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An. 6. Enc. Energ. Meio Rural 2006

 

Controle inovador modo corrente e modo tensão para sistemas estáticos de geração distribuída de energia

 

 

Azauri Albano de Oliveira Junior DR.I; Carlos Dias Maciel DR.II; Elineri Cássia C. Cichy, MSC.III; Vicente de Lima Gongora, MSC.IV; Lucio dos Reis Barbosa, Dr.V; Adriano Alves Pereira, Dr.VI

IUniversidade de são paulo - USP- EESC, SP - Brasil Professor Titular de Eletrônica de Potência, e-mail: azaurijr@sel.eesc.usp.br
IIUniversidade de são paulo - USP- EESC, SP - Brasil Professor Titular de Eletrônica de Potência, e-mail:maciel@sel.eesc.usp.br
IIIUniversidade de são paulo - USP- EESC, SP - Brasil Doutorado em Eletrônica de Potência, e-mail:elineri@uol.com.br
IVUniversidade de são paulo - USP- EESC, SP - Brasil Doutorado em Eletrônica de Potência, e-mail: vicente@ldapalm.com.br
VUniversidade estadual de londrina - UEL- PRr - Brasil Professor Titular de Eletrônica de Potência, e-mail: lbarbosa@uel.br
VIUniversidade federal de uberlândia - UFU - MG - Brasil Professor Titular de Eletrônica de Potência, e-mail: aapereira@ufu.br

 

 


RESUMO

O foco deste trabalho é na tecnologia de controle do inversor de potencia para conectar qualquer possível fonte alternativa de energia em corrente contínua CC, para alimentar o inversor conectado à rede elétrica funcionando em dois modos, sendo um no modo corrente injetando potência útil e outro em modo tensão alimentando a carga isolada, afastada dos grandes centros de distribuição. Utilizando o controle modo corrente e modo tensão por deslocamento de Limite superior CMVMC, é possível utilizar-se de um único conversor de energia para executar as duas tarefas, se afastado dos grandes centros de distribuição o controle adota automaticamente o de tensão atendendo aos requisitos de qualidade de energia das cargas a serem alimentadas. Quando instalado em centros onde existe a energia convencional o sistema funciona em modo corrente, injetando potência útil proveniente das fontes alternativas e no caso de falta momentânea da rede convencional passa o inversor a funcionar no modo tensão e segue mantendo a carga instalada ininterruptamente e desconectando a rede convencional pelas restrições de segurança e na volta desta o sistema atua novamente em modo corrente. Este avançado controle permite controlar o limite máximo da energia proveniente da fonte CC ao mesmo tempo em que não gera componente de corrente contínua e devidamente protegido contra o efeito ilha quando em operação conjunta da rede elétrica convencional. A viabilidade deste controle foi provada por simulação numérica e pelos resultados práticos da implementação.


ABSTRACT

This Work focuses on control of power inverter tecnologies for connecting any possible DC energy system to a single-phase using a current mode voltage mode control CMVMC. In this way a CMVMC can control only one power inverter in two operation modes. In current mode the control inject the active power in the utility and voltage control keeping loads always on with energy from the alternative DC sources. When instaled near big centers the control will choose the correctily operation or current mode or voltage mode depend on if the utility is present or no. This advanced, robust control strategies can determine the maximum on-line limit current from the DC energy, without DC current component and also free of island operation. The feasibility of this new control was digitaly simulated and implemented in analogic way.


 

 

1. Introdução

Com o objetivo de gerar energia melhorando a qualidade, o tempo de vida útil e coordenar os pesados investimentos nas redes de energia elétrica, vários artigos [Rick West and Konrad Mauch,2002 - Bimal K. Bose, 2000 - Wu, T.F.; Nien, H.S.; Shen, C.L.; Hsieh, H.M.; Chen, Y.M.,2005 - Kjaer, S.B.; Pedersen, J.K.; Blaabjerg, F., 2005 - Troy Nergaard, Jeremy Ferrell, Leonard Leslie, Brandon Witcher, Heath Kouns, and Dr. Jason Lai ,2001 - Adriano A. Pereira, Elineri C.C.Cichy, Lúcio dos Reis Barbosa, Selma Milagre, Vicente de. Lima Gongora., 2004] apresentam soluções que incorporam também os controles dos inversores que se encarregam de controlar a energia proveniente de fontes alternativas tratando-as de forma adequada para que se atinja o objetivo desejado que é a geração de energia atendendo os requisitos das cargas alimentadas por este sistema. Este artigo mostra um controle inovador simples e muito efetivo para o controle universal de conversores de energia que funcionam com entrada CC proveniente de fontes alternativas tipo Células a combustível, painéis solares, geradores eólicos etc. para geração de energia em sistemas conectados ou como geradores autônomos de energia em corrente alternada. A técnica aqui empregada opera com um único conversor de energia sendo este comandado pelo controle Modo corrente e modo tensão por deslocamento de limite superior CMVMC. A estratégia de controle funciona da seguinte forma:

1- Com rede elétrica presente, gerar dois limites um superior outro inferior através de amostra da rede elétrica comercial e mantendo a amostra da corrente do indutor de interligação entre estes limites.

2- Sem a rede presente o controle é realimentado pela tensão de saída da carga e pela corrente do indutor de interligação, seguindo o compensador interno ao controle .

A Fig.1 mostra o conversor de potência utilizado e a estratégia de controle é mostrada na Fig.2 .

 

 

Onde:

Vcc: é a fonte de energia alternativa;

C: capacitor de entrada do barramento CC;

Q1,Q2,Q3 e Q4: as chaves de potência do conversor;

Linter: Indutor de interligação;

iL: Corrente do indutor de interligação;

i3: corrente injetada na rede elétrica comercial;

i2: Corrente de consumo da carga não linear;

Lf: Indutor de carga;

D1, D2, D3, D4: Diodos retificadores da carga não linear;

Ro: Resistência de carga.

 

2. Método de controle

A corrente do indutor de interligação, Linter se mantém entre os dois limites gerados pelo controle CMVMC onde é compensada a cada ciclo de chaveamento gerado pelo controle. A corrente média do Linter é estipulada de acordo com a faixa entre o limite superior e inferior sendo a amostra da corrente deste indutor a responsável por informar o valor da corrente que será comparada com os dois limites previamente dimensionados. Quando existe rede elétrica comercial o modulador acompanha a amostra desta e na sua ausência o modulador gera o sinal adequado para o controle CMVMC seguindo uma referência interna de sinal que é realimentado pela tensão da carga.

 

 

O inicio do funcionamento do controle ocorre quando da chegada de Vpulse, fechando as chaves de potência e a corrente de Linter IL atinge o limite superior ILs, neste instante o controle envia o sinal para abertura das chaves de potência a corrente IL começa a cair e o controle aguarda a chegada de novo pulso de disparo. Nesta fase podem ocorrer duas situações:

1- A corrente IL decrescer de valor até encontrar o limite inferior antes da chegada do próximo pulso, repetindo-se o ciclo e;

2- A corrente IL ultrapassar o limite inferior antes da chegada do próximo pulso. Neste caso o controle CMVMC gera uma tensão VEAA, que representa a quantidade da ultrapassagem do valor da corrente IL em relação ao limite inferior ILi. Desta forma o controle acrescenta esta mesma quantidade ao limite superior ILs', fazendo com que o limite se altere da mesma quantidade ultrapassada, garantindo assim que a freqüência de chaveamento de mantenha constante.

Caso a corrente IL não consiga atingir o limite superior o controle de largura de pulso máximo permitido envia o comando de abertura para as chaves de potencia, podendo desta forma serem comandadas pelo próximo pulso de disparo. Percebe-se que com a utilização do controle CMVMC não é necessário a geração de uma onda dente de serra para o controle da largura de pulso o que simplifica este controle e na presença da rede elétrica a correta modulação tem origem na comparação do sinal retificado do Linter com a amostra de tensão retificada da rede comercial

 

3. Resultados de simulação

A Fig.4. Mostra o resultado de simulação de um conversor ponte completa utilizando o controle CMVMC, para injeção de potência ativa na rede elétrica proveniente de fontes alternativas. E também funcionando em modo tensão alimentando a carga crítica.

 

 

4. Resultados experimentais

Os resultados experimentais obtidos são mostrados para o sistema da Fig.1. funcionando em modo corrente e modo tensão. Para se obter o correto valor da corrente obtida deve-se efetuar a divisão do valor lido pelo sensor resistivo utilizado 0.25 Ohms. A Fig. 5 mostra os resultados obtidos reduzindo-se até zero o valor da corrente de contribuição do inversor e na Fig. 6 mostra-se o resultado do diagrama espectral de potência normalizado da corrente injetada.

 

 

5. Conclusão

Este artigo introduziu o controle CMVMC inovador para conversores de potência com controle em malha fechada em corrente e tensão permitindo o seu funcionamento como gerador de energia em paralelo com a rede elétrica injetando potência ativa no sistema elétrico e como sistema de fornecimento de energia em unidades isoladas das linhas de transmissão permitindo o acesso universal da energia elétrica. Os resultados obtidos estão de acordo com a análise prévia e com os resultados de simulação.

A estratégia de controle para conversores conectados à rede apresentou excelente desempenho mostrada pelos resultados obtidos na Fig.6 onde é verificado o diagrama espectral normalizado da corrente do indutor de interligação.

 

6. Referências

[1] - Autores: Rick West and Konrad Mauch, Xantrex Power Engineering, Yu Chin Qin Millenium Technologies, Ned Mohan University of Minnesota, Russell Bonn, Status and Needs of Power Electronics for Photovoltaic Inverters: Summary Document Photovoltaic Systems Sandia National Laboratories. SAND2002-1085 Unlimited Release Printed April 2002.

[2]- Autores: Bimal K. Bose, Life fellow, IEEE, ENERGY, ENVIRONMENT, AND ADVANCES IN POWER ELECTRONICS, Transactions On Power Electronics, vol.15, no.4, JULY 2000.

[ 3 ]- Autores: Wu, T.F.; Nien, H.S.; Shen, C.L.; Hsieh, H.M.; Chen, Y.M.; A half-bridge 1/spl Phi/2 W PV inverter system with active power filtering and real power injection, Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2005. APEC 2005. Twentieth Annual IEEE, Volume 1, 6-10 March 2005 Page(s):428 - 434 Vol. 1

[ 4 ]- Autores: Kjaer, S.B.; Pedersen, J.K.; Blaabjerg, F.; A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules Industry Applications, IEEE Transactions on Volume 41, Issue 5, Sept.-Oct. 2005 Page(s):1292 - 1306 Digital Object Identifier 10.1109/TIA.2005.853371

[ 5 ]- Autores:Troy Nergaard, Jeremy Ferrell, Leonard Leslie, Brandon Witcher, Heath Kouns, and Dr. Jason Lai, Design of a 10 kW Inverter for a Fuel Cell 2001 Future Energy Challenge, Submitted by Virginia Tech on: June 15th, 2001- FEC.

[6]- Autores: Adriano A. Pereira, UFU, Elineri C.C.Cichy, USP_EESC, Lúcio dos Reis Barbosa, UEL, Selma Milagre, USP_EESC, Vicente de. Lima Gongora, USP_EESC. The New control for parallel active filter using shifting Limit, VI - Induscom - Joinville Sta Catarina - Brasil, Out. 2004.

[7]- Autores: Adriano A. Pereira,UFU, Ailton Akira Shinoda,UEL, Carlos Dias Maciel, USP_EESC, Lúcio dos Reis Barbosa,UEL, Roberson Marzack, UEL, Vicente de. Lima Gongora.UEL. Novel current inverter Fully Digitally Controled Using SLCMC, IEEE- Compel 2004 - , August 15-18. 2004.Illinois USA.