Desenvolvimento de um filtro ativo de potência série monofásico sem fontes externas

Abstract

A Qualidade de Energia Elétrica (QEE) tem vindo a receber cada vez mais atenção por parte dos consumidores, operadores de sistemas de distribuição, operadores de sistemas de transmissão e outras entidades competentes relacionadas com o sistema elétrico. Uma vez que os problemas de QEE têm implicações diretas na produtividade empresarial, causando grandes perdas económicas, é mandatório desenvolver soluções que atenuem esses problemas. Os Filtros Ativos de Potência são equipamentos baseados em eletrónica de potência que permitem compensar problemas de QEE e têm a capacidade de ajustar os seus modos de operação, dinamicamente, em resposta às mudanças da carga ou do sistema elétrico. De entre as várias soluções, salienta-se um equipamento especialmente concebido para lidar com problemas relacionados com a forma de onda da tensão do sistema elétrico, o Filtro Ativo Série (FAS). Apesar da sua capacidade para compensar subtensões momentâneas, sobretensões momentâneas, harmónicos de tensão e desequilíbrios de tensão em sistemas trifásicos, o FAS não tem tido muito sucesso e nem tem sido amplamente adotado. A falta de interesse por este equipamento pode ser amplamente justificada pelo alto custo e por algumas limitações da topologia convencional do FAS. Na sua topologia original, o FAS é composto por um conversor CA-CC que se conecta em série com o sistema de potência por meio de transformadores de acoplamento a operar à frequência de rede. O barramento CC do FAS é conectado a uma fonte de alimentação CC que fornece energia para a compensação dos problemas de QEE relacionados com as tensões do sistema elétrico. Nesta dissertação é apresentada uma nova topologia, bem como os algoritmos de controlo de um FAS monofásico sem fontes de energia externas que é ligado diretamente à rede elétrica sem transformador de acoplamento nem fontes externas de energia. A topologia e os algoritmos de controlo descritos nesta dissertação foram primeiramente avaliados por meio dos resultados de simulação obtidos com o software PSIM. Além disso, foi desenvolvido um protótipo laboratorial do qual são apresentados os resultados experimentais para confirmar a viabilidade do FAS. Com esta dissertação, pretende-se contribuir para o desenvolvimento de tecnologia relacionada com os FASs com o intuito de torná-los numa solução eficaz e competitiva num futuro próximo.

The Power Quality (PQ) is receiving more and more attention from the part of consumers, distribution system operators, transmission system operators and other competent entities related to the electrical system. Once the electrical PQ problems have direct implications for business productivity, causing high economic losses, it is mandatory to develop solutions that mitigate these problems. Active Power Filters are power electronics-based equipment that can compensate PQ problems and have the ability to adjusting their operation modes dynamically in response to load or power system changes. Among these solutions, exists an equipment specially conceived to deal with problems related to the power system voltage waveform, the Series Active Power Filter (SeAPF). Despite the ability to compensate voltage sags, voltage swells, voltage harmonics, and voltage imbalances in three-phase systems, the SeAPF has not had much success and has not been widely adopted. The lack of interest in this equipment can be largely justified by the high cost and some limitations of the SeAPF traditional topology. In its conventional topology, the SeAPF is composed of an AC-DC power electronic converter that connects in series with the power system by means of grid frequency transformers. The DC-link of the SeAPF is connected to a DC power supply that provides the energy for the compensations of the PQ problems related with the system voltages. In this master thesis is presented a novel topology, as well as the control algorithms, of a single-phase SeAPF that is connected directly to the power grid without coupling transformers and does not require the use of external power sources The topology and the control algorithms of the SeAPF described in this master thesis were firstly evaluated by means of simulations results obtained with PSIM software. A laboratory prototype was developed and some experimental results are presented to confirm the feasibility of the SeAPF. With this master thesis, it is intended to contribute to the development of SeAPFs technology in order to make them an effective solution in the near future.