Validação de um filtro ativo paralelo monofásico com interface de energias renováveis e sistemas de armazenamento de energia

Abstract

Atualmente, a utilização de cargas não lineares na indústria e nos consumidores gerais é cada vez mais frequente. Este tipo de cargas contribui para acentuar problemas de qualidade de energia elétrica (QEE), resultando em várias consequências, como falhas em equipamentos eletrónicos e subsequente perda de eficiência e envelhecimento prematuro desses dispositivos, podendo causar perdas e prejuízos elevados. Dos problemas de QEE, destacam-se: distorção harmónica nas tensões e/ou correntes, ruído eletromagnético, inter-harmónicos, interrupções de energia elétrica, subtensão (sag), sobretensão (swell), flutuação da tensão (flicker), transitórios e corrente elevada no neutro. Devido aos problemas que advêm da QEE, torna-se necessário desenvolver mecanismos com vista a evitar ou minimizar tais problemas. Uma das soluções para lidar com alguns destes problemas é a utilização de filtros ativos paralelos (FAPs), dado que permitem compensar dinamicamente a distorção harmónica da corrente da instalação elétrica, o fator de potência e desequilíbrios de corrente (no caso de sistemas e FAPs trifásicos). Para além disto, os FAPs também podem ser utilizados simultaneamente para interface com energias renováveis (ERs) e com sistemas de armazenamento de energia (SAEs), funcionando como inversor, tendo assim a possibilidade de injetar energia na rede elétrica com corrente sinusoidal (baixo conteúdo harmónico) e em oposição de fase com a tensão da rede elétrica. É importante ressalvar que mesmo que não haja energia produzida pela fonte de ER, o FAP continua a compensar os problemas de QEE descritos acima. Neste sentido, o cerne desta dissertação de mestrado é implementar um conversor unificado que permita efetuar a ligação de painéis solares fotovoltaicos (PSFs) e de baterias com a rede elétrica e dotar o equipamento com características de operação como FAP. Este processo, vai implicar também o estudo de quais são os algoritmos de controlo mais adequados para extrair a máxima potência dos PSFs, para a operação como FAP e para a operação de carregamento e descarregamento das baterias. Esta série de implementações será previamente validada, através da realização de simulações na ferramenta PSIM e posteriormente através de uma validação experimental.

Currently, the use of non-linear loads in industry and in general consumers is becoming more frequent. This type of loads contributes to accentuate the electric power quality (EPQ) problems, resulting in several consequences, such as faults in electronic equipment (and subsequent loss of efficiency and premature aging of these devices), causing losses and a high damage. Among the EPQ problems, the following stand out: harmonic distortion in the voltages and/or currents, electromagnetic noise, inter-harmonics, electric power outages, undervoltage (sag), overvoltage (swell), voltage fluctuations (flicker), transients and high current in neutral. Due to the problems arising from EPQ, it is necessary to develop mechanisms to prevent or minimize such problems. One of the solutions to deal with some of these problems is the use of parallel active filters (PAFs), as they allow to dynamically compensate the current harmonic distortion of the electrical system, the power factor and current unbalances (in the case of three-phase systems and three-phase PAFs). In addition, the PAFs can also be used simultaneously to do the interface with renewable energies (REs) and with energy storage systems (ESSs), working as an inverter, thus allowing the possibility to inject energy into the grid with sinusoidal current (low harmonic content) and in phase with the electric grid voltage. It is important to note that even if there is no electricity generated by the RE source, the PAF continues to compensate the EPQ problems described above. In this sense, the core of this master’s dissertation is to implement a unified converter that allows the connection of photovoltaic solar panels and batteries with the power grid and provide the equipment with operation characteristics as a PAF. This process will also involve the study of which are the most appropriate control algorithms to extract the maximum power from photovoltaic solar panels, for the operation as a PAF and for the operation of charging and discharging of batteries. This series of implementations will be previously validated through simulations in PSIM tool and subsequently through an experimental validation.