em.99 pu, e na ocorrência da falta este alor reduz para.97 pu. Nesta figura também está representado o alor eficaz de tensão na barra de entrada do DV. 4. Caso : Algoritmo com o módulo auxiliar do controle de afundamento Adotando o módulo auxiliar do controle de afundamento, foi possíel compensar totalmente o afundamento na tensão na barra regulada. Na Figura 11, são apresentadas as formas de ondas da tensão de fase na barra regulada, durante a ocorrência da falta no alimentador adjacente. Na Figura 1 estão ilustradas as formas de onda das tensões de linha na barra infinita, na barra de entrada e na barra regulada. A tensão na barra infinita ( ab_ ) apresenta alor eficaz de 1 pu e não possui harmônicos. Como a tensão na barra de entrada do DV apresenta um afundamento de cerca de 4 %, e um grande conteúdo harmônico, comproa-se a eficiência do controle proposto, isto que a tensão na barra regulada ( ab_reg ) foi plenamente compensada. As tensões de compensação de referência obtidas com e sem o módulo auxiliar podem ser obseradas na Figura 13. Também nesta figura está ilustrada a forma de onda da tensão de compensação efetiamente aplicada pelo DV ( a_comp.med ). Verifica-se que a_comp.med acompanha a tensão de compensação de referência a_comp.org calculada pelo algoritmo de controle sem o módulo auxiliar. Entretanto foi necessário utilizar como referência para o controle de chaeamento, a tensão de compensação ( a_comp.ref ) obtida com o módulo auxiliar. Os alores eficazes das tensões na barra regulada a b c Eento Extinção da falta Tempo (ms) - - Figura 11: Forma de onda da tensão trifásica na barra regulada Eento ab_ ab_reg ab_ in Figura 1: Forma de onda das tensões de linha nas barras do sistema: ab_ tensão na barra infinita; ab_in tensão na barra de entrada dp DV; ab_reg tensão na barra regulada Tensão (pu) a_comp.med. a_comp.org. Eento a_comp.ref Figura 13: Tensão de compensação da fase a

6 Valor eficaz de tensão (pu) V rms_reg Ínicio da atuação do DV V rms_ in Eento de Falta e de entrada do DV estão representados na Figura 14. Apesar da tensão de entrada apresentar um alor de aproximadamente. pu durante o curtocircuito, a tensão na barra regulada, após um pequeno transitório, mantém-se com o alor eficaz de 1 pu.. Conclusões Foram apresentados os aspectos relatios a uma estratégia de controle para estauradores Dinâmicos de Tensão que possibilita a compensação de afundamentos e harmônicos na tensão. Deido a característica de compensação de harmônicos, esta estratégia permite a utilização de um retificador não controlado para suprir a energia ao elo CC do DV. Deste modo tem-se uma redução no custo final deste tipo de equipamento. A estratégia original pode ser modificada para uma compensação total de afundamentos de tensão. Esta modificação implica na inclusão mais um detector de seqüência positia de tensão, aumentando a complexidade do algoritmo de controle. As simulações apresentaram resultados que alidam a estratégia de controle em suas duas proposições. Dependendo da aplicação, o módulo auxiliar do controle de afundamento não se faz necessário, tendo em ista que a estratégia original proporciona uma compensação de cerca de 97 % do afundamento de tensão. Este alor atende os requisitos estabelecidos em norma relatia a afundamentos de tensão. 6 eferência Extinção da Falta Figura 14: Valor eficaz da tensão na barra de entrada do DV (V rms_in ) e na barra regulada (V rms_reg ). [1] Hingorani, N. G., Introducing Custom Power, IEEE Spectrum,. 3, n. 6, pp , Jun [] Aredes, M., Actie Power Line Conditioners, Ph.D. Thesis, Technishe Uniersität Berlin, Berlin, [3] Costa Jr., D.., Desenolimento e Implementação em DSP do Controle de um estaurador Dinâmico de Tensão, Projeto Final, POLI/UFJ, io de Janeiro, 3. [4] Watanabe, E. H., Stephan,. M., Aredes, M., New Concepts of Instantaneous Actie and eactie Powers in Electrical Systems with Generic Loads IEEE Trans. On Power Deliery,. 8, n., pp , Apr [] Costa Jr., D.., olim, L. G. B., Aredes, M., Analysis and Software Implementation of a obust Synchronizing Circuit PLL Circuit, In: Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics ISIE 3, pp. 9-97, io de Janeiro, Jun. 3 [6] Kazmierkowski, M. P., Malesani, L., Current Control Techniques for Three-Phase Voltage Source PWM Conerters: A Surey, IEEE Trans. on Industrial Electronics,. 4, n., pp , Oct [7] Aredes, M., Fernandes,. M., Miranda, U. A., et al., Simulation study of a low-cost series compensator for oltage sags, harmonics and unbalances applied to a practical system, In: Proceedings of the 7 th Brazilian Power Electronics Conference COBEP 3, pp , Fortaleza, Sep. 3. [8] Bollen, M. H. J., Understanding Power Quality Problems Voltage Sags and Interruptions, IEEE Press, New Jersey,. 7 Nomenclatura Definições utilizadas no algoritmo de controle: sinais tridimensionais - uma dimensão para cada fases. entr. tensão na barra de entrada do DV. componente de seqüência positia da tensão na barra de entrada do DV. senos sinal senoidal de alor eficaz unitário sincronizado com a tensão na barra de entrada do DV. tensão de compensação de afundamento. comp. af. comp. har. tensão de compensação de harmônicos e desequilíbrios. comp tensão de compensação calculada pelo controle do DV comp. aplic. tensão de compensação aplicada no sistema. ref. pwm tensão de referência para a PWM senoidal. reg. tensão na barra de regulada. sinais unidimensionais. V alor de referência para a tensão na barra regulada. ref. V Σ alor coletio comparado com V ref.. V Σ alor coletio calculado com a componente de seqüência positia da tensão na barra de entrada do DV. V alor coletio calculado diretamente com a tensão na Σ barra de entrada do DV. V comp.par.af. - alor eficaz da tensão de compensação parcial de afundamento. V ajuste alor eficaz encontrado pelo controle auxiliar de afundamento V comp.af. - alor eficaz da tensão de compensação de afundamento. S 1, S, S 3, S 4, S, S6 sinais de disparo das chaes.