Nova topologia de UPQC sem transformador para compensação de problemas de qualidade de energia elétrica

Abstract

Estudos realizados por organizações internacionais comprovam que a qualidade da energia elétrica é um fator fundamental para a produtividade das empresas e que os prejuízos económicos provocados por problemas de qualidade de energia elétrica são hoje em dia muito elevados. A nível nacional existe o reconhecimento de que a promoção de níveis elevados de qualidade de energia elétrica é uma condição essencial ao desenvolvimento da atividade económica, e por isso procura-se proporcionar condições de operação similares às existentes em países com elevado nível de desenvolvimento, evitando assim, que a produtividade e a competitividade das empresas sejam negativamente afetadas por uma qualidade inferior do serviço elétrico. Esta tese descreve o desenvolvimento de uma nova topologia de Condicionador Unificado de Qualidade de Energia (Unified Power Quality Conditioner-UPQC) ligado à rede elétrica sem qualquer tipo de transformador de acoplamento. Trata-se de um equipamento de eletrónica de potência que permite mitigar muitos dos problemas de qualidade de energia presentes nos sistemas elétricos, nomeadamente: - Compensar as harmónicas da tensão de alimentação; - Compensar os desequilíbrios da tensão de alimentação; - Compensar cavas da tensão de alimentação; - Compensar sobretensões à frequência industrial da tensão de alimentação; - Compensar as harmónicas de corrente; - Compensar os desequilíbrios de corrente; - Eliminar a corrente de neutro; - Corrigir o fator de potência. Um UPQC é constituído por dois condicionadores ativos de potência, um ligado em série e o outro ligado em paralelo com a rede elétrica, operando de forma combinada. Estes equipamentos funcionam de forma automática, ajustando-se dinamicamente às variações na carga e no sistema elétrico, mantendo padrões elevados de qualidade nas tensões entregues à carga, e consumindo da rede elétrica apenas a potência ativa necessária à operação das cargas, de forma equilibrada pelas 3 fases, e com correntes sinusoidais. As topologias convencionais de UPQC usam transformadores de acoplamento com a rede elétrica no condicionador ativo série para obter o isolamento galvânico necessário à operação do equipamento. Nestas topologias, os transformadores utilizados na ligação do condicionador ativo série ao sistema elétrico têm que operar com elevados conteúdos harmónicos, o que resulta em perdas elevadas, sobreaquecimento, e consequente redução da vida útil destes transformadores. Estes transformadores são ainda frequentemente sujeitos a problemas de saturação e ressonância, e além disso, apresentam custos elevados. Assim, recentemente surgiram algumas topologias que em alternativa ao uso de transformadores no condicionador ativo série, utilizam transformadores no condicionador ativo paralelo. Contudo, estas topologias alternativas continuam a empregar transformadores de acoplamento com a rede elétrica, pelo que alguns dos problemas referidos acima se mantêm. Na topologia proposta nesta tese, em vez dos transformadores de acoplamento com a rede elétrica, são utilizados conversores CC-CC bidirecionais isolados na interligação dos barramentos CC do condicionador ativo paralelo e do condicionador ativo série. Desta forma, os volumosos, pesados e dispendiosos transformadores que operam à frequência da rede, são substituídos por pequenos transformadores de alta-frequência, resultando numa grande vantagem da topologia apresentada. Contudo, o número de semicondutores de potência controlados do sistema aumenta, exigindo sistemas e algoritmos de controlo mais complexos. No decurso deste trabalho foi possível fazer a validação da nova topologia de UPQC proposta e dos algoritmos de controlo aplicados, numa fase inicial a partir dos resultados obtidos com modelos de simulação computacional, e numa fase posterior através de resultados experimentais obtidos com um protótipo laboratorial desenvolvido para esse propósito.