ANÁLISE E SIMULAÇÃO DA APLICAÇÃO DE UM … · citor opera em ressonância com o indutor L. r. até que a tensão sobre ele seja nula. No último intervalo, a tensão sobre o

ANÁLISE E SIMULAÇÃO DA APLICAÇÃO DE UM CONVERSOR BUCK-RESSONANTE

TRIFÁSICO EM AEROGERADORES SÍNCRONOS DE BAIXA POTÊNCIA A ÍMÃ PERMANENTE

TIARA R. S. FREITAS, DOMINGOS S. L. SIMONETTI, PAULO J. M. MENEGAZ

Laboratório de Eletrônica de Potência e Acionamento Elétrico, Departamento de Engenharia Elétrica,

Universidade Federal do Espírito Santo

Av. Fernando Ferrari, 540, Goiabeiras

E-mails: [email protected];[email protected];[email protected]

Abstract This paper presents a rectifier topology (three-phase buck-resonant converter) for low power wind energy conversion

systems based on permanent magnet synchronous generators. The converter is suitable to operate in wind energy conversion

systems with variable wind speed over a wide range, presenting, however, a simple implementation and control. Using it, the PMSG currents present high power factor and low harmonic distortion, making its application indicated to distributed generation

or DC-microgrids where a low-voltage DC-bus is required. The operation of the converter, the design equations that define it and

simulation results of the conversion system in MATLAB/SIMULINK ® platform are presented.

Keywords Wind Energy Conversion System, Permanent Magnet Synchronous Generator, three-phase buck-resonant

converter, distributed generation.

Resumo Este artigo apresenta uma topologia retificadora (o conversor buck-ressonante trifásico) para aplicação em sistemas de conversão de energia eólica a geradores síncronos de ímãs permanentes de baixa potência. O conversor é adequado para

operar em sistemas de conversão de energia eólica a velocidade rotacional variável em uma ampla faixa. Apresenta

implementação e controle de simples execução, operando com alto fator de potência e baixo conteúdo harmônico. Sua aplicação é indicada na geração distribuída ou microgrids CC em que uma tensão de saída baixa é necessária. O funcionamento do

conversor é apresentado, bem como equações de projeto que o definem. Os resultados de simulação do sistema de conversão na

plataforma MATLAB/SIMULINK® confirmam o bom desempenho do conversor nesta aplicação.

Palavras-chave Sistema de Conversão de Energia Eólica, Gerador Síncrono a Imã Permanente, conversor buck-ressonante trifásico, geração distribuída, microgrid CC

1 Introdução

Dentro de um sistema de conversão de energia eólica

(WECS), os conversores eletrônicos de potência

desempenham um papel essencial, principalmente na

geração a partir de turbinas de velocidade variável.

Além de propiciar a adequação do sistema mesmo

com a velocidade variável do vento, os conversores

permitem o controle das potências ativa e reativa e a

operação do sistema no ponto de máxima potência.

Frente às oscilações do vento e à capacidade do

gerador operar em velocidade variável, os

conversores eletrônicos de potência operam com o

papel de manter a tensão e a frequência na rede

constantes, no caso de uma conversão CA-CC-CA ou

somente manter a tensão constante na conversão CA-

CC. O papel do conversor é, portanto, imprescindível

para o adequado fornecimento de energia ao sistema

receptor.

À medida que os níveis de potência das turbinas

cresceram e surgiu a necessidade de que os níveis de

tensão se tornassem mais elevados, foi necessário

desenvolver conversores eletrônicos de potência que

se adequassem a esses novos níveis, e neste contexto,

diversas topologias de conversores têm sido

exploradas para fazer essa conversão com baixo

custo e alta eficiência, como o caso dos conversores

multiníveis.

Entretanto, com o recente crescimento da gera-

ção distribuída, onde é possível compor microgrids,

geralmente associando a geração eólica a painéis

fotovoltaicos (Ahmed et al., 2006), (Ribeiro et al.,

2010), (Carrasco et al., 2006), formando sistemas

híbridos que são mais robustos que sistemas

baseados em uma única fonte (Liserre et al., 2010)

faz-se necessário investigar topologias que realizem

a retificação adequadamente para sistemas de baixa

potência, com menos complexidade que as

desenvolvidas para alta potência. Tais topologias

devem aliar simplicidade e eficiência, utilizando por

exemplo um controle mais simples no disparo nos

semicondutores, apresentando ao mesmo tempo

qualidade de energia satisfatória.

Microgrids CC podem apresentar um único

barramento, ou múçtiplos barramentos (Dragicevic et

al., 2014). O barramento CC pode apreentar um valor

tão baixo como 24V (Liu et al., 2011) ou alto como

3,5kV (Majumder, 2014). Valores típicos situam-se

entre 48V e 450V.

Algumas topologias aplicadas a baixa potência

operando em modo de condução descontínuo foram

apresentadas na literatura por (Oliveira Jr et al.,

2010), (Ni et al., 2009) e (Kazmi et al., 2011) onde a

retificação é realizada por uma ponte retificadora a

diodos, ou como em (Oliveira et al., 2009), onde um

retificador a diodos com um nível intermediário CC é

utilizado para que o conversor possa atuar em um

sistema a velocidade variável. Outra topologia muito

utilizada em baixa potência é o conversor boost,

tanto na configuração a uma chave (Ahmed et al.,

2010), (Carranza et al., 2009), (Tonkoski et al., 2009)

(dos Reis et al., 2004) quanto a três chaves (Reis et

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

547

al., 2008), (Oliveira Jr et al., 2010), (Oliveira et al.,

2009) e (Yu-lin, 2011).

No que se refere à qualidade de energia, para

obter um uso efetivo da energia eólica disponível, as

correntes extraídas do gerador devem ser uma

imagem da tensão gerada. Neste contexto, essas

topologias citadas no parágrafo anterior não atendem

com eficiência a este requisito (Freitas, 2014), pois

apresentam correntes extremamente deformadas em

relação à tensão e consequente conteúdo harmônico

significativo, originando uma potência pulsante de

baixa frequência, causando oscilações de torque.

Este trabalho apresenta o conversor buck-

ressonante aplicado à geração eólica, uma topologia

que proporciona retificação com um alto fator de

potência, baixo conteúdo harmônico e baixas perdas

de comutação – quando comparado aos conversores

convencionais citados. A estrutura mostra-se

indicada em sistemas eólicos de geração distribuída

ou microgeração CC, em que a tensão do barramento

é inferior ao valor de pico da tensão de linha na

condição de menor frequência de operação (cut-in

wind speed).

2 O conversor buck-ressonante trifásico

A Figura 1 apresenta a topologia apresentada com-

pondo um sistema de conversão de energia eólica

CA-CC. Pode-se visualizar que possui apenas uma

chave semicondutora.

Figura 1 - Topologia retificadora trifásica proposta: buck-

ressonante.

Esta é uma topologia, conforme já citado, que

proporciona retificação com qualidade à medida que

operando em estágio multiressonante a chave semi-

condutora é chaveada com corrente nula (ZCS zero-

current switching) e os diodos operam com tensão

nula (ZVS zero-voltage switching). Além disso, dife-

rente dos conversores buck de uma chave apresenta-

dos por (Ismail et al., 1992) cujas correntes de

entrada são pulsantes, neste conversor as correntes de

entrada e saída são contínuas, reduzindo

significativamente o conteúdo harmônico.

Mas a grande vantagem da estrutura é operar

com baixos valores de tensão de saída (desde que

abaixo do menor valor de pico senoidal), o que en-

contra vasto campo de aplicação para sistemas híbri-

dos (por exemplo, solar-eólico). Além disso, na

aplicação em um WECS não há restrição de operação

do conversor em relação à velocidade do vento: a

operação é satisfatória para baixas ou altas

velocidades do vento (Freitas, 2014).

Observa-se também que se a frequência de cha-

veamento for muito maior que a frequência de en-

trada, então a forma de onda da corrente de entrada

seguirá a forma de onda da tensão de entrada natu-

ralmente, mesmo para valores instantâneos inferiores

à tensão de saída, resultando num alto fator de

potência e menor distorção harmônica.

Esta condição de multiressonância ocorre natu-

ralmente se o intervalo de tempo A, mostrado na

Figura 2, for maior que a soma dos intervalos B e C

(Jang et al., 1998)

Figura 2 – Forma de onda no capacitor de ressonância durante o chaveamento.

Nesta figura, observa-se a forma de onda do ca-

pacitor ressonante Cr. No primeiro período, A, a

tensão no capacitor cresce proporcional à corrente de

entrada. Corresponde ao tempo em que a chave S1

permanece desligada. No segundo intervalo, o capa-

citor opera em ressonância com o indutor Lr até que a

tensão sobre ele seja nula. No último intervalo, a

tensão sobre o capacitor permanece nula. Quando o

intervalo A é maior que a soma de B e C, a caracte-

rística de entrada é mais linear, a corrente segue a

forma da tensão, e como consequência o índice de

distorção harmônica é reduzido.

No item a seguir serão apresentadas as etapas de

operação deste conversor.

2.1 Etapas de Operação

As formas de onda da tensão VS1 e da corrente iS1

demonstram a operação do conversor com chavea-

mento sob corrente nula (ZCS).

Para o funcionamento do conversor em modo

multiressonante é fundamental que o tempo que a

chave permanece ligada, o tempo ligado (ton), seja

mantido constante, independente das variações de

carga. O ajuste é feito na frequência de chaveamento

e na razão cíclica, mantendo, entretanto o tempo

ligado (ton) fixo.

As etapas de operação podem ser divididas em 6

e serão explicadas a seguir. Será analisado para a

operação de 0 a 30° onde neste intervalo a corrente ia

é positiva, ib e ic são negativas e ib é a menor delas.

2.1.1Etapa 1

Nesta etapa de operação nenhum dos semicondutores

conduz com exceção do diodo Dd. Os capacitores de

entrada Cr são carregados até que a chave S1 seja

ligada. A carga é suprida pelo indutor Lr. A Figura 3

esquematiza a operação desta etapa.


548

(a)

(b)

Figura 3 – Primeira etapa de operação: (a) formas de onda; (b) circuito equivalente.

Ao fim desta etapa, quando a chave S1 for

ligada, será imposta à ponte retificadora a máxima

tensão de linha da entrada, e desta forma os diodos

D1 e D5 passam a conduzir.

2.1.2 Etapa 2

A etapa 2 inicia-se quando os diodos D1 e D5 são

ligados (Figura 4). A chave S1 e o diodo Dd

permanecem ativos. Os capacitores Cr1 e Cr2 estão

em ressonância com o indutor Lr, enquanto o

capacitor Cr3 continua a carregar. A corrente no

indutor Lr aumenta até zero, até que o diodo Dd

bloqueie, iniciando a próxima etapa.

(a)

(b)

Figura 4 - Segunda etapa de operação: (a) formas de onda; (b)

circuito equivalente.

2.1.3 Etapa 3

A Figura 5 apresenta o esquema de funcionamento

desta etapa de operação. O diodo Dd agora está

bloqueado, mas S1 ainda está ligada. Os capacitores

Cr1 e Cr2 continuam em ressonância com o indutor Lr

e o capacitor Cr3 continua a carregar até que sua

tensão iguale a tensão do capacitor Cr2. No final desta

etapa o diodo D6 passa a conduzir.

(a)

(b)

Figura 5 - Terceira etapa de operação: (a) formas de onda; (b)

circuito equivalente.

2.1.4 Etapa 4

Os diodos D1, D5 e D6 conduzem, S1 está ligada, e Lr

em ressonância com os capacitores de entrada e o de

saída Cd (Figura 6). A etapa dura até que os

capacitores Cr1,Cr2,Cr3 tenham suas tensões nulas.

(a)

(b)

Figura 6 - Quarta etapa de operação: (a) formas de onda; (b) circuito equivalente.


549

2.1.5 Etapa 5

Com exceção do diodo Dd, todos os dispositivos

semicondutores estão conduzindo (Figura 7). O

capacitor Cd e o indutor Lr operam em ressonância

até que a corrente no indutor seja negativa. Neste

ponto a ponte retificadora fica polarizada

reversamente e assim a corrente na chave S1 se anula.

(a)

(b)

Figura 7 - Quinta etapa de operação: (a) formas de onda; (b) circuito equivalente.

2.1.6 Etapa 6

Esta etapa (Figura 8) é o início da etapa 1, já

apresentada. Com a corrente nula na chave S1

(iniciada no fim da quinta etapa) pode-se desligar a

mesma com corrente zero. Nesta fase a carga é

suprida pelo capacitor Cd, e sua tensão decresce até

zero, quando então o diodo Dd entra em condução.

(a)

(b)

Figura 8 - Sexta etapa de operação: (a) formas de onda; (b) circuito equivalente.

2.2 Projeto do conversor

As equações que definem o projeto do conversor em

função das tensões de entrada e saída e da potência

suprida foram desenvolvidas por (Jang et al., 1998).

Para facilitar o desenvolvimento das equações, foi

proposto neste artigo um equivalente monofásico do

conversor trifásico e a partir dele as variáveis foram

normalizadas em função da tensão de saída do

conversor.

Assim, para uma dada frequência de

chaveamento fs, tensão de entrada Ventrada, e tensão de

saída Vsaída:

(1)

E a frequência de ressonância é dada por:

(2)

Onde, fs é a frequência de chaveamento e α o

tempo normalizado ligado da chave.

A partir do gráfico apresentado por (Jang et al.,

1998) definindo-se a variável Jg em função de Mg e α escolhido e a corrente de saída Ig – definida pela

relação entre a potência e a tensão de saída, calcula-

se a resistência de ressonância R0, dada pela equação

(3):

g

saídag0

I

VJR (3)

A partir de (3) calcula-se os valores de Lr, Cd e

Cr, baseado nas equações (4), (5) e (6) apresentadas a

seguir. Determina-se também a frequência de

ressonância f0 do conversor.

(4)

(5)

(6)

O valor do tempo em que a chave permanece li-

gada é dada pela equação (7):

0

onf2

1t (7)

Utilizando as equações apresentadas e realizando

os cálculos devidos os valores dos dispositivos são

conhecidos.

saída

pico)-(fase entrada

gV

V2

3

M

2

)(ff s

0

dr

0CL2

1f

d

r0

C

LR

dr C2

3C


550

3 Simulação do conversor buck-ressonante

trifásico

3.1 Diagrama de Blocos da Simulação

Para validar o funcionamento do conversor buck-

ressonante trifásico com aplicação direta na geração

eólica, foi implementando na plataforma de simula-

ção MATLAB/SIMULINK® um WECS como apre-

sentado na Figura 9. Foi desenvolvido um diagrama

de blocos para a simulação do conversor apresen-

tado.

Figura 9 - Diagrama de blocos de simulação do sistema de

conversão de energia eólica com controle MPPT.

O diagrama de blocos apresenta o sistema de

conversão de energia eólica com o controle mppt,

desenvolvido na simulação no bloco “controle mppt”,

atuando para garantir a operação no ponto de

máxima potência. Este controle utiliza a técnica

perturba e observa (P&O), onde perturba-se a razão

cíclica e observa-se o resultado na variável contro-

lada – neste caso a potência. Como para garantir a

operação ZCS o tempo ton é mantido constante, a

razão cíclica é variada variando o tempo toff.

O bloco turbina-gerador simula as tensões trifá-

sicas geradas em um sistema eólico a partir da velo-

cidade do vento e inclinação das pás da turbina. A

velocidade do vento para operação nominal do sis-

tema turbina-gerador é de 12m/s.

Um gerador de sinais (bloco “gerador de sinais”)

foi implementado na simulação. A saída, um sinal

pwm com duas variáveis a serem ajustadas

(frequência de chaveamento e a razão cíclica para um

ton constante), efetua o disparo do semicondutor

controlado.

A carga utilizada na simulação, bloco “carga”, é

uma carga resistiva em paralelo com um capacitor.

Seu valor depende da tensão de saída do barramento

CC e da potência nominal de saída.

O bloco “conversor” simula o conversor

propriamente dito, apresentado anteriormente na

Figura 1 (parte pontilhada).

Utilizando as equações apresentadas, foi proje-

tado um conversor de 3kW cuja tensão eficaz de

entrada de linha varia de 220V a 55V (acompa-

nhando as variações de velocidade do vento) com

frequências de 40Hz (nominal) e 10Hz respectiva-

mente. A tensão de saída escolhida foi de 60V; pode-

se escolher a tensão de saída de acordo com o

barramento a que deseja-se conectar o conversor,

desde que Mg seja menor que 1, caso contrário o

conversor buck-ressonante não funciona. A

frequência de chaveamento para este conversor varia

em função das tensões de entrada/saída, mantendo,

entretanto o tempo ligado da chave (ton) constante.

Para a velocidade de vento nominal (12m/s

equivalendo a 40Hz) a frequência de chaveamento

escolhida foi de 20kHz, e baseado nas equações que

definem o projeto a frequência de chaveamento para

a velocidade mínima de operação (3m/s – 10Hz) é de

8kHz.

Tabela 1 - Especificações do conversor buck-ressonante.

ton fo Lr Cd Cr

12µs 42kHz 20,52µH 0,704µF 1,056µF

3.2 Resultados de Simulação

A seguir são apresentados os resultados de simulação

do conversor em análise, havendo nestes casos a

atuação do controle mppt, impondo o valor da razão

cíclica e da frequência de chaveamento para um

tempo ligado (ton) constante definido em projeto.

A Figura 10 apresenta o comportamento da

tensão interna e da corrente no gerador, para veloci-

dade nominal do vento (12m/s), quando o sistema de

conversão de energia é feito utilizando o conversor

buck-ressonante. Já a Figura 11 apresenta a tensão de

saída na carga.

Figura 10 – Tensão e corrente no gerador para vvento=12m/s.

Figura 11 – Tensão de saída no barramento CC.

pitch angle beta

v elocidade do v ento

VA

VB

VC

turbina-gerador

Discrete,Ts = 1e-006 s.

Ideal Switch

powergui

controledisparos

gerador de disparos

degrau1

PsaídaSinal Controle

Controle Mppt

0

12

Psaída

1

2

Carga

Disparo

CONVERSOR

0.5 0.52 0.54 0.56 0.58-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

tempo(s)

corrente 5x (A)

tensão (V)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 130

35

40

45

50

55

60

tempo(s)

ten

sã

o n

a c

arg

a(V

)


551

Pode-se observar que a forma de onda da corrente é

uma imagem da tensão, apresentando alto fator de

potência e baixo conteúdo harmônico. Os valores

apresentados foram de 4,6% de THD e fator de

potência de 0,96. Como comparação, a topologia

apresentada por (Oliveira Jr et al., 2010), para o

boost trifásico semi-controlado o fator de potência

vale 0,982 e o THD é cerca de 18%. Em (Tonkoski et

al., 2009) o THD para o boost como estágio CC

intermediário é de 11,06%, enquanto para a ponte

retificadora a diodos é de aproximadamente 27%.

A seguir, na Figura 12 é apresentada a potência

de saída para operação do conversor buck-ressonante

para operação em 40Hz. A Figura 13 exibe como se

comportam a tensão e a corrente na chave controlada,

bem como o sinal de disparo da mesma.

Figura 12 – Potência de saída para vvento=12m/s.

Figura 13 – Esforços na chave (IGBT) para vvento=12m/s.

Observando os esforços na chave controlada,

observa-se que o seu desligamento ocorre com cor-

rente nula, como apresentado anteriormente nas eta-

pas de operação do conversor.

Para validar a aplicação do conversor em baixas

velocidades de vento, o WECS foi simulado para essa

condição (vento de 3m/s), e os resultados são

apresentados nas figuras a seguir. A Figura 14 apre-

senta o resultado da tensão e da corrente para esta

situação, enquanto na Figura 15 é mostrada a

potência de saída como resultado de simulação.

Figura 14 - Tensão e corrente no gerador para vvento=3m/s.

Figura 15 - Potência de saída para vvento=3m/s.

Para validar o funcionamento do conversor sob

efeito da variação do vento foram feitas simulações

considerando variações na velocidade entre 12m/s e

10,8m/s.

A Figura 16 apresenta a variação da tensão ge-

rada, bem como da corrente, para uma variação do

vento de 12m/s a 10,8m/s no instante de tempo igual

a 0,3 segundos (t=0,3s). Já a Figura 17 expõe o com-

portamento da potência de saída com a atuação do

controle mppt.

Figura 16 - Variação da tensão e da corrente na entrada em função

da variação da velocidade do vento.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

tempo(s)

po

tên

cia

(W)

0.5525 0.5525 0.55260

100

200

300

400

500

600

700

tempo(s)

corrente (A)

tensão (V)

10x pulso

1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

-50

0

50

tempo(s)

corrente 5x (A)

tensão (V)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-200

0

200

400

600

800

1000

tempo(s)

po

tên

cia

(W)

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

tempo(s)

corrente 5x (A)

tensão (V)


552

Figura 17 - Comportamento da potência em função da variação da

velocidade do vento.

4 Conclusão

Foi apresentado uma topologia retificadora (buck-

ressonante trifásico) aplicada à geração de energia

eólica de baixa potência que traz simplicidade na sua

implementação e projeto, à medida que a utilização

de chaves controladas na topologia analisada é

reduzida, 1 (uma) chave, ao invés da aplicação usual

de 6 chaves. Tal redução no número de dispositivos

controlados mostrou ser eficiente trazendo facilidade

de controle e baixo custo.

A partir dos resultados de simulação foi com-

provado que a topologia selecionada apresentou as

correntes de entrada no gerador como uma imagem

quase idêntica da tensão gerada, alcançando

conteúdo harmônico reduzido comparado com as

topologias para baixa potência citadas na literatura

(as quais apresentam correntes extremamente defor-

madas em relação à tensão).

Em relação à potência gerada, também houve

melhora significativa, pois as oscilações de baixa

frequência foram reduzidas, o que também pôde ser

visto por meio da simulação apresentada.

Os resultados foram satisfatórios para as condi-

ções de velocidade de vento extremas - 3m/s e

12m/s, não havendo restrição de operação do mesmo

para toda a faixa de velocidade de operação do

conjunto turbina-gerador. Ainda, o conversor

analisado foi testado para pequenas variações de

velocidade do vento, entre os valores extremos de

velocidade, respondendo de forma adequada através

de um controle mppt convencional e de simples

desenvolvimento.

Assim, validou-se que o conversor buck-

ressonante trifásico é de grande aplicação em

sistemas híbridos - em especial em sistemas que haja

a conversão de energia eólica - cujo barramento CC

apresente tensão inferior ao pico da tensão da

condição de mínima velocidade do vento.

Agradecimentos

À FAPES/CNPq (PRONEX 48508675/2009) e à

CAPES pelo apoio financeiro concedido, sem o qual

esta pesquisa não teria sido possível.

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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

500

1000

1500

2000

2500

3000

tempo(s)

po

tên

cia

(W)


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ANÁLISE E SIMULAÇÃO DA APLICAÇÃO DE UM … · citor opera em ressonância com o indutor L. r. até que a tensão sobre ele seja nula. No último intervalo, a tensão sobre o