Desenvolvimento de soluções para compensação de problemas de qualidade de energia elétrica com base em conversores fonte de corrente

Abstract

A qualidade da energia elétrica é um fator extremamente importante para a competitividade das indústrias e para a redução de custos relacionados com as falhas que ocorrem nas instalações e nos equipamentos elétricos. Além disso, a qualidade da energia também é um fator decisivo para a melhoria da eficiência dos equipamentos e do sistema elétrico e para a redução da fatura energética. Os fenómenos mais comuns que afetam o sistema elétrico são: harmónicas de tensão e de corrente, sobretensões, subtensões, interrupções de alimentação, flutuações de tensão, micro-cortes, transitórios e ruído nas tensões, bem como desequilíbrios das tensões e das correntes.Com o intuito de responder aos problemas de qualidade da energia, têm sido investigados e desenvolvidos diversos tipos de condicionadores ativos de potência. Estes condicionadores ativos de potência podem ser do tipo paralelo, efetuando o condicionamento das correntes elétricas e a compensação de problemas de qualidade de energia elétrica relacionados com as correntes. Além disso existem outros do tipo série, que são colocados em série com a rede elétrica, corrigindo as tensões da rede elétrica. Finalmente existe uma forma integrada do tipo paralelo-série, que permite integrar as funcionalidades dos outros dois condicionadores já referidos. Os condicionadores ativos do tipo paralelo-série têm como uma de suas vantagens o facto de o condicionador ativo paralelo poder trocar energia com o condicionador ativo série, conferindo-lhes capacidade de compensação de alguns problemas de qualidade de energia em regime permanente, sem necessidade de uma fonte de energia externa. O condicionador unificado de qualidade de energia (Unified Power Quality Conditioner - UPQC) é um tipo de condicionador ativo que pode fazer a compensação das harmónicas das tensões da rede elétrica, desequilíbrios das tensões, sobretensões e subtensões, e compensação das harmónicas e desequilíbrios das correntes da carga ao mesmo tempo e de forma integrada. O UPQC permite ainda fazer a correção do fator de potência. Esta tese trata do estudo e desenvolvimento de um condicionador ativo de potência inovador, que integra conversores do tipo fonte de corrente e fonte de tensão para a compensação de problemas da qualidade da energia nos sistemas elétricos. No decurso deste trabalho foi desenvolvido um condicionador ativo paralelo baseado numa topologia de conversor fonte de corrente. Além disso foi desenvolvido um condicionador ativo série baseado numa topologia fonte de tensão, e finalmente um conversor CC-CC isolado de alta frequência inovador que faz a interface entre os dois condicionadores ativos. Os condicionadores e o conversor CC-CC isolado foram integrados de forma a se construir o condicionador unificado de qualidade de energia proposto, com recurso a tecnologia própria da Universidade do Minho. As principais inovações do equipamento desenvolvido são a integração de conversores, um do tipo fonte de tensão e outro do tipo fonte de corrente, no mesmo UPQC, beneficiando das vantagens de cada tipo de conversor. Além disso, a interface entre os dois condicionadores ativos de potência é efetuada por meio de um conversor CC-CC isolado de alta frequência inovador, eliminando a necessidade da utilização de transformadores de baixa frequência na ligação da rede elétrica com o condicionador ativo série. Este conversor permite ainda a transferência bidirecional de energia entre os condicionadores ativos. Desta forma podem ser reduzidos os custos dos UPQCs, ao mesmo tempo que é maximizado o seu desempenho. Uma outra contribuição inovadora consiste numa técnica de comutação aplicada ao conversor CC-CC isolado. Foi ainda estudado e desenvolvido um sistema de supervisão de atividade que permite efetuar a monitorização de diversos parâmetros associados ao UPQC. Este sistema permite ainda controlar de forma sequencial o arranque e a paragem dos diversos conversores que integram o UPQC. Se ocorrer alguma situação anómala, o UPQC é desligado de forma segura e o utilizador é alertado dos erros que despoletaram as rotinas que desligam o UPQC. No decurso deste trabalho foram ainda realizados diversos ensaios de forma a validar a nova topologia de UPQC proposta, bem como os algoritmos de controlo e as técnicas de comutação desenvolvidas. Estes ensaios incluíram ainda a avaliação do desempenho dos conversores.

Electrical power quality is a key factor to the competitiveness of industry and to the reduction of costs related with the failures that occur in the installations and in the electrical equipment. Besides this, electrical power quality is also a decisive factor to the improvement the power grid and electrical equipment efficiency, and reduction of energy costs. The most common phenomena that affect the electrical systems are voltage and current harmonics, overvoltages, undervoltages, power outages, voltage oscillations, voltage notches, voltage transients and noise, and voltage and currents unbalances. In order to tackle with power quality problems have been researched several active power conditioners. Those active power conditioners can be of shunt type, performing the currents conditioning and the compensation of problems related with the currents. Besides this, exist other series conditioners that compensate the problems associated with the grid voltages. Finally is also available an integrated form, the shunt-series conditioners, that allow to compensate to integrate the functionalities of the other conditioners. The shunt-series conditioners have the advantage of being possible to exchange energy between the shunt and the series conditioner. This allow the compensation of several power quality problems in steady state with the need of an external power supply. The Unified Power Quality Conditioner (UPQC) is a type of power conditioner that can perform the compensation of voltage and current harmonics, overvoltages, undervoltages, voltage oscillations, and voltage and currents unbalances. The UPQC is also able to compensate low power factor. This thesis is about the study and development of an innovative UPQC that integrates current-source and voltage-source converters to the compensation of power quality problems in the electrical systems. With this work was developed a shunt active conditioner, based in a current-source converter. Besides this was developed a series active conditioner base in voltage-source converters and finally a DC-DC high-frequency isolated converter that performs the interface between the two conditioners. The two active conditioners and the DC-DC converter were integrated to build a new UPQC using technology developed in the University of Minho. The main innovations of this equipment were the integration of current-source and voltage-source converter in the same UPQC, benefiting of the advantages each converter. Also the interface of the two active conditioner is performed through an innovative DC-DC high-frequency isolated converter which eliminates the necessity of use low frequency transformers in the grid connection of the series active conditioner. This converter also allows the bidirectional energy flow between the active conditioners. This way can be reduced the costs of the UPQCs and at the same time improve the performance. Besides this, was studied and developed an activity supervisor that enables monitorings several parameters associated with the UPQC. This system allows also control the sequential start and stop of the converters that integrate the UPQC. If an abnormal situation occurs, the UPQC is safely stopped and disconnected from the grid and the user is alerted for the errors that triggered the routines that disconnected the UPQC. During this work were also performed several experimental tests to validate the new proposed UPQC topology, as well as the new developed control algorithms and switching techniques. Those tests included also the evaluation of the performance of the converters.