BR102020023627A2 - Condicionador de qualidade de energia multifuncional operando como conversor de interface entre a rede elétrica e microrredes híbridas - Google Patents

Abstract

Este pedido de patente de invenção refere-se a um condicionador unificado de qualidade de energia híbrido multifuncional nomeado UPQC-H, o qual é projetado para operar como interface entre a concessionária de energia elétrica (100) e microrredes híbridas. O UPQC-H forma os barramentos de correntes alternada (ac) e contínua (dc) da microrrede híbrida, bem como permite a integração de sistemas de geração distribuída e sistemas de armazenamento de energia. As funcionalidades do UPQC-H, o qual conta com a utilização adicional de duas chaves semicondutoras ao circuito de potência do UPQC trifásico convencional, são descritas: 1) melhoria da qualidade de energia; 2) aplicação versátil para qualquer configuração de microrrede híbrida; 3) troca de energia automática entre os barramentos da microrrede quando conectada à rede concessionária ou ilhada; 4) transições sem interrupção entre a operação ilhada e conectada e vice-versa; e 5) suavização dos problemas relacionados à intermitência das fontes de energia renovável.

Description

CONDICIONADOR DE QUALIDADE DE ENERGIA MULTIFUNCIONAL OPERANDO COMO CONVERSOR DE INTERFACE ENTRE A REDE ELÉTRICA E MICRORREDES HÍBRIDAS BREVE DESCRIÇÃO

[01] Trata a presente solicitação de patente de invenção de um inédito CONDICIONADOR DE QUALIDADE DE ENERGIA MULTIFUNCIONAL OPERANDO COMO CONVERSOR DE INTERFACE ENTRE A REDE ELÉTRICA E MICRORREDES HÍBRIDAS, constituído por componentes elétricos, componentes eletrônicos e algoritmos de controle digital embarcado. Com a utilização de apenas dois semicondutores de potência adicionais à topologia tradicional do condicionador de qualidade de energia (UPQC - Unified Power Quality Conditioner), o sistema tratado neste pedido de patente, o qual é nomeado UPQC-H (Unified Power Quality Conditioner - Hybrid), torna-se capaz de disponibilizar conexões dedicadas e independentes para ambos os barramentos dc (do Inglês: Direct Current) e ac (do Inglês: Alternating Current) de uma microrrede híbrida [do Inglês: Hybrid Microgrid (H-μG)] . O sistema UPQC-H é composto por dois conversores compartilhando um mesmo barramento dc, sendo estes: 1) um conversor dc/ac chamado de conversor série, o qual se conecta em série com a rede concessionária; 2) um conversor chamado de conversor paralelo híbrido de dupla conexão paralela, sendo uma ligada ao barramento ac da microrrede híbrida (PCCμGac - ac microgrid Point of Common Coupling) e outra ao barramento dc da microrrede híbrida (PCCμGdc - dc microgrid Point of Common Coupling). Além da interconexão entre microrrede híbrida e rede elétrica, os conversores série e paralelo atuam na melhoria da qualidade de energia ao compensar distúrbios de tensão como afundamentos, elevações, desequilíbrios e distorção harmônica, bem como atuar na supressão de corrente harmônica na rede concessionária e compensação de potência reativa da carga. No estágio de entrada do sistema, uma chave estática de interrupção é utilizada para a realização da conexão/desconexão do UPQC-H à rede concessionária no intuito de permitir tanto a operação conectada (rede presente) como a ilhada (rede elétrica ausente). O sistema UPQC-H ainda possibilita a integração de sistema de armazenamento de energia, bem como de geração distribuída ao barramento dc compartilhado pelos conversores série e paralelo híbrido sem que seja necessária qualquer mudança estrutural na topologia.

CAMPO DE APLICAÇÃO

[02] A presente invenção pertence à seção de sistemas de energia elétrica, ao setor de microrredes elétricas híbridas, mais especificamente aos conversores eletrônicos utilizados na interface com a rede elétrica da concessionária tradicionalmente ac. Sendo assim, o sistema apresentado nesta invenção é destinado para aplicações comerciais, industriais e residenciais que utilizam, além da rede elétrica da concessionária, geração distribuída e armazenamento de energia para alimentação de cargas elétricas, tanto do tipo dc quanto do tipo ac.

CONVENCIMENTO

[03] O maior atrativo desta invenção consiste no desenvolvimento de uma topologia de UPQC multifuncional capaz de atuar como conversor de interligação entre rede concessionária e microrrede híbrida sem deixar de atuar na melhoria dos indicadores e qualidade de energia, e ainda possibilitar integração de geração distribuída e elementos de armazenamento de energia.

[04] As microrredes elétricas híbridas constituem uma solução para inserção de geração distribuída e sistemas de armazenamento de energia junto às unidades consumidoras, de maneira a tirar proveito do advento das cargas dc sem deixar de lado as tradicionais cargas ac. Para que todos esses elementos troquem energia entre si de maneira controlada, conversores eletrônicos de energia têm sido utilizados no intuito de realizar o condicionamento da energia ac para dc e vice-versa.

[05] A conexão da microrrede híbrida à rede concessionária pode ser realizada por meio da conexão direta do barramento ac da microrrede (PCCμGac) à rede concessionária, enquanto o barramento PCCμGdc pode ser gerado utilizando um conversor de simples estágio ac/dc. Entretanto, a estratégia citada não protege os barramentos da microrrede dos distúrbios de tensão que podem aparecer na rede elétrica e além disso, na utilização de cargas não lineares, a circulação de correntes harmônicas podem prejudicar a qualidade de energia, assim como pode contribuir aumentar as perdas ôhmicas de energia na instalação elétrica. Para proteger o barramento PCCμGac dos distúrbios de tensão que podem aparecer nas tensões da rede concessionária, é possível utilizar dois conversores com conexão back-to-back realizando dupla conversão de energia ac/dc/ac (retificador/inversor). Entretanto, tais estágios de conversão de energia em cascata contribuem para o aumento das perdas de energia devido à operação dos conversores eletrônicos.

[06] Com a aplicação da presente invenção, o conversor série do sistema UPQC-H processa no máximo uma parcela da potência nominal instalada que varia entre 25% e 50%, dependendo dos níveis de afundamentos e elevações de tensão admissíveis a serem compensados por um curto intervalo de tempo, enquanto o conversor paralelo híbrido não processa a parcela de potência ativa consumida ou gerada em ac. Isso significa menores perdas de operação envolvidas no processamento de energia entre o barramento da microrrede PCCμGac e rede concessionária. Além disso, quando comparado aos conversores de interligação back-to-back citados anteriormente, embora também exista a presença de dois estágios de conversão de energia (ac/dc/ac), estes não processam a totalidade de energia consumida/gerada pela microrrede. Além disso, a integração tanto da geração distribuída conectada ao UPQC-H, bem como dos elementos de armazenamento de energia, representa uma redução no número de estágios de conversão de energia, fato que eleva a eficiência no processamento da energia gerada e em seguida injetada na rede concessionária, assim como no processamento da energia trocada com os elementos de armazenamento de energia. A soma dos aspectos relacionadas acima associada à melhoria de rendimento representa um melhor aproveitamento da energia gerada localmente, contribuindo com o retorno financeiro esperado do investimento realizado na instalação da microrrede.

[07] Com a aplicação do sistema UPQC-H apresentado nesta invenção, a melhoria da qualidade de energia é alcançada quanto aos seguintes indicadores de qualidade de energia, a saber: 1) distorção harmônica total [do Inglês: Total Haromonic Distortion (THD)] da corrente drenada da rede concessionária e fator de potência (FP); 2) THD e fator de desequilíbrio (FD) da tensão no barramento PCCμGac da microrrede. Dessa forma, a invenção traz como vantagens a redução das perdas de energia ao longo da instalação elétrica, aumento da vida útil das cargas elétricas bem como correta operação de cargas críticas. Além da melhoria da qualidade de energia bem como dos indicadores citados, o sistema UPQC-H, quando integrado a elementos de armazenamento de energia, também promove a transição entre os modos de operação ilhado e conectado à rede concessionária sem interrupção. Além disso, é possível utilizar parte da energia armazenada para suavizar a variação da corrente fluindo pela rede concessionária relacionada à intermitência das fontes de energia renováveis, as quais são dependentes das condições ambientais como é o caso da energia solar e da energia eólica.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[08] No atual estado da técnica estão presentes algumas anterioridades que descrevem a aplicação de sistemas UPQC no contexto de aplicação das microrredes elétricas. No entanto, nenhuma das anterioridades antecipa o descrito no presente pedido de patente, conforme observado a seguir.

[09] L. B. G. Campanhol, S. A. O. da Silva, A. A. de Oliveira and V. D. Bacon, "SingleStage Three-Phase Grid-Tied PV System With Universal Filtering Capability Applied to DG Systems and AC Microgrids," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 12, pp. 9131-9142, Dec. 2017. doi: 10.1109/TPEL.2017.2659381. envolve a proposta de um sistema nomeado PV-UPQC composto pela integração de geração distribuída do tipo fotovoltaica [do inglês: Photovoltaic (PV)] a um sistema UPQC realizando conexão de cargas ac a rede concessionária. Nessa proposta, o sistema PV é acoplado diretamente ao barramento dc dos conversores que compõem o UPQC. Dessa forma, o rastreamento do ponto de máxima potência [do inglês: Maximum Power Point (MPP)] do arranjo PV é realizado pelo PV-UPQC variando a tensão no barramento dc (vdc). Por outro lado, não é possível a conexão de um sistema de armazenamento de energia, como por exemplo um banco de baterias, diretamente ao barramento dc do UPQC, visto que a tensão vdc varia conforme o MPP do arranjo PV o que impossibilitaria o controle da energia armazenada.

[010] Uma forma de tornar a tensão vdc independente do MPP do arranjo PV em um sistema semelhante ao PV-UPQC é apresentado em CN202817792U. Nessa invenção, um conversor dc/dc adicional conecta o arranjo PV ao barramento dc do UPQC. Dessa forma, o rastreamento do MPP passa a ser realizado por esse conversor dc/dc e não mais pelo UPQC, o que significa que a tensão vdc não varia conforme o MPP. Nesse caso, um sistema de armazenamento poderia ser conectado diretamente ao barramento dc, entretanto em CN202817792U isso não é realizado.

[011] Considerando o sistema PV-UPQC e a invenção dada em CN202817792U, constata-se que a presente proposta de pedido de patente é inovadora por propor a integração simultânea de sistemas de armazenamento de energia e sistemas de geração distribuída ao sistema UPQC-H. Além disso, o sistema UPQC-H ainda se diferencia por envolver a conexão de microrredes elétricas com a rede elétrica da concessionária, não se restringindo apenas à conexão de cargas do tipo αc.

[012] Contribuindo com a conexão de microrredes do tipo ac com a rede elétrica por meio de um UPQC, em S. K. Khadem, M. Basu and M. F. Conlon, "Intelligent Islanding and Seamless Reconnection Technique for Microgrid With UPQC," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 3, no. 2, pp. 483-492, June 2015, doi: 10.1109/JESTPE.2014.2326983 é proposta o sistema nomeado UPQCμG. Além de desempenhar o papel de conversor de interface entre microrrede ac e rede elétrica da concessionária, tal sistema integra baterias conectadas diretamente ao barramento dc dos conversores de um UPQC tradicional. Para processamento da energia armazenada nas baterias, um conversor ac/dc adicional é utilizado. Visto que o conversor paralelo do UPQC pode assumir a função de processamento da energia armazenada nas baterias, tal conversor adicional, o qual leva a maior peso e volume para a aplicação, torna-se dispensável. Na proposta deste pedido de patente, o conversor paralelo híbrido processa a energia armazenada por meio de sua conexão ac, se diferenciando do sistema UPQCμG. Além disso, a integração de sistemas de geração distribuída não foi realizada no sistema UPQCμG, diferente da proposta deste pedido de patente.

[013] Outra proposta para conexão de microrredes do tipo ac com a rede elétrica por meio de um UPQC é apresentada em CN110474337A. Nesse caso, a bateria é acoplada ao barramento dc de um sistema UPQC tradicional por meio de um conversor dc/dc. Dessa forma o conversor dc/dc adicional passa a atuar controle da energia armazenada nas baterias. Quando as baterias são conectadas diretamente ao barramento dc, o sistema UPQC pode assumir a função de controle da energia armazenada nas baterias, de tal forma que o conversor dc- dc adicional torna-se dispensável. Na proposta deste pedido de patente, as baterias são conectadas diretamente ao barramento dc do sistema UPQC-H, se diferindo da invenção dada em CN110474337A. Além disso, a integração de sistemas de geração distribuída não foi realizada no sistema em CN110474337A, diferente da proposta deste pedido de patente.

[014] Ressalta-se que as anterioridades citadas até aqui se diferem da proposta de pedido de patente apresentada por não ter aplicação para microrredes híbridas, bem como por não ter integração simultânea de sistemas de geração distribuída e armazenamento de energia.

[015] Em P. G. Khorasani, M. Joorabian, S. G. Seifossadat, “Smart grid realization with introducing unified power quality conditioner integrated with DC microgrid”, Electric Power Systems Research, Volume 151, 2017, Pages 68-85, ISSN 0378-7796, https://doi.org/10.1016/j.epsr.2017.05.023 é apresentada a aplicação de um sistema UPQC como conversor de interface com microrredes híbridas. Entretanto, tal anterioridade também se difere da presente invenção por não considerar a integração de elementos de armazenamento de energia ao barramento dc da UPQC e ainda por não utilizar um conversor paralelo híbrido. Além disso, a transição entre os modos de operação conectado à rede e ilhado leva a uma interrupção momentânea no fornecimento de energia para o barramento PCCμGac relacionado com a necessidade de comutação da ligação elétrica do conversor série durante tal transição.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[016] Este pedido de patente tem como objetivo apresentar um condicionador unificado de qualidade de energia híbrido multifuncional para realizar a interface entre microrredes híbridas com a rede elétrica da concessionária. O sistema, denominado UPQC-H é capaz de melhorar tanto a qualidade de energia quanto o processamento da energia trocada entre microrrede híbrida e rede concessionária, além de permitir a integração de sistemas de armazenamento de energia e geração distribuída em sua estrutura principal.

DA INVENÇÃO

[017] A presente invenção refere-se a um condicionador de qualidade de energia híbrido designado para realizar a interface de microrredes híbridas com a rede concessionária. Na posição de conversor de interface, o sistema UPQC-H é capaz de atuar nas múltiplas funções listadas a seguir:

[018] possibilitar a operação de microrredes híbridas tanto conectada à rede concessionária utilizando ambos os conversores série e paralelo híbrido, quanto ilhada da rede concessionária utilizando o conversor paralelo híbrido;

[019] realizar as melhorias listadas a seguir: 1) THD (TotalHaromonic Distortion) e FP (Fator de Potência) das correntes na rede concessionária; 2) THD e FD (Fator de desequilíbrio) da tensão no barramento PCCμGac; 3) afundamento ou elevações nas tensões da rede concessionária;

[020] atuar como conversor formador de rede, ao determinar amplitude e frequência das tensões no barramento PCCμGac, bem como a amplitude da tensão no barramento PCCμGdc;

[021] atuar como conversor de suporte à rede ao realizar a compensação da potência reativa da carga, bem como a supressão de correntes harmônicas na rede concessionária;

[022] atuar como conversor supridor de rede ao processar a energia gerada pelos elementos de geração distribuída ac e/ou dc, os quais podem ser estar conectados aos barramentos da microrrede híbrida, como também integrado a sua estrutura principal;

[023] no modo conectado, permitir a troca de energia automática entre os barramentos PCCμGac e PCCμGdc. Dessa forma, uma falta de energia na sub-rede ac pode ser compensada por uma energia excedente de geração na sub-rede dc.

[024] no modo conectado à rede concessionária monitorar e controlar o nível de energia estocada nos elementos de armazenamento de energia integrados à estrutura principal.

[025] no modo conectado à rede concessionária, utilizar elementos de armazenamento de energia integrados à sua estrutura principal de modo a estocar um eventual excedente de geração, ou também compensar uma eventual falta de energia para as cargas elétricas conectadas à microrrede relacionada com uma queda abrupta na geração devido à variação nas condições climáticas. Dessa forma, a variação nas correntes da rede concessionária relacionadas à intermitência das fontes de energia renováveis acaba sendo suavizada.

[026] no modo ilhado, utilizar a energia estocada para dar continuidade à alimentação das cargas elétricas instaladas na microrrede híbrida.

[027] no modo ilhado, estocar a energia excedente da geração nos elementos de armazenamento de energia integrados.

[028] Na transição entre os modos ilhado e conectado, manter continuamente alimentados de maneira controlada ambos os barramentos PCCμGac e PCCμGdc, evitando descontinuidade ou oscilações prejudiciais na alimentação das cargas de ambos os tipos ac e dc;

VANTAGENS DA INVENÇÃO

[029] A presente invenção apresenta a principais vantagens descritas a seguir:

• ✔ melhoria da qualidade de energia em aplicações envolvendo microrrede híbrida;
• ✔ aplicação versátil para qualquer configuração de microrrede híbrida;
• ✔ troca de energia automática entre os barramentos da microrrede quando conectada à rede ou ilhada;
• ✔ transições sem interrupção entre a operação ilhado e a conectada à rede e vice-versa;
• ✔ suavização dos problemas relacionados à intermitência das fontes de energia renovável.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[030] De forma ilustrativa e não limitativa, na sequência é apresentada a descrição de cada figura para melhor explicar o pedido de patente:

• ✔ Figura 1: Diagrama em blocos da configuração geral do Conversor Unificado de Qualidade de Energia Híbrido (UPQC-H).
• ✔ Figura 2: Circuito elétrico de um exemplar de UPQC-H aplicado a um sistema elétrico trifásico a três fios.
• ✔ Figura 3: Diagrama em blocos do algoritmo de controle embarcado utilizado para controlador o UPQC-H.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[031] O CONDICIONADOR DE QUALIDADE DE ENERGIA MULTIFUNCIONAL OPERANDO COMO CONVERSOR DE INTERFACE ENTRE A REDE ELÉTRICA E MICRORREDES HÍBRIDAS, refere-se ao sistema apresentado na Fig. 1 (116), denominado UPQC-H (103), o qual é composto por dois conversores compartilhando um mesmo barramento dc (113), sendo eles o conversor série (CS - 104) conectado ao transformador de acoplamento (115), bem como o conversor paralelo híbrido (CPH - 105) . Nesta invenção o barramento dc 113 é utilizado para integração de elementos de armazenamento de energia (ESS - Energy Storage Systems - 106), bem como de geração distribuída (Distributed Generation - 107). A conexão do UPQC-H ao ponto de acoplamento comum (PCC - 101) da rede concessionária (100) é realizada por meio de uma chave estática de interconexão (SI -102), enquanto os pontos de acoplamento comum ac e dc da microrrede híbrida, sendo eles o PCCacμG (109) utilizado pela sub-rede ac (110) e o PCCdcμG (111) utilizado pela sub-rede dc (112), se conectam diretamente à UPQC-H por meio do conversor paralelo híbrido (CPH - 105). Para controle e monitoramento do sistema, dados são coletados do UPQC-H, bem como dos elementos integrados ESS e DG, e reunidos em uma unidade central (114) para processamento dos dados. Após o processamento, tal unidade central também atua no sistema de modo a desempenhar o controle em malha fechada. A seguir, é dado maiores detalhes sobre cada um dos elementos citados tomando como base o exemplar de UPQC-H mostrado nas Figuras 2 e 3, o que não limita este pedido de patente a tal tipo de sistema ou componentes envolvidos.

• Chave Estática de Interrupção SI

[032] A chave SI (102) é responsável por interromper a conexão entre a microrrede híbrida (108) e a rede concessionária (100). Na ocorrência de uma falta na rede concessionária, esta chave é atuada abrindo o circuito de conexão, o que faz o sistema operar de maneira independente da rede concessionária, ou seja, em modo de operação ilhado. Caso a rede concessionária se reestabeleça após a dada falta, a chave estática SI é acionada para reconectar novamente o sistema à rede concessionária. A atuação da chave estática SI é realizada pela unidade central (114) que monitora constantemente as condições da rede concessionária no PCC (101) para determinar se o sistema deve operar no modo conectado ou no modo ilhado. Como exemplificado no sistema UPQC-H da Fig. 2 aplicado a um sistema trifásico a três fios, a chave estática SI pode ser constituída de três triacs, sendo um para cada fase, ou por qualquer outra chave compatível.

• Conversor Série

[033] O conversor série (CS - 104) trata-se de um conversor chaveado dc/ac acoplado em série com a rede elétrica concessionária por meio de um transformador de acoplamento (115), conforme mostrado na Fig. 1. Quando aplicado a um sistema elétrico trifásico a três fios, o conversor série pode ser constituído de três braços inversores, sendo cada um deles destinado para cada uma das fases do sistema elétrico, que se conectam ao transformador por meio de filtros de alta frequência (207), conforme Fig. 2. No UPQC-H, exemplar dado na Fig. 2, são utilizados filtros do tipo indutivo e transformadores com unidades monofásicas com os enrolamentos do lado do conversor conectados em ligação triângulo (202), o que não significa que outros tipos de filtros e transformadores possam ser utilizados.

[034] A principal função deste conversor é o controle das correntes iS(a,b,c) (205), as quais são proporcionais às correntes da rede concessionária iG(a,b,c) (201) de acordo com a relação de transformação N, ou seja iG(a,b,c) = NiS(a,b,c). Controlando indiretamente as correntes iG(a,b,c) (201), por meio do conversor série, é possível, além de obter correntes senoidais e equilibradas, também controlar a tensão no barramento dc deste conversor vdc (209), assim como a corrente nas baterias iBat (218), ou ainda, é possível controlar e realizar o despacho de potência da microrrede híbrida (108).

• Conversor Paralelo Híbrido

[035] O conversor paralelo híbrido (CPH - 105) trata-se de um conversor eletrônico de três portas, sendo uma porta dc conectada ao banco de capacitores do barramento dc (208) compartilhado com o conversor série (CS - 104), outra porta dc conectada em paralelo com o barramento dc da microrrede híbrida (PCCμGdc - 111) e uma porta ac conectada em paralelo com o barramento ac da microrrede híbrida (PCCμGac - 109), como mostrado na Fig. 1. Para o exemplo de aplicação em sistemas trifásicos a três fios dado na Fig. 2, o CPH é composto por quatro braços inversores, sendo um deles destinado para conexão coma a sub-rede dc e os outros três destinadas para cada uma das fases do sistema elétrico. No UPQC-H, exemplar dado na Fig. 2, os braços inversores se conectam aos respectivos barramentos da microrrede híbrida por meio de filtros de alta frequência (210 e 222), do tipo indutivo e capacitivo, o que não significa que outros tipos possam ser aplicados.

[036] A principal função do CPH é o controle das tensões vp(a,b,c) (203) e vpdc (220) medidas nos barramentos PCCμGac e PCCμGdc, respectivamente. Dessa forma, é possível fornecer tensões ac senoidais e equilibradas, bem como tensões dc reguladas e livre de oscilações para a microrrede híbrida. Além disso, as portas ac do CPH se comportam como uma baixa impedância para os harmônicos de corrente drenados por cargas não lineares conectadas na sub-rede ac (110). Dessa forma, as correntes fluindo em tais portas ac ip(a,b,c) (206) se tornam distorcidas, levando à supressão harmônica das correntes fluindo pela rede concessionária iG(a,b,c) (201).

• Geração Distribuída

[037] Sistemas de geração distribuída (DG - 107) podem ser acoplados diretamente no barramento dc compartilhados pelos conversores série e paralelo híbrido (113), conforme Fig. 1. No exemplo de aplicação dado na Fig. 2, tal geração é realizada por meio de painéis fotovoltaicos (PV - 212) que são acoplados ao barramento dc (113) por meio de um conversor Boost (214) utilizado para rastreamento da máxima potência de geração, o que não sugere que outros tipos de geração ou conversores possam ser utilizados.

• Sistema de Armazenamento de Energia

[038] Sistemas de armazenamento de energia (Energy Storage Systems - ESS - 106) também podem ser acoplados ao barramento dc (113) do sistema UPQC-H, conforme mostrado na Fig. 1. No exemplo de aplicação dado na Fig. 2, tal sistema pode ser composto de um banco de baterias, o que não impede a aplicação de outros tipos de sistemas de armazenamento de energia.

[039] A principal função deste sistema é o fornecimento de energia durante o modo de operação ilhado, mas também pode ser utilizado para suavizar as intermitências de geração, bem como auxiliar no despacho de potência da microrrede híbrida.

• Central de Controle e Gerenciamento

[040] Sinais de diferentes partes do circuito elétrico envolvido com o sistema UPQC-H são adquiridos para uma unidade central de controle e gerenciamento (114). Tal unidade deve garantir a operação de cada elemento do sistema, conforme mencionado anteriormente.

[041] Para controle e gerenciamento do sistema UPQC-H exemplar dado na Fig. 2, é possível utilizar um sistema de controle digital embarcado (300) conforme dado na Fig. 3, o que não sugere que outro tipo de sistema de controle possa ser utilizado.

[042] Conforme Fig. 3, o controle do CS pode ser implementado em malha fechada no eixo de referencial síncrono dq (313) utilizando as correntes medidas no conversor série (205) representadas nos eixos dq (314), bem como referências de corrente i*sd (308) e i*sd (312), para gerar os pulsos PWM para os interruptores de potência do CS (317).

[043] Para cálculo da referência i*sd é preciso selecionar uma das opções de operação, conforme chave seletora Seld (306): a) Despacho de potência ativa; b) Controle da tensão vdc (209) que coincide com a tensão nas baterias vBat; c) controle da corrente das baterias iBat (218). De acordo com a opção selecionada: a) a referência é fixa de forma a obter a potência despachada (PD) diante de uma amplitude nominal de tensão de linha na rede elétrica Vsd, conforme i*Gd (305); b) a referência i*Sd é calculada por um controlador (304) que atua buscando levar a tensão vdc (209) para o valor de referência vdc (303); c) a referência i*Sd é calculada por um controlador (302) que atua buscando levar a corrente iBat (218) para o valor de referência i*Bat (301). Nota-se ainda que é preciso compensar na estratégia de controle o ganho relacionado à relação de transformação N (307).

[044] Conforme a Fig. 3, a determinação da referência i*sq (312) pode ser realizada de duas formas conforme seleção Selq (311): a) i*sq = 0, para fator de potência unitário na rede elétrica (309); b) i*sq calculado conforme despacho de potência reativa QD (310).

[045] Por sua vez, de acordo com a Fig. 3, o controle do CPH (319), quanto às tensões ac vp(a,b,c) (203), também pode ser implementado em malha fechada no referencial síncrono dq utilizando as tensões medidas vp(a,b,c) (203) representadas nos eixos dq vP(d,q) (321), bem como as referências de tensão v*P(d,q) (318). No caso da tensão dc vpdc (220), o controle em malha fechada é realizado utilizando o valor medido desta tensão junto da referência v*pdc (318). Dessa forma, as saídas do controle do CPH são utilizadas para gerar os pulsos PWM para os interruptores de potência do CPH (320). Nota-se ainda que correntes medidas na microrrede híbrida iμG(a,b,c) (204) e iμGdc (221), no CS iS(a,b,c) (205) e no filtro LC ac iLp(a,b,c) (211) podem também ser utilizadas no intuito de evitar que tais correntes perturbem a estratégia de controle do CPH. Ressalta-se que as grandezas ac medidas iμG(a,b,c) (204), is(a,b,c) (205) e iLp(a,b,c) (211) precisam ser representadas no referencial síncrono dq, obtendo iμG(d,q) (322), iS(a,b,c) (314) e iLp(a,b,c) (323) respectivamente, de modo a serem utilizadas no algoritmo de controle.

[046] No intuito de representar as grandezas medidas no referencial síncrono dq, são utilizadas coordenadas do vetor unitário (sin(θ) e cos(θ) - 316) síncronas com as tensão medidas na rede concessionária (200). Tais coordenadas podem ser geradas por um algoritmo de detecção de ângulo de fase (Phase Locked Loop (PLL) - 315).

[047] No caso ainda do controle do conversor Boost (325), o controle em malha fechada é implementado utilizando a tensão medida no capacitor CB (vCb - 215), a corrente medida no indutor LB (iLb - 216), bom como a referência de tensão v*Cb (324). Neste caso, um algoritmo de rastreamento de máxima potência (MPPT - 323) utiliza tanto tensão vCb quanto a corrente no arranjo PV (iPV - 213) para determinar a referência v*Cb necessária para operação e máxima potência. Dessa forma, a saída do controle (325) é utilizada para gerar o pulso PWW para o interruptor de potência do conversor Boost (326).

[048] Tendo em vista os aspectos mencionados, ressalta-se a multifuncionalidade da invenção, conforme segue: possibilidade de operação em aplicações envolvendo microrredes híbridas tanto conectada à rede concessionária utilizando ambos os conversores série e paralelo híbrido, quanto ilhada da rede concessionária utilizando o conversor paralelo híbrido; melhorias de indicadores de qualidade de energia tais como a THD das correntes drenadas da rede elétrica no modo conectado, aumento do fator de potência e promove o fornecimento de tensões reguladas e equilibradas nos barramentos ac e tensão regulada ao barramento dc da microrrede híbrida, tanto nos modos de operação ilhado como conectado; atua como conversor formador de rede, ao determinar amplitude e frequência das tensões no barramento ac, bem como a amplitude da tensão no barramento dc da microrrede híbrida; atuação como conversor de suporte à rede ao realizar a compensação da potência reativa da carga, bem como a supressão de correntes harmônicas drenadas da rede concessionária; atua como conversor supridor de rede ao processar a energia gerada pelos elementos de geração distribuída ac e/ou dc, os quais podem ser estar conectados aos barramentos da microrrede híbrida, como também integrados à sua estrutura principal; no modo conectado de operação, monitoramento e controle do nível de energia estocada nos elementos de armazenamento de energia integrados à estrutura principal do sistema, de forma a permitir a estocagem de um eventual excedente de geração que possa compensar uma eventual falta de energia a ser disponibilizada às cargas elétricas conectadas à microrrede híbrida ocasionada, por exemplo, por uma queda abrupta na geração de energia devido à variações das condições climáticas, suavizando, assim, problemas relacionados à intermitência das fontes de energia renováveis conectadas ao sistema; no modo ilhado de operação, utilização da energia estocada nos elementos de armazenamento de energia integrados à estrutura principal do sistema para dar continuidade à alimentação das cargas elétricas instaladas na microrrede híbrida, bem como possibilita a estocagem da energia excedente da geração das fontes de energia renováveis conectadas ao sistema.

[049] A partir do exposto, é observado que o CONDICIONADOR DE QUALIDADE DE ENERGIA MULTIFUNCIONAL OPERANDO COMO CONVERSOR DE INTERFACE ENTRE A REDE ELÉTRICA E MICRORREDES HÍBRIDAS é merecedor do privilégio de patente de invenção.

Claims (5)

1. CONDICIONADOR DE QUALIDADE DE ENERGIA MULTIFUNCIONAL OPERANDO COMO CONVERSOR DE INTERFACE ENTRE A REDE ELÉTRICA E MICRORREDES HÍBRIDAS caracterizado por ser um sistema completo (116) que trata de um condicionador unificado de qualidade de energia híbrido denominado UPQC-H (103) conectado à rede elétrica da concessionária (108) por chaves estáticas (102) destinado a operar como um conversor de interface com uma microrrede híbrida (100) e integrar um sistema de geração distribuída (107) e sistema de armazenamento de energia (106).
2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um conversor de potência série (104) conectado a um transformador de acoplamento (115) e um conversor de potência paralelo híbrido (105) que compartilham um barramento dc (113) e são controlados por uma central de controle e gerenciamento (114).
3. SISTEMA, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por ser aplicado a sistemas trifásicos a três fios.
4. SISTEMA, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por ser aplicado a sistema elétrico monofásico, bifásico ou trifásico a quatro-fios.
5. SISTEMA, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por realizar a melhoria da qualidade de energia, pois permite a troca de energia automática entre os barramentos dc (111) e ac (109) da microrrede híbrida (100) e a rede elétrica da concessionária (108), não havendo transições que provoquem interrupções e transitórios/oscilações nas cargas ac (110) e dc (112) conectadas ao sistema UPQC-H tanto nas operações nos modos conectado e ilhado à rede concessionária e possibilita a suavização de problemas relacionados à intermitência das fontes de energia renováveis conectados à microrrede híbrida (100) ou ao sistema de geração distribuída (107).

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