Projeto de Pesquisa Titulo do projeto: Desenvolvimento de conversores estáticos para pequenas unidades geradoras interligadas ao sistema de distribuição. I. Autor Prof. Dr. João Américo Vilela Júnior II. Resumo A geração de energia através de pequenas unidades geradoras (microgeração) representa uma diluição do investimento em geração, e sua disseminação uma expansão do potencial energético do país. A instalação dessas unidades dentro dos grandes centros urbanos representa uma redução nas perdas por transmissão, além de minimizar o impacto ambiental presente de forma expressiva na operação das grandes centrais geradoras do Brasil. Essas unidades geradoras, em virtude da baixa potência, podem ser ligadas direto na rede de baixa tensão, representando uma redução das perdas na distribuição. Como é necessário para injeção dessa energia na rede um inversor, o mesmo pode ser utilizado para corrigir parcialmente o conteúdo harmônico de corrente, melhorando a qualidade da energia no sistema de distribuição. Quando adequadamente utilizadas, essas pequenas unidades geradoras proporcionam um aumento na confiabilidade e estabilidade do sistema de energia. O custo da energia gerada nessas pequenas unidades geradoras é alto, mas o desenvolvimento de conversores estáticos com maior eficiência e menor custo é um importante passo para viabilizar essa opção de geração. Agregar outras funções a esses conversores estáticos, por exemplo, a operação como filtro ativo, sem um significativo aumento do custo é um importante caminho de viabilização dessas fontes geradoras. Diante dos inúmeros atrativos da geração solar distribuída, a pesquisa para o desenvolvimento de topologias adequadas e uma correta técnica de controle dos conversores CC-CC e dos inversores é imprescindível.
III. Objetivos As pequenas unidades geradoras, normalmente são projetadas para trabalharem isoladas (com banco de baterias), sendo utilizadas em lugares remotos. Entretanto, a microgeração nos grandes centros urbanos é uma vertente importante na expansão do potencial energético do sistema brasileiro. Existem poucas pesquisas no Brasil quanto ao aspecto de desenvolver conversores para interligar essas pequenas unidades geradoras à rede elétrica, sendo a melhoria da eficiência, o aumento da confiabilidade, a redução dos custos de produção desses conversores e a utilização de um controle que opera de forma mais inteligente, alguns dos aspectos do projeto desses conversores que necessitam de uma pesquisa mais meticulosa. Para unidades de geração com painéis fotovoltaicos é necessário desenvolver conversores CC-CC que extraiam a máxima potência do painel fotovoltaico e adequem essa tensão ao nível necessário para a correta operação do estágio de saída (inversor). O inversor monofásico responsável por transferir a energia gerada para a rede de distribuição deve apresentar uma lógica de controle que permita a injeção da corrente na rede elétrica de forma a corrigir parcialmente o conteúdo harmônico de corrente presente nessa rede. Assim, esse projeto visa a desenvolver os dois conversores estáticos necessários para conexão de painéis fotovoltaicos à rede elétrica. O inversor supracitado pode ser utilizado para conectar pequenos geradores eólicos e outras pequenas fontes de energia a rede de baixa tensão. Grande quantidade desses equipamentos conectados a rede elétrica, alem de representar uma parcela significativa da energia gerada, proporcionam uma melhoria expressiva na qualidade da energia. Uma breve discussão sobre o impacto dessas pequenas unidades geradores no sistema de energia será desenvolvida. IV. Introdução Geradores eólicos e painéis fotovoltaicos podem ser instalados em vários locais nos grandes centros urbanos como na cobertura e na fachadas de edifícios, no telhado das residências e nos postes de distribuição de energia. É natural esperar que cada unidade geradora apresente um baixo potencial de
geração, em virtude da impossibilidade de colocar junto uma grande quantidade de painéis fotovoltaicos ou instalar grandes geradores eólicos nos centros urbanos. Entretanto, uma grande quantidade dessas unidades geradoras distribuídas ao longo de toda cidade, representa um elevado potencial de geração. Obviamente a instalação de várias pequenas unidades distribuídas representa um custo de implantação maior que o obtido com a concentração de todas essas unidades geradoras num único local. A geração eólica num local fora dos centros urbanos permite a construção de unidades maiores e, por conseqüência, com menor custo por kw. Os conversores e inversores necessários também irão apresentar menor custo por kw. Esse panorama inicial leva a acreditar que não é interessante uma geração distribuída dentro dos grandes centros urbanos. Contudo, colocar as unidades geradoras fora dos centros urbanos representa perdas na transmissão dessa energia, investimento em linhas de transmissão e em transformadores de potência, investimento em transformadores de distribuição e perdas nas redes de distribuição, pois a energia gerada nessas pequenas unidades é injetada direto na rede de baixa tensão. Nas perspectivas supracitadas fica a incógnita de qual das duas formas de geração apresentadas é a mais atrativa: geração distribuída ou a geração concentrada em um local fora dos grandes centros. O enfoque aqui não é fomentar essa discussão, mas desenvolver conversores e inversores de baixo custo viabilizando cada vez mais a implementação da geração distribuída de baixa potência dentro dos centros urbanos. Outro atrativo da geração distribuída é a possibilidade de aproveitar o inversor (necessário para injetar a energia na rede) para correção parcial do conteúdo harmônico de corrente presente na rede de distribuição. A operação do inversor também como filtro ativo não implica em um aumento significativo do custo desse dispositivo, mas no aumento da complexidade do controle que deve simultaneamente injetar potência ativa na rede conforme está sendo gerada e corrigir parcialmente o conteúdo harmônico de corrente.
V. Conversores estáticos Para que os painéis fotovoltaicos possam ser interligados à rede de energia é necessário, no primeiro estágio desse equipamento, um conversor elevador de tensão fornecendo energia para um barramento CC na sua saída. Essa tensão será utilizada num segundo estágio composto por um inversor que irá converter essa tensão CC numa tensão alternada de forma a permitir sua conexão a rede elétrica. A Fig. 1 apresenta os estágios necessários para o correto funcionamento do painel fotovoltaico conectado à rede elétrica. Fig. 1 Diagrama em blocos de uma pequena unidade geradora utilizando painéis fotovoltaicos. A corrente drenada de um painel fotovoltaico deve variar com o índice de radiação solar incidindo sobre o mesmo. Caso a corrente drenada seja elevada, a tensão da célula fotovoltaica cai e, por conseqüência, a potência fornecida. Caso a corrente seja muito baixa, não se aproveita toda a potência que o painel pode fornecer. Assim, a corrente que o conversor deve drenar das células, quando o controle está corretamente projetado, corresponde ao ponto de máxima potência. O conversor deve apresentar um controle que busca o ponto de máxima potência de operação MPP. A proposta inicial de conversor para esse primeiro estágio e a utilização do conversor Sepic isolado, que apresenta característica de fonte de corrente na entrada, desejável para drenar energia dos painéis fotovoltaicos, é naturalmente um elevador de tensão, o que é desejável devido à necessidade de elevação da tensão de saída. Esse conversor possibilita algumas simplificações no controle. A estrutura básica desse conversor é apresentada na Fig. 2.
Fig. 2 Estrutura básica do conversor CC-CC Sepic isolado. No segundo estágio desse equipamento temos um inversor monofásico para controle do fluxo de potência fluindo para a rede elétrica. Nessa etapa pretendemos utilizar um inversor em ponte completa, conforme apresentado na Fig. 3. O inversor em ponte completa pode, através de um controle adequado, injetar na rede elétrica uma corrente que cancele ou minimize componentes harmônicas presentes na corrente da rede, reduzindo assim, a presença dessas correntes harmônicas, o que melhora o fator de potência e a qualidade da energia do sistema. Fig. 3 Inversor monofásico em ponte completa. Uma elevada quantidade desses equipamentos pode representar uma substancial melhoria na qualidade de energia nesse local. Outras unidades geradoras, como pequenos geradores eólicos, podem também, utilizar no estágio de saída, o mesmo inversor supracitado. A Fig. 4 representa o inversor funcionando como um filtro ativo shunt para compensar a distorção da corrente e por consequência melhorar o fator de potência do sistema.
Fig. 4 - Representação do funcionamento de um filtro ativo shunt. VI. Cronograma As atividades que serão desenvolvidas estão divididas nas seguintes etapas: 1) Dimensionamento do inversor monofásico Dimensionamento dos elementos passivos indutores e capacitores, especificações dos interruptores e drives. 2) Projeto de controle do inversor Esse projeto apresenta uma elevada complexidade, pois não é possível fazer um cancelamento total das harmônicas em virtude da baixa potência do inversor, e o nível de cancelamento dessas harmônicas também será influenciado pela potência ativa que está sendo gerada. Toda a malha de controle terá que ser implementada de forma digital, devido à complexidade requerida. 3) Simulação do inversor A validação inicial do projeto do inversor será feita inicialmente através de simulação utilizando os softwares PSIN e MATLAB/Simulink. 4) Construção do protótipo do inversor Essa etapa consiste na confecção das placas, construção dos indutores e montagem do inversor.
5) Validação do protótipo através de resultados experimentais Validar a análise teórica e de simulação desenvolvida anteriormente. O inversor será submetido a diferentes condições de operação buscando avaliar sua estabilidade, robustez, eficiência e proteção. 6) Dimensionamento do conversor CC-CC Dimensionamento dos elementos passivos indutores e capacitores, especificações dos interruptores, diodos e drives. 7) Projeto de controle do conversor CC-CC de controle. Um controle de MPP (Maximum Power Point) será utilizado na malha 8) Simulação do conversor CC-CC A validação inicial do projeto do conversor CC-CC será feita inicialmente através de simulação utilizando o software PSIN. 9) Construção do protótipo do conversor CC-CC Essa etapa consiste na confecção das placas, construção dos indutores e montagem do conversor. 10) Validação do protótipo através de resultados experimentais Validar a análise teórica e de simulação desenvolvida anteriormente. 11) Conexão dos equipamentos Conectar o conversor CC-CC com os painéis fotovoltaicos ao inversor de saída. Fazer a análise da dinâmica do conjunto. 12) Extensão dos conceitos obtidos para outras pequenas unidades geradoras que podem ser interligada na rede de energia; A utilização do inversor de saída em outras unidades geradoras, como pequenos geradores eólicos.
VII. Revisão bibliográfica [1] BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência. 4ª Edição, UFSC, 2000. [2] MUHAMMAD, Rashid. Eletrônica de Potência. Editora: Makron Books, 1999. [3] FENILI P. M., Estudo e implementação de um filtro ativo paralelo monofásico de 8kVA, Dissertação UFSC, 2007. [4] BARBI, Ivo. & MARTINS Denizar Cruz. Conversores CC-CC Básicos Não- Isolados. 3ª edição, UFSC, 2008. [5] AHMED, Ashfaq. Eletrônica de potência. São Paulo: Prentice Hall, 2000. [6] BARBI, Ivo. & MARTINS Denizar Cruz. Introdução ao Estudo dos Conversores CC-CA. 2ª edição, UFSC, 2008.
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