Conversor fotovoltaico com suprimento de serviços auxiliares

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Além de realizar funções tradicionais dos inversores fotovoltaicos, o protótipo de conversor trifásico descrito neste artigo visa prover serviços auxiliares relacionados com a melhoria da qualidade da energia no Ponto de Conexão Comum, como compensação de potência reativa e filtragem ativa de harmônicos de corrente. São apresentados a especificação, o projeto e os resultados de verificação experimental de funcionamento do equipamento.

Oscar Solano e Luís Guilherme B. Rolim, UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro; Ulisses Miranda e Isidoro Raposo, da Recriar Tecnologias; Roberto Velásquez, da Facto Energy; e Carlos Sena, da Termelétrica Viana

Data: 06/05/2017

Edição: Fotovolt Março 2017 - Ano 3 - N^o 9

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Um elemento imprescindível dos sistemas de geração de energia solar fotovoltaica (GFV) conectados na rede CA convencional é o inversor eletrônico de potência, que converte a tensão de corrente contínua gerada pelos painéis solares em corrente alternada [1]. Esses equipamentos, em geral, têm funções adicionais, como rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT Maximum Power Point Tracking) [2]. Além disso, os sistemas de GFV têm potencial de prover serviços relacionados com a melhoria da Qualidade de Energia Elétrica (QEE) [3]. Este artigo trata do desenvolvimento de funções auxiliares em um protótipo de conversor de 70 kVA, como compensação de potência reativa e compensação de conteúdo harmônico nas correntes no PCC (Ponto de Conexão Comum). O trabalho foi desenvolvido no âmbito do projeto de P&D da Aneel “Compensador fotovoltaico para suprimento de serviços auxiliares em usina termelétrica”. Os protótipos de campo (três unidades) serão instalados no galpão da sala de máquinas da termelétrica Viana, no Espírito Santo, em um sistema com capacidade total de potência de 210 kVA e com injeção pico de potência ativa de 148,7 kW. O PCC do sistema FV é um barramento para serviços auxiliares da usina termelétrica, com nível de tensão de 480 V, onde estão conectadas cargas, principalmente motóricas. Neste estudo, são destacadas as cargas alimentadas por conversores de frequência (com denominação BLPxx, xx é a numeração da unidade de geração, a qual varia de 1 a 20), que têm comportamento não linear.

Atualmente, a norma brasileira não contempla a função auxiliar de compensação de harmônicos nas correntes da rede [4]. No entanto, opções técnicas que proporcionam melhoria do fator de utilização dos sistemas FV podem estimular a GFV, permitindo a compensação em horários com baixa ou nula irradiação solar (por exemplo, durante a noite).

Impacto da GD na QEE de redes elétricas com cargas não lineares

A GFV facilita o desenvolvimento de micro e mini geração nas proximidades da carga, fornecendo importantes benefícios aos sistemas elétricos [5, 6]. Contudo, o aumento de injeção da GD também gera novos desafios, como regulação de tensão no ponto de conexão, coordenação das proteções e controle dos harmônicos circulantes na rede [7]. Em uma rede com cargas não lineares, por exemplo, a GD pode até prejudicar a QEE de um determinado ramal de distribuição. A figura 1 mostra, por exemplo, um sistema em que a corrente demandada pela carga não linear tem distorção harmônica total (DHT) de 5% e fator de potência unitário na componente fundamental. Neste caso, se a GFV está desligada (i_GFV = 0), a corrente da rede e a corrente da carga são iguais, ambas com DHT de 5%. Por outro lado, se a GFV injeta unicamente corrente senoidal na frequência fundamental, o valor eficaz da corrente equivalente vista pela rede vai diminuir, mas aumentará a distorção harmônica, como mostra a figura 2. No exemplo apresentado, a injeção, por parte da GFV, de 75% da potência solicitada pela carga ocasiona aumento da DHT na corrente da rede de até 20%. A circulação de correntes com níveis inadequados de QEE pode ocasionar problemas nas proteções elétricas, nos elementos de sincronização e inclusive criar condições de ressonância com capacitores usados para compensação de potência reativa [8].

Para superar esta condição desfavorável, os conversores utilizados na GFV poderiam ser controlados para, além de entregar potência ativa na rede, contribuir na compensação dos harmônicos de corrente existentes no PCC, como proposto neste artigo.

Descrição do protótipo

Topologia

O conversor fotovoltaico desenvolvido utiliza a topologia de duplo estágio de conversão (figura 3): estágio CC/CC conectado com a saída dos painéis FV e estágio CC/CA para conexão sincronizada com a rede elétrica. Na primeira etapa (CC/CC), é realizada a função de rastreamento do ponto de máxima potência MPP. Já o conversor CC/CA controla a corrente injetada na rede, a qual, além de ser sincronizada, deve permitir a extração de toda a potência gerada pelos painéis FV, assim como efetuar funções auxiliares de compensação [9]. O uso de dois estágios de conversão (CC/CC e CC/CA) é prática comum, que permite, além de dividir as funções de controle, diminuir as especificações na capacitância do elo CC [10].

Conforme mostra a figura 3, são utilizados três conversores tipo elevador (boost) em paralelo para conversão CC/CC. Este tipo de topologia, denominado multi-string inverter, permite o uso de algoritmos MPPT independentes para cada string, melhorando a produção de potência em relação a um sistema centralizado [10]. A conexão do protótipo com a rede é feita via transformador elevador (380/480 V) em cascata com a saída CA, o que garante isolamento galvânico entre a rede e os painéis FV. O uso deste equipamento aumenta também a capacidade de modulação do conversor CC/CA, que tem suportabilidade de tensão CC de 900 V. Desta forma, a tensão CC nominal é estabelecida em 760 V — valor que tem relação de 2,0 com o nível de tensão no lado de baixa do transformador. Sem o uso deste, a máxima relação (pico CC/eficaz de linha CA) possível seria de 1,88. Outras especificações técnicas do protótipo são mostradas na tabela I.

Estrutura de controle

Aqui, é descrita a estrutura de controle do protótipo, com análise de cada estágio de conversão.

Conversores Boost (CC-CC) Em condições atmosféricas constantes, em termos de irradiação solar e temperatura, a curva tensão‐corrente dos painéis FV tem comportamento não linear, o que evidencia a existência de um único ponto no qual a potência extraída é máxima [10]. Este ponto é modificado com as variações atmosféricas; tanto que operar os painéis FV com tensão de saída constante não permite aproveitamento total da capacidade do sistema. Neste trabalho, foi utilizado o método de condutância incremental de passo variável [2] para realizar o rastreamento dinâmico do ponto de máxima potência, o qual se baseia no fundamento de que a pendente da curva tensão‐potência é zero no MPP. Um diagrama de fluxo da estratégia de controle utilizada é mostrado na figura 4. Observa‐se que este algoritmo tem como entradas a tensão e corrente do arranjo fotovoltaico (V array(t) e I_array(t), respectivamente) e como saída a referência de tensão CC (V*_array). Este algoritmo é computado na frequência de 1 Hz.

A tensão de referência calculada pelo controle é sintetizada pelo conversor boost mediante o comando do ciclo de trabalho da sua chave (ver figura 3). Dado que as especificações da indutância e capacitância deste estágio garantem o modo contínuo de operação, mesmo com baixos níveis de irradiação solar, e que o período de cálculo do algoritmo MPPT é bastante superior ao tempo de assentamento do conversor boost, a expressão clássica de regime da relação entre as tensões de entrada e saída do conversor boost [11] é utilizada como base para a equação (1).

onde:
D_boost é o ciclo de trabalho; e
V_eloCC é a tensão no elo CC.

A figura 5 fornece uma visão geral da interação dos dois laços de controle do primeiro estágio de conversão.

Estágio inversor (CC-CA) A principal função do inversor CC-CA é entregar na rede, mediantes correntes sincronizadas, a potência extraída pelo primeiro estágio. Para realizá-la, a variável chave de controle é a tensão do elo CC, pois, ao manter esta grandeza constante, garante-se o equilíbrio de potências. Neste trabalho, é utilizado um controlador Proporcional-Integral (PI), que, a partir do erro existente entre a tensão CC de referência e a tensão instantânea medida, determina a potência a ser injetada na rede (P* _CC.

O segundo laço de controle do inversor CC-CA consiste na determinação das correntes de referência, que utiliza como base a teoria de potências instantâneas p-q [12], na qual as correntes nos eixos alfa e beta são calculadas a partir das potências de referência (p* e q*) usando (2). A determinação de (p* e q*) é fundamental para definir o comportamento do inversor. Se nenhuma função auxiliar for desejada, as referências de potência estariam dadas por p* = P*CC e q* = 0. A especificação de funções auxiliares é realizada modificando as referências anteriores, segundo desejado, considerando tanto a prioridade do controle da tensão CC, quanto a capacidade do sistema.

Em (2), i*_GFVα e i*_GFVβ são, respectivamente, correntes de referência do conversor nos eixos alfa e beta, e ν é a tensão no PCC.

As cargas não-lineares conectadas em paralelo no PCC servem como base para determinação das potências de referência de compensação. Primeiramente são calculadas as potências instantâneas consumidas por estas cargas, usando (3). A equação mostra que as potências podem ser divididas em um componente constante , originado pelas componentes fundamentais das tensões e correntes; e um componente oscilante , resultado das distorções harmônicas existentes. Assim, as potências instantâneas calculadas por (3) passam por filtros passa-baixas (FPB) que permitem a separação dos dois componentes, como apresentado esquematicamente na figura 5.

A expressão utilizada para estabelecer as referências de potência do inversor é mostrada em (4), onde K_h é um fator constante, em pu, que determina a percentagem de distorções harmônicas da carga que serão compensadas e, analogamente, K_q é um fator utilizado para definir a compensação de potência reativa como uma percentagem da potência reativa da carga. O ajuste destas constantes é feito antes do início de operação do inversor, a partir da medição das correntes de carga conectadas no PCC e das especificações de potência do inversor.

No esquema de controle desenvolvido (figura 5), as correntes de referência calculadas por (2) servem como entradas para o laço interno de controle de corrente. Utilizam‐se controladores PI nas coordenadas α‐β. As saídas destes controladores são asreferências de tensões a ser moduladas (ν*_GFVα e ν*_GFVβ). A técnica de modulação utilizada para sintetizar estas tensões de referência é a SV‐PWM, que permite melhor aproveitamento do nível de tensão disponível no elo CC [11].

Descrição do ponto de conexão

Como mencionado, o protótipo será instalado no sistema elétrico da Termelétrica Viana, que está conectada ao SIN Sistema Interligado Nacional no nível de 345 kV. No nível de baixa tensão (480 V), existem quatro barramentos que alimentam as diversas cargas de serviços auxiliares, as quais são, na maioria, de tipo motórico. Dentre elas, destacam‐se as cargas dos radiadores (com denominação interna BLPxx), as quais, ao ser comandadas por conversores de frequência, têm comportamento não‐linear. Ao todo, o sistema elétrico conta com 20 conversores de frequência, cada um com potência nominal de 103,2 kW.

A figura 6 apresenta as correntes de linha para a carga BLP10. Estas formas de onda foram medidas em campo, junto com as tensões de alimentação (ondas não mostradas), com DHT menor a 3%. Note‐se o alto grau de distorção das correntes apresentadas na figura 6 (DHT igual a 49,5%) com predominância do quinto (33 Arms) e sétimo (15 Arms) componentes harmônicos. A defasagem angular da componente fundamental, por outro lado, é baixa, com um fator de potência de deslocamento de 0,98.

Resultados experimentais

Os resultados aqui apresentados correspondem à verificação experimental de funcionamento do protótipo antes de sua instalação em campo. Nos testes desenvolvidos, foi utilizada uma fonte CC programável (referência TopCon 10 kVA), que emula o comportamento dos painéis fotovoltaicos e permite o carregamento da curva tensãocorrente de um arranjo fotovoltaico. O uso desta fonte, em comparação com a utilização de um arranjo fotovoltaico real, traz dois principais benefícios: independência dos parâmetros atmosféricos e maior exatidão na hora de verificar o funcionamento do algoritmo MPPT. No entanto, dado que a potência nominal desta fonte é inferior às especificações do conversor, os testes são realizados com condições de subcarga.

Por outro lado, nos ensaios é utilizada uma ponte retificadora a diodos em cascata com uma resistência para emular a não linearidade das cargas tipo BLPxx. Neste artigo, são mostrados os resultados de quatro testes: funcionamento convencional, injeção de potência ativa diante de uma carga não linear, operação como filtro ativo e operação completa, filtro ativo e injeção de potência. A figura 7 mostra uma vista frontal do protótipo finalizado.

Funcionamento convencional

No primeiro teste, é verificado o funcionamento do protótipo operando como um inversor fotovoltaico convencional, isto é, sem a função adicional de compensação de harmônicos. A fonte CC foi programada para emular três pontos de operação, com diferentes níveis de irradiação solar: 100%, 75% e 50%. Desta forma, neste teste também é avaliado o desempenho do algoritmo MPPT.

A figura 8 mostra a tensão no PCC (nPCC) e as correntes CC (iCC) e CA (iGFV) para o caso de 100% de irradiação solar. Observa-se que a corrente CA está em fase com a tensão no PCC (indicando mera injeção de potência ativa). Apesar de o formato desta corrente não ser puramente senoidal (DHT de 14%), é sabido que, no caso de injetar uma corrente mais próxima à nominal, esta distorção diminuirá, pois o chaveamento terá menor impacto proporcional na onda resultante. O ripple da corrente do elo CC, por outro lado, é somente 2 A. Finalmente, o desempenho do algoritmo MPPT é verificado pela mesma fonte CC e apresentado em um relatório, onde os resultados indicam em pu a relação entre a energia injetada e a máxima energia disponível na fonte durante o período de cada nível de irradiação solar.

Injeção de apenas potência ativa diante de uma carga não linear

Neste ensaio, pretende-se observar o comportamento das correntes da rede quando, diante de cargas não lineares no PCC, a GFV injeta apenas correntes senoidais na frequência fundamental.

Na figura 9, são mostradas a corrente da carga, que tem valor pico de 29 A e DHT de 21%, a corrente injetada pelo protótipo, com forma de onda senoidal, e a corrente resultante no sistema a montante do PCC (esta última adquire forma de onda bastante distorcida, DHT de 44%).

Operação como filtro ativo

Este teste foi projetado para observar o desempenho da função de filtragem de harmônicos do protótipo, no qual o conversor não injeta potência ativa na rede. Este é um possível cenário, por exemplo, nos horários noturnos. Para este ensaio manteve-se a carga não linear do teste anterior.

A figura 10 apresenta as correntes resultantes no PCC para este ensaio. Verifica-se a grande diferença existente entre a forma de onda da corrente da rede neste caso em comparação com o resultado da figura 9. A corrente injetada pelo protótipo tem distorção harmônica elevada, no entanto, toda ela está em fase com as distorções existentes na carga, de forma que a corrente resultante na rede tem aparência senoidal. Numericamente, a corrente da rede tem DHT de 9,4%, 2,3 vezes inferior à DHT da carga e 4,7 vezes inferior ao resultado do caso anterior, onde o protótipo unicamente injetava potência ativa.

Operação completa: filtro ativo + injeção de potência

Neste teste, são verificadas em conjunto as duas funcionalidades principais do protótipo. O comportamento das correntes do PCC é mostrado na figura 11. Note-se que a corrente injetada pela unidade de GFV tem uma característica peculiar, e consegue tanto reduzir o valor eficaz da corrente da rede quanto aprimorar a QEE ao diminuir seu conteúdo harmônico em comparação com situações sem GFV.

Conclusão

Este artigo mostra que podem ser efetuadas funções auxiliares de compensação nos conversores eletrônicos de potência utilizados para conexão dos sistemas de geração fotovoltaica na rede elétrica, complementares à função principal de injeção de potência ativa. Especificamente, são descritos o projeto e a verificação experimental de funcionamento de um conversor de dois estágios de conversão (70 kVA), no qual foram programadas funções auxiliares orientadas a corrigir distorções harmônicas e baixos fatores de potência das correntes drenadas do PCC.

A técnica de controle utilizada para programação de tais funções auxiliares, baseada na teoria p-q de potências instantâneas, permite o uso desacoplado de cada função. Assim, puderam ser realizados testes sem serviços auxiliares — nos quais foi verificado um comportamento adequado do algoritmo de rastreamento de máxima potência — e testes com inclusão das funções auxiliares citadas. Nestes últimos, verificou-se que, diante a existência de cargas não lineares no PCC, um sistema convencional piora a DHT das correntes da rede a montante do PCC, podendo ocasionar violação dos limites permitidos.

Referências

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Trabalho apresentado no XXII Sendi Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica, realizado em novembro de 2016, em Curitiba, PR.