T Testi Sonuçları

Este cap´ıtulo discutiu que, como qualquer instala¸c˜ao el´etrica destinada ao uso hu- mano, a nanorrede c.c. deve prever m´etodos de prote¸c˜ao contra choques el´etricos, faltas, sobrecargas e surtos de tens˜ao. Analisou-se o comportamento te´orico das correntes de falta e corpo em uma instala¸c˜ao c.c. unipolar, com barramento de 311 V, com e sem a presen¸ca de um transformador isolador no ponto de conex˜ao comum com a rede el´etrica da concession´aria de energia.

Observou-se que, no caso de um sistema isolado, o emprego de esquemas de aterra- mento s´olido podem expor os usu´arios da instala¸c˜ao a choques el´etricos da ordem de 278

Tabela 2.1: Composi¸c˜ao dos dispositivos de prote¸c˜ao da nanorrede.

Dispositivo Prot. Falta Prot. Choque Fluxo

DP.1(2) _{Disjuntor Tipo C DR tipo B Bidirecional}

DP.2 Disjuntor c.c.(1) _{DR c.c. Bidirecional}

DP.3 Disjuntor c.c. DR c.c. Bidirecional

DP.4 Disjuntor c.c.(1) _{DR c.c. Bidirecional}

DP.5 — DR c.c. Unidirecional

DP.6 Disjuntor c.c.(1) _{DR c.c. Unidirecional}

DP.7-x Disjuntor estado s´olido DR c.c. Unidirecional

(1) O uso desses disjuntores ser´a opcional, caso os conversores est´aticos a eles associados sejam capazes de limitar sua corrente de curto.

(2) Para atender a norma NBR5410, neste ponto ´e obrigat´orio o emprego de um dispositivo de prote¸c˜ao contra surtos (DPS).

mA, intensidade esta capaz de induzir efeitos fisiol´ogicos perigosos, como dor, interferˆencia cardio-respirat´oria, podendo evoluir, dependendo das condi¸c˜oes f´ısicas do indiv´ıduo, para um quadro de fibrila¸c˜ao ventricular. No caso de faltas, contudo, os pr´oprios conversores poderiam limitar a magnitude da corrente de falta, o que reduz riscos de sobreaqueci- mento de condutores e incˆendio. Sistemas de aterramento por alta resistˆencia, por outro lado, proporcionam uma situa¸c˜ao onde tanto a corrente de falta, quanto a corrente de corpo podem ser controladas pela resistˆencia de aterramento, de forma que estes eventos n˜ao provocariam situa¸c˜oes perigosas aos usu´arios e `a instala¸c˜ao, al´em de possibilitar a manuten¸c˜ao da opera¸c˜ao da nanorrede durante tais eventos. Contudo, sistema isolados se tornam altamente vulner´aveis `a ocorrˆencia de uma segunda falta no barramento c.c., o que implica na obrigatoriedade de se empregar dispositivos de prote¸c˜ao contra sobrecorrentes e correntes diferenciais.

Sistemas n˜ao-isolados, ou seja, que n˜ao utilizam um transformador isolador na sua co- nex˜ao com a rede el´etrica, s˜ao permitidos em centrais de gera¸c˜ao distribu´ıda em instala¸c˜oes inferiores a 100 kW de potˆencia instalada. A elimina¸c˜ao do transformador possibilita uma

maior redu¸c˜ao dos custos do sistema, no entanto, do ponto de vista de prote¸c˜ao, a falta de isolamento pode produzir caminhos de modo comum entre a instala¸c˜ao c.c. e a rede c.a., por onde as correntes de corpo e falta circular˜ao. Assim, o emprego de aterramento s´olido no lado c.c. da instala¸c˜ao ´e proibitivo, de forma que apenas esquemas de aterramento por impedˆancia se tornam vi´aveis. Mostrou-se que a magnitude da corrente de corpo nestas instala¸c˜oes ´e menor do que no caso isolado com aterramento s´olido, de modo que um eventual choque el´etrico ´e menos propenso a produzir efeitos fatais. Contudo, nem a magnitude da corrente de corpo, nem da corrente de falta s˜ao controlados pelo ater- ramento, ou seja, o emprego de dispositivos de prote¸c˜ao ´e mandat´orio. Discutiu-se que a utiliza¸c˜ao de disjuntores termomagn´eticos, tanto no lado c.c., quanto no lado c.a. da instala¸c˜ao podem promover a prote¸c˜ao contra sobrecargas, ou em eventuais falhas de ope- ra¸c˜ao dos conversores est´aticos. Contudo, quando da ocorrˆencia de uma falta fase-terra, estes n˜ao s˜ao capazes de atuar antes dos dispositivos de prote¸c˜ao embutidos nos pr´oprios conversores, de modo que durante uma falta, o sistema tende a se desconectar da rede el´etrica, ilhando a nanorrede. O aperfei¸coamento da coordena¸c˜ao de prote¸c˜ao apenas ´e poss´ıvel com o uso de disjuntores c.c. de estado s´olido, os quais apresentam exemplares na literatura t´ecnico-cient´ıfica, mas n˜ao est˜ao dispon´ıveis comercialmente. Da mesma forma, no que tange a prote¸c˜ao contra choques, dispositivos de prote¸c˜ao diferenciais e residuais (DR) apenas poderiam ser empregados no lado c.a., promovendo o ilhamento da nanor- rede caso se detecte alguma fuga de corrente. N˜ao se encontrou na literatura estudos relativos ao desenvolvimento de DRs para corrente cont´ınua, o que indica que existe uma necessidade de se investir neste ramo para poder oferecer meios adequados de prote¸c˜ao dos usu´arios de uma nanorrede c.c.. Comentou-se tamb´em que caso estes DRs c.c. fossem ajustados com um limite de trip em torno de 30 mA, al´em de promover a prote¸c˜ao contra choques, eles tamb´em permitiriam seccionar ramos faltosos em sistemas isolados.

As discuss˜oes apresentadas neste cap´ıtulo foram publicadas no trabalho:

de OLIVEIRA, T. R. ; BOLZON, A. S. ; DONOSO-GARCIA, P. F. Grounding and safety considerations for residential DC microgrids. In: 40th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), 2014, Dallas/USA. pp. 5526-5532.

Estrutura da nanorrede c.c.:

Gerenciamento de energia

Neste cap´ıtulo se discutir´a o sistema de gerenciamento de energia e paralelismo de conversores empregados na nanorrede c.c. proposta. A valida¸c˜ao das concep¸c˜oes te´oricas ser´a feita por meio de simula¸c˜oes computacionais no software PSIM e resultados expe- rimentais coletados em oscilosc´opio no setup experimental da nanorrede. O sistema de controle e gerenciamento de energia de uma nanorrede deve garantir basicamente dois objetivos gerais, sendo o primeiro a estabilidade de tens˜ao do barramento principal frente a diferentes situa¸c˜oes de trabalho e, em segundo lugar, o melhor gerenciamento dos recur- sos de gera¸c˜ao e armazenamento poss´ıvel, elevando assim a disponibilidade de energia e estabelecendo uma opera¸c˜ao economicamente vantajosa. Al´em disso, ´e desej´avel que o sis- tema tamb´em permita a evolu¸c˜ao da capacidade da nanorrede, tanto em gera¸c˜ao, quanto em armazenamento, ao longo do tempo, de modo a acomodar incrementos de demanda.

A associa¸c˜ao de m´ultiplos conversores em um mesmo barramento de alimenta¸c˜ao de-

manda o emprego de t´ecnicas de paralelismo para garantir um partilhamento da carga e o controle da tens˜ao do barramento. Pode-se dividir as estrat´egias abordadas na literatura em basicamente duas categorias: paralelismo com comunica¸c˜ao entre os conversores e paralelismo sem comunica¸c˜ao. O paralelismo com comunica¸c˜ao consiste em se ter um ele-

mento centralizado respons´avel pela regula¸c˜ao de tens˜ao do barramento c.c. e por definir as referˆencias de corrente dos diversos conversores. Este elemento centralizado pode ser um controlador espec´ıfico ou um dos conversores, o qual atuaria como mestre e os demais como escravos [64, 65]. Os m´etodos com comunica¸c˜ao permitem uma maior flexibilidade da opera¸c˜ao dos conversores, sendo que diferentes condi¸c˜oes de opera¸c˜ao podem ser esta- belecidas de acordo com rotinas ou crit´erios adotados pelo elemento centralizado, contudo, a dependˆencia de um elo de comunica¸c˜ao pode trazer problemas de confiabilidade.

O paralelismo sem comunica¸c˜ao, por outro lado, procura partilhar a carga do sistema por meio do processamento de informa¸c˜oes localmente dispon´ıveis aos conversores, o que garante maior confiabilidade ao sistema e flexibilidade na sua expans˜ao. Uma possibilidade ´e a inser¸c˜ao, via controle, de impedˆancias virtuais na sa´ıda dos conversores, o que garante uma divis˜ao da potˆencia de carga e defini¸c˜ao natural do ponto de opera¸c˜ao, contudo, a tens˜ao do barramento c.c. tende a se tornar dependente da carga. Um exemplo muito estudado desse m´etodo ´e o controle por droop de tens˜ao, ou estatismo [66, 67, 68, 69]. A impedˆancia virtual ´e inserida na malha de controle de tens˜ao dos conversores, por meio da realimenta¸c˜ao da sua corrente de sa´ıda, de modo que

vref = Vnom− RD· iO, (3.1)

onde Vnom´e a tens˜ao a vazio do conversor, RD´e resistˆencia virtual de droop e iO´e a corrente

de sa´ıda do conversor. A defini¸c˜ao do droop por meio da potˆencia de sa´ıda, ao inv´es da corrente, tamb´em ´e encontrada na literatura [70], no entanto tal defini¸c˜ao introduz um termo n˜ao-linear na malha de tens˜ao, o qual pode afetar a estabilidade da nanorrede. Um

valor de RD elevado tende a proporcionar um melhor compartilhamento de carga entre

conversores de parˆametros de controle semelhantes, no entanto, a varia¸c˜ao da tens˜ao do barramento se torna maior. Por outro lado, ao se reduzir RD para limitar a varia¸c˜ao de

tens˜ao, prejudica-se o partilhamento da corrente, de forma, que existe um compromisso entre os dois parˆametros que deve ser estipulado no projeto do sistema. Em caso do uso do m´etodo de droop em fontes com potˆencia vari´avel, como geradores intermitentes e bancos de baterias, pode-se alterar o valor de RD em fun¸c˜ao da m´axima potˆencia dispon´ıvel ou do

estado de carga, em um processo conhecido como gain scheduling [66], contudo, a sintonia desse processo em um sistema com m´ultiplos elementos e sem comunica¸c˜ao pode se tornar muito complexa e afetar a estabilidade do sistema.

Al´em dos m´etodos de paralelismo discutidos acima, se encontra na literatura uma vasta gama de propostas dedicadas ao controle de micro e nanorredes c.c.. Em [40] um sistema supervis´orio centralizado monitora a demanda de potˆencia de um complexo residencial e despacha um conjunto de microturbinas a g´as para suprir essa demanda. O controle da tens˜ao ´e feita por um retificador trif´asico conectado `a rede e um sistema de armazena- mento, baseado em supercapacitores, o qual grampeia a tens˜ao do barramento, e absorve eventuais excedentes de energia. O autor no entanto n˜ao aborda a opera¸c˜ao com m´ultiplas fontes de gera¸c˜ao e o gerenciamento da exporta¸c˜ao de energia `a rede el´etrica. Em [71], um sistema centralizado executa uma rotina de otimiza¸c˜ao de custos em uma microrrede e determina as referˆencias de potˆencia dos conversores do sistema. Essa estrat´egia, no en- tanto, do ponto de vista operacional, pode apresentar problemas de confiabilidade devido `a dependˆencia do elo de comunica¸c˜ao.

O controle distribu´ıdo de microrredes, sem comunica¸c˜ao, ´e abordado em [72, 73, 74, 15, 75]. Em [72], fun¸c˜oes de custo de energia s˜ao definidas para alterar a resistˆencia de droop de conversores associados a diferentes fontes de gera¸c˜ao/armazenamento, de forma que se desequilibra a partilha da corrente para se garantir uma opera¸c˜ao com melhor custo. As fun¸c˜oes s˜ao sintonizadas individualmente para cada conversor, o que pode complicar a otimiza¸c˜ao do sistema e dificultar a inser¸c˜ao de novos elementos. Em [73, 74], uma m´aquina de estados ´e definida tendo como parˆametro para mudan¸ca de estado a varia¸c˜ao da tens˜ao do barramento c.c.. Cada estado corresponde `a defini¸c˜ao do modo de opera¸c˜ao de cada conversor, contudo, como n˜ao h´a comunica¸c˜ao, diferen¸cas na medi¸c˜ao de tens˜ao local de cada conversor pode levar o sistema a operar em situa¸c˜oes n˜ao previstas.

A ideia de utilizar a varia¸c˜ao da tens˜ao do barramento como meio de se determinar o ponto de opera¸c˜ao do sistema tamb´em foi explorada em [15, 75], sendo que o barramento c.c. passa a ser enxergado como um elo de comunica¸c˜ao entre os conversores, em uma t´ecnica conhecida como sinaliza¸c˜ao de barramento, ou DC bus signaling (DBS). Neste

caso, ´e permitido `a tens˜ao do barramento variar dentro de uma janela, a qual ´e dividida em setores, cada um representando uma condi¸c˜ao de opera¸c˜ao para o sistema. O m´etodo DBS foi empregado em outros trabalhos, como [14, 76, 77], sendo utilizado como um n´ıvel est´atico de gerenciamento de energia. Neste m´etodo, normalmente, cada conversor possui ao menos dois modos de opera¸c˜ao, sendo um modo tens˜ao com droop, para a regula¸c˜ao do barramento c.c. e outro modo corrente/potˆencia constante que se relaciona aos limites de opera¸c˜ao do conversor. A mudan¸ca de um modo de opera¸c˜ao para outro se d´a pela varia¸c˜ao da tens˜ao do barramento c.c.. Esta t´ecnica de gerenciamento ´e a base da proposta de normatiza¸c˜ao apresentada pela REbus Alliance [37].

Em [68] prop˜oe-se um m´etodo de controle denominado Controle Hier´arquico, o qual distribui as tarefas a serem executadas pelo sistema de controle de uma microrrede a diferentes n´ıveis de controle. O n´ıvel prim´ario ´e definido como sendo respons´avel pelo controle individual dos conversores e pelo seu paralelismo. O n´ıvel secund´ario se respon- sabiliza por corrigir desvios de tens˜ao e equalizar diferen¸cas de carga entre conversores de mesma fun¸c˜ao. O n´ıvel terci´ario se destina ao gerenciamento da energia da microrrede e o controle do fluxo de potˆencia entre a microrrede e a rede externa. Essa estrutura se baseia no conceito de camadas utilizado em sistemas de comunica¸c˜ao de dados, de modo que se permite a utiliza¸c˜ao de diferentes t´ecnicas e algoritmos na implementa¸c˜ao de cada n´ıvel. Um ponto interessante ´e que a dependˆencia do elo de comunica¸c˜ao pode ser minimizada ao se distribuir as a¸c˜oes de controle, isto ´e, ao inv´es do controle secund´ario/terci´ario es- tabelecer diretamente as referˆencias de tens˜ao, corrente e/ou potˆencia dos conversores da nanorrede, pode-se repassar aos conversores a informa¸c˜ao necess´aria para que cada um execute as a¸c˜oes de controle individualmente. Assim, em caso de falha de comunica¸c˜ao, o n´ıvel prim´ario manteria o sistema funcionando sem interrup¸c˜ao.

3.1

Diagrama geral de controle da nanorrede

Uma vez avaliados os m´etodos e t´ecnicas de controle e gerenciamento de energia dispo- n´ıveis na literatura, decidiu-se que a arquitetura da nanorrede neste trabalho empregar´a

um sistema baseado em controle hier´arquico, cujo diagrama ´e ilustrado na Figura 3.1. O n´ıvel prim´ario de controle ser´a realizado utilizando sinaliza¸c˜ao de barramento (DBS), uma vez que esta t´ecnica estabelece um n´ıvel b´asico de gerenciamento de energia e sim- plifica a inser¸c˜ao de novos componentes, al´em de garantir o funcionamento da nanorrede em caso de falha de comunica¸c˜ao. Os n´ıveis superiores de controle ser˜ao concentrados no Gerenciador de Energia, ou PMC (Power Management Controller ), j´a apresentado na Figura 1.6 no Cap´ıtulo 1. A seguir ser˜ao descritas as estruturas dos n´ıveis secund´ario e prim´ario dessa arquitetura. Neste trabalho de tese, a estrutura do n´ıvel terci´ario n˜ao foi explorada, uma vez que a arquitetura de controle permite a implementa¸c˜ao de uma infinidade de algoritmos de otimiza¸c˜ao nesta camada, assim, entendeu-se que este n´ıvel de controle seria mais adequadamente trabalhado em um est´agio futuro de desenvolvimento da nanorrede.