Avaliação e Controlo de um Sistema de Microgeração na ......Avaliação e Controlo de um Sistema de Microgeração na Ligação à Rede Elétrica Filipe Saraiva dos Santos Tente

Avaliação e Controlo de um Sistema de Microgeração na

Ligação à Rede Elétrica

Filipe Saraiva dos Santos Tente

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientadores: Prof.ª Doutora Sónia Maria Nunes dos Santos Paulo Ferreira Pinto

Prof. Doutor José Fernando Alves da Silva

Júri

Presidente: Prof. Doutor Rui Manuel Gameiro de Castro

Orientadora: Prof.ª Doutora Sónia Maria Nunes dos Santos Paulo Ferreira Pinto

Vogal: Prof. Doutor Vítor Manuel de Carvalho Fernão Pires

Novembro 2017

iii

Agradecimentos

Com a realização desta dissertação acaba um capítulo na minha vida pessoal e profissional.

A elaboração deste trabalho não teria sido possível sem o apoio, inspiração e contributo de várias

pessoas ao longo deste projeto. Desta forma, gostaria de oferecer o meu profundo agradecimento a

todos aqueles que direta e indiretamente, contribuíram para a realização deste trabalho.

Começo por agradecer à minha orientadora, Professora Doutora Sónia Maria Nunes dos Santos Paulo

Ferreira Pinto, pela sua entrega, colaboração, encorajamento, sabedoria, dedicação, espírito crítico e

disponibilidade que desde o início sempre teve para comigo. O seu contributo e ensinamentos foram

extremamente importantes para o concretizar desta dissertação.

Quero agradecer também ao meu coorientador, o Professor Doutor José Fernando Alves da Silva, pela

sua disponibilidade e colaboração ao longo deste trabalho e curso, que me ajudou a realizar esta

dissertação e a chegar ao final desta etapa.

Agradeço aos meus pais, a quem dedico por inteiro esta dissertação, pelo seu apoio, carinho,

inspiração, tempo, paciência, compreensão e ajuda incondicionais que tiveram para comigo desde

sempre.

Agradeço também aos meus amigos e companheiros, João Nuno Ribeiro, João Pereira, Luís Pereira,

Pedro Parente, Diogo Cardoso, André Machado, Denise Pestana, Gonçalo Silva, Gonçalo Lemos,

Telma Oliveira, Rita Coelho, Filipe Teixeira, Marco Costa e Pedro Aleixo pela sua força, paciência e

encorajamento.

Em especial, quero agradecer à Cláudia Mendes, companheira e amiga de vários anos que sempre me

ofereceu o seu carinho, apoio, conforto, inspiração e força. Obrigado por tudo.

v

Resumo

As preocupações ambientais e o atual enquadramento legislativo têm promovido o aumento da geração

de energia elétrica a partir da produção descentralizada, com base em fontes de energia renováveis.

Embora esse aumento tenha reconhecidas vantagens, assiste-se em certas situações, à existência de

perturbações da rede de energia elétrica próxima desses centros de produção, que podem ser nefastas

para a rede e para os próprios produtores, afetando também a Qualidade de Energia Elétrica nos pontos

de ligação. Um exemplo disso são as sobretensões na rede de Baixa Tensão (BT).

Neste trabalho, pretende-se validar experimentalmente uma solução de controlo a aplicar num modelo

comercial de um microgerador, de modo a evitar sobretensão no ponto de ligação do microgerador.

A solução teórica apresentada passa pelo controlo de um sistema de microgeração, com base numa

regulação descentralizada que através da modificação dos valores de Potência Ativa e Potência

Reativa, é capaz de mitigar a sobretensão existente no ponto de ligação do sistema de microgeração

à rede elétrica de serviço público. Esta regulação é efetuada no software de controlo do inversor real,

com base nos resultados obtidos através da simulação teórica Matlab/Simulink devidamente adaptada

à montagem laboratorial.

São realizados ensaios através de uma montagem laboratorial que permitem testar, através do

comportamento do microgerador numa rede BT, o modelo teórico apresentado, obtendo-se desta forma

uma visão concreta da possível aplicação do modelo teórico e respetiva validação prática. No pior caso

o erro no controlo da tensão não excedeu os -0,12 %.

Palavras-Chave: Microgeração, Potência Ativa, Potência Reativa, Regulação de Tensão,

Sobretensão, Qualidade de Energia Elétrica.

vii

Abstract

Environmental concerns and the current legislative framework have promoted the increase in electricity

generation from decentralized production, based on renewable energy sources.

Although this increase has recognised advantages, there are in certain situations, the existence of

disturbances in the electric power grid close to these production centers, which can be harmful to the

grid and to the producers themselves, affecting the quality of electrical energy in the connection points,

as well. An example of these disturbances is overvoltage in low voltage grids.

In this work, it is intended to experimentally validate a control solution to be applied in a commercial

model of a microgenerator, with the objective of mitigating overvoltage in the connection point of the

microgenerator.

To address this issue, a theoretical solution is presented to control the microgeneration system, based

on a decentralized regulation that, by modifying the values of Active Power and Reactive Power, can

mitigate the overvoltage in the grid connection point of the microgeneration system. This adjustment is

made in a real inverter control software, based on the results obtained from the theoretical

Matlab/Simulink simulations.

Trials are conducted through a laboratory assembly that allows testing of the theoretical model

presented, through the behaviour of the microgenerator in a LV grid, thus obtaining a concrete view of

the possible application of the theoretical model and his practical validation.

In the worst case the voltage control error has not exceeded -0,12 %.

Keywords: Microgeneration, Active Power, Reactive Power, Voltage Regulation, Overvoltage, Power

Quality.

ix

Índice

Agradecimentos ....................................................................................................................................... iii

Resumo ....................................................................................................................................................v

Abstract................................................................................................................................................... vii

Índice ....................................................................................................................................................... ix

Lista de Figuras ....................................................................................................................................... xi

Lista de Tabelas .................................................................................................................................... xiii

Lista de Abreviações .............................................................................................................................. xv

Lista de Símbolos ................................................................................................................................. xvii

1. Introdução ........................................................................................................................................ 1

1.1. Motivação ................................................................................................................................ 2

1.2. Objetivos .................................................................................................................................. 3

1.3. Estrutura da Tese .................................................................................................................... 5

2. Modelo Teórico ................................................................................................................................ 7

2.1. Transformador MT/BT ............................................................................................................. 7

2.2. Bloco de Resistência e Indutância em série, RL ................................................................... 10

2.3. Modelo do microgerador e respetivo controlo ....................................................................... 13

3. Montagem Experimental ................................................................................................................ 19

3.1. Circuito Experimental ............................................................................................................ 19

3.2. Equipamento experimental utilizado ..................................................................................... 22

3.3. Metodologia de ensaio .......................................................................................................... 25

4. Apresentação e análise de resultados .......................................................................................... 29

4.1. Potência Ativa de 2000 W ..................................................................................................... 29




4.5. Potência Ativa de 2800W ...................................................................................................... 52

4.6. Resultados Finais .................................................................................................................. 66

5. Conclusões .................................................................................................................................... 69

5.1. Futuros Desenvolvimentos .................................................................................................... 70

Referências ........................................................................................................................................... 71

xi

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Panorama geral do Software de Controlo utilizado. ............................................................ 4

Figura 1.2 - Apresentação de sucessivas quebras de funcionamento devido à sobretensão. ............... 5

Figura 2.1 - Esquema simplificado da rede de laboratório modelada em Simulink. ............................... 7

Figura 2.2 - Esquema do modelo da rede MT e do transformador trifásico. .......................................... 8

Figura 2.3 - Esquema equivalente em T do transformador de potência. ................................................ 9

Figura 2.4 - Modelo simplificado da resistência e reatância equivalentes. ........................................... 11

Figura 2.5 - Exemplo de uma regulação descentralizada. .................................................................... 15

Figura 2.6 - Esquema da implementação da desfasagem. [14]............................................................ 16

Figura 2.7 - Característica Tensão-Potência Reativa de um sistema de microgeração. [17] ............... 17

Figura 2.8 - Diagrama de blocos em cadeia fechada do regulador de tensão da rede. [14] ................ 17

Figura 3.1 - Esquemático simplificado das ligações efetuadas. Montagem Principal. ......................... 19

Figura 3.2 - Perspetiva da ligação à rede elétrica do inversor e autotransformadores. ....................... 20

Figura 3.3 - Perspetiva central da instalação do inversor. .................................................................... 21

Figura 3.4 - Perspetiva do lado direito da montagem do inversor. ....................................................... 22

Figura 3.5 - Exemplo de configuração do Sunny Explorer. ................................................................... 27

Figura 4.1 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 248V e Potência Ativa de

referência de 2000W. ............................................................................................................................ 30

Figura 4.2 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 249 V e Potência Ativa de

referência de 2000 W. ........................................................................................................................... 31


referência de 2000 W. ........................................................................................................................... 33

Figura 4.4 - Montagem secundária com a bobine auxiliar. ................................................................... 34

Figura 4.5 - Valores eficazes das tensões em relação à distância para as situações Com Controlo (a

verde) e Sem Controlo (a vermelho). Tensão de referência de 250 V (a laranja) e potência de 2000 W.

............................................................................................................................................................... 35


referência de 2200 W. ........................................................................................................................... 37


referência de 2200 W. ........................................................................................................................... 39


referência de 2400 W. ........................................................................................................................... 41


referência de 2400 W. ........................................................................................................................... 43


referência de 2400 W. ........................................................................................................................... 45


referência de 2600 W. ........................................................................................................................... 47

xii


referência de 2600 W. ........................................................................................................................... 49


referência de 2600 W. ........................................................................................................................... 50


referência de 2800 W. ........................................................................................................................... 53

Figura 4.15 – Formas de onda obtidas para a tensão (vermelho) e para a corrente (azul), obtida na

simulação Matlab/Simulink com fp=0,8. ................................................................................................ 54

Figura 4.16 – Formas de onda obtidas para a tensão (CH1) e para a corrente (CH2), obtidas no

laboratório, para fp=0,8 e potência de 2800 W. .................................................................................... 55

Figura 4.17 - Formas de onda obtidas para a tensão (CH1) e para a corrente (CH2), com uma escala

diferente da figura anterior, obtidas no laboratório para fp=0,8. ........................................................... 55


referência de 2800 W. ........................................................................................................................... 56


referência de 2800 W. ........................................................................................................................... 58


referência de 2800 W. Montagem principal. .......................................................................................... 60


referência de 2800 W. Montagem secundária. ..................................................................................... 62

Figura 4.22 - Valores eficazes das tensões em relação à distância para as situações Com Controlo (a

verde) e Sem Controlo (a vermelho) e o valor limite da norma EN50160, 253 V. (Laranja) ................ 64

Figura 4.23 – Formas de onda obtidas para a tensão (vermelho) e para a corrente (azul), obtida na

simulação Matlab/Simulink com fp=0,92. .............................................................................................. 64


laboratório, para fp=0,92. ...................................................................................................................... 65


laboratório, para fator de potência unitário. ........................................................................................... 65

Figura 4.26 - Apresentação de P, Q e V para a tensão de referência de 250 V. Situações com controlo.

............................................................................................................................................................... 66


............................................................................................................................................................... 67


............................................................................................................................................................... 67


............................................................................................................................................................... 68

xiii

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 – Dados do catálogo Merlin Gerin do transformador de 30 kV / 420 V. ............................... 9

Tabela 2.2 - Valores dos parâmetros do transformador (em p.u.) apresentados no catálogo. .............. 9

Tabela 2.3 - Valores dos parâmetros (em p.u.) do modelo em T do transformador. ............................ 10

Tabela 2.4 - Valores dos parâmetros do transformador (em p.u.) obtidos na simulação. .................... 10

Tabela 3.1 - Especificações do inversor Sunny Boy, SB3000TL-21, utilizado. .................................... 23

Tabela 3.2 - Especificações do medidor de Potência Fluke 1735. ....................................................... 24

Tabela 4.1 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 248V e

Potência Ativa de referência de 2000W. ............................................................................................... 30

Tabela 4.2 – Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de

248 V e Potência Ativa de referência de 2000 W. ................................................................................ 31

Tabela 4.3 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 249 V e

Potência Ativa de referência de 2000 W. .............................................................................................. 32

Tabela 4.4 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 249

V e Potência Ativa de referência de 2000 W......................................................................................... 32



Tabela 4.6 - Tensão obtida em diferentes pontos da montagem.......................................................... 34







Tabela 4.10 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 250 V

e Potência Ativa de referência de 2200 W. ........................................................................................... 40

Tabela 4.11 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de












xiv




























e Potência Ativa de referência de 2800 W. Montagem principal. ......................................................... 61


253 V e Potência Ativa de referência de 2800 W. Montagem principal. ............................................... 61


e Potência Ativa de referência de 2800 W. Montagem secundária. ..................................................... 63


253 V e Potência Ativa de referência de 2800 W. Montagem secundária. ........................................... 63

Tabela 4.34 - Tensão obtida em diferentes pontos da montagem. ...................................................... 63

xv

Lista de Abreviações

BT Baixa Tensão

EDP Energias de Portugal

MG Microgerador

MT Média Tensão

PT Posto de Transformação

QEE Qualidade Energia Elétrica

RESP Rede Elétrica de Serviço Público

RMS Valor eficaz

SEE Sistema Energia Elétrica

SEN Sistema Elétrico Nacional

SMA SMA Solar Technology

UP Unidades de Potência

UPAC Unidades de Produção para Autoconsumo

UPP Unidades de Pequena Produção

xvii

Lista de Símbolos

A,B,C Fases de um sistema trifásico

fp Fator de potência

I0 Corrente em vazio

I1 Corrente no enrolamento primário do transformador

I2 Corrente no secundário do transformador

Icc Corrente de curto-circuito

Im Corrente de magnetização do transformador

IMG Corrente do microgerador

In Corrente nominal

KG Ganho de sistema de microgeração

Ki Ganho do controlador proporcional integral

N Neutro

P Potência ativa

Pcc Potência de perdas em curto-circuito

P0 Potência de perdas em vazio

Q Potência reativa

R Resistência de rede

Req Resistência equivalente

R1 Resistência dos enrolamentos do primário do transformador

R2 Resistência dos enrolamentos do secundário do transformador

Rm Resistência de magnetização do transformador

S Potência aparente

Sn Potência aparente nominal

xviii

Td Tempo de atraso

V1 Tensão aplicada ao enrolamento primário do transformador

V2 Tensão aos terminais do secundário do transformador

Vcc Tensão de curto-circuito

Vef Valor eficaz da tensão

Vinv Tensão do inversor

Vn Tensão nominal

VMG Tensão do microgerador

Vrede Tensão da rede

X Reatância da rede

Xeq Reatância equivalente

X1 Reatância de dispersão dos enrolamentos do primário do transformador

X2 Reatância de dispersão dos enrolamentos do secundário do transformador

Xm Reatância magnética do transformador

ΔV Variação da tensão

Φ Desfasagem

ΦMG Desfasagem da corrente do microgerador relativamente à tensão da rede

1

1. Introdução

Em Portugal, as fontes renováveis de Energia para a produção de eletricidade já são utilizadas há

vários anos. Com um passado dominado pela produção de energia elétrica a partir de grandes centrais

térmicas, nos últimos anos, tem-se verificado um aumento significativo da produção de energia elétrica

a partir de fontes de energia renováveis, nomeadamente a partir de parques eólicos, aproveitamentos

solares fotovoltaicos, centrais mini-hídricas e centrais térmicas a partir de combustão de biomassa e

biogás.

Num passado recente, foram efetuadas alterações no Sistema Elétrico Nacional (SEN) que

contribuíram para uma diversificação na produção e comercialização de energia elétrica. Uma dessas

alterações foi a liberalização do setor elétrico nacional, que também contribuiu para uma mudança na

forma como a energia elétrica é produzida em Portugal.

Com as alterações no SEN e com os apoios do Governo Português, e também de outros Governos de

alguns Estados Europeus, tem-se assistido a um aumento cada vez mais acentuado, não só em

Portugal, mas também noutros países Europeus, de tecnologias que através de fontes renováveis de

energia permitam uma produção descentralizada de energia elétrica. Segundo dados da Associação

Portuguesa de Energias Renováveis, no ano 2016 a potência instalada de energia solar era de 464

MW numa potência total aproximada de 21207 MW.

Com a produção descentralizada, o mapa de geração de energia elétrica deixou de ser caraterizado

exclusivamente por: grandes centros produtores de energia, transporte de energia elétrica e entrega

aos consumidores.

O conceito de Produção Descentralizada ou Distribuída tem tido ao longo dos anos diversas definições

e termos, bem como vários estudos de aplicabilidade e impacto no funcionamento da rede elétrica. [1]

No entanto, destaca-se do modelo tradicional de produção de energia elétrica, pelo facto de ser

caracterizada pela possibilidade de produzir energia em pequena escala, ou de reduzida potência, em

localizações próximas dos consumidores, e com interligação à rede elétrica. Desta forma, os

consumidores de energia elétrica (sejam eles empresas ou particulares), passam a ter a hipótese e

oportunidade de se tornarem também produtores de energia elétrica (“producer” + “consumer” =

“prosumer”), através da instalação de sistemas de microgeração, ou microprodução. [2]

Em Portugal, a Produção Descentralizada, é regulada pelo Decreto-Lei nº153/2014 de 20 de outubro e

pela Portaria nº 14/2015 de 23 de janeiro, que vieram definir juridicamente o regime aplicado à

Produção Descentralizada, bem como introduzir dois regimes referentes às UP, sendo esses regimes

as UPAC e as UPP. [3] [4]

2

1.1. Motivação

A ligação de sistemas de microgeração à rede de Baixa tensão (BT) pode, no entanto, provocar

perturbações na tensão de rede, afetando, dessa forma todos os consumidores ligados nesse ponto.

A norma NP EN 50160 [5] estabelece o limite máximo e mínimo do valor eficaz da tensão na rede BT,

estabelecendo ainda valores limite para variação da frequência e tensões harmónicas. Em relação à

tensão de alimentação em condições normais de exploração das redes de BT, define os seguintes

limites:

Para cada período de uma semana, 95% dos valores eficazes da tensão médios de 10 minutos

devem situar-se no intervalo, -10 % a +10 %;

Para todos os valores de períodos de 10 minutos, todos os valores médios de valor eficaz de

tensão devem situar-se no intervalo, -15% a +10%;

Sendo o valor eficaz da tensão nominal, 230 V, define-se como sobretensão uma perturbação da rede,

num determinado ponto que provoque um aumento do valor eficaz da tensão para valores superiores

a 253 V. [5]

Na ligação à rede, os sistemas de microgeração têm conversores eletrónicos de potência que

funcionam em regime não linear, comutados a alta frequência. Por esse motivo, estes poderão

contribuir para a degradação da Qualidade de Energia Elétrica, QEE, aumentando o conteúdo

harmónico da tensão e, consequentemente a Taxa de Distorção Harmónica (THD) [6] [7]. Alguns

trabalhos já foram realizados, onde foram apresentados alguns desses problemas e possíveis soluções

para os mitigar [7], [8], [9], [10].

Outra das consequências, porventura mais gravosa, da ligação de sistemas de microgeração à rede

BT é a possibilidade de ocorrência de sobretensões [5], especialmente em redes rurais, onde os postos

de transformação poderão estar a uma distância considerável dos pontos de injeção de potência, e, em

particular, em cenários de operação da rede quase em vazio.

Para evitar sobretensões permanentes, os inversores (conversores DC/AC) dos microgeradores estão

equipados com sistemas de proteção capazes de reagir a perturbações que provoquem sobretensões

aos seus terminais.

Quando a sobretensão é detetada, a proteção existente no sistema de microgeração é ativada, e o

microgerador é desligado até que as condições da rede estejam novamente reestabelecidas, ou seja,

o valor eficaz da tensão no ponto de ligação desça para valores inferiores ao limite imposto pela norma

[5]. Este tempo de espera em que todo o sistema está desligado e não produz energia elétrica pode

durar alguns minutos. Para o produtor isto pode significar que há vários períodos durante o dia, durante

vários meses, em que não está a produzir energia elétrica, sendo assim financeiramente penalizado.

Além disso, no momento de religação de todo o sistema, pode acontecer que as condições de carga

3

da rede sejam as mesmas e que o valor eficaz da tensão da rede rapidamente volte a aumentar e a

exceder o valor limite, o que volta a provocar a ativação das proteções do sistema microgerador e este

volte a ser novamente desligado da rede. [11]

Esta situação pode provocar uma grande variação e eventual perturbação da tensão no ponto de

ligação do sistema de microgeração, e um funcionamento ineficaz de todo o sistema de microgeração

que pode ser economicamente lesivo para o produtor/investidor do sistema.

Nesse sentido, com este trabalho pretende apresentar-se uma solução que possa contribuir para a

resolução deste problema.

1.2. Objetivos

Com este trabalho pretende-se validar uma solução teórica de regulação da tensão na rede BT no

ponto de ligação de um microgerador.

Este estudo envolve a configuração e montagem real de um sistema de microgeração, em que são

feitas alterações à solução teórica já existente, para que esta seja adaptada às condições laboratoriais.

O objetivo é obter conclusões sobre a solução teórica apresentada que tem como objetivo resolver o

problema da sobretensão associada aos produtores descentralizados.

Assim, atua-se diretamente no Software de Controlo de um inversor, de forma a validar se a regulação

realizada com base no modelo teórico está correta e tem aplicabilidade prática. A regulação do inversor

é alcançada alterando valores como a Potência Ativa [12] e Potência Reativa [13] através da alteração

do fator de potência.

Para isso, definiram-se como objetivos ao longo do presente trabalho, os seguintes pontos:

Montagem de um inversor comercial e respetiva configuração de forma a que este funcione

corretamente;

Adaptabilidade do modelo teórico apresentado, em trabalhos anteriores, à realidade

laboratorial e respetiva montagem prática;

Criação de ensaios práticos que possam ser modelados pelo modelo teórico existente;

Análise dos resultados teóricos obtidos a partir das condições experimentais;

Aplicação dos resultados teóricos, no controlo do inversor por intermédio do software de

controlo;

Estudar uma possível implementação de um controlo remoto do inversor e sua aplicabilidade;

Averiguação e estudo de um possível controlo automatizado com base na solução teórica

apresentada.

4

De forma a mostrar o que se pretende corrigir, apresentam-se de seguida duas imagens onde é

mostrado o funcionamento do inversor quando este é sujeito a uma situação em que aos seus terminais

existe um valor de tensão eficaz superior ao permitido.

A Figura 1.1 mostra o panorama geral do Software de Controlo utilizado para controlar o inversor

utilizado neste trabalho.

A Figura 1.2 é uma particularização do panorama geral, onde se verifica uma sucessão de eventos em

que o inversor é desligado devido ao valor eficaz da tensão aos seus terminais ser superior ao valor

máximo definido pela norma. Isto representa o funcionamento ineficaz do inversor que provoca a

redução substancial de potência injetada na rede elétrica. Embora estes ensaios sejam realizados em

contexto laboratorial, é mostrada, desta forma, a existência do problema e o que se pretende que seja

corrigido.

Figura 1.1 - Panorama geral do Software de Controlo utilizado.

5

Figura 1.2 - Apresentação de sucessivas quebras de funcionamento devido à sobretensão.

1.3. Estrutura da Tese

A presente dissertação encontra-se estruturada em cinco capítulos que são introduzidos de seguida.

No primeiro capítulo, é realizada uma apresentação sobre o que o presente trabalho pretende estudar

e quais os objetivos que se pretendem concretizar.

No segundo capítulo, é apresentada uma introdução sucinta do modelo teórico utilizado, adaptado às

condições laboratoriais, incluindo uma explicação do tipo de transformador MT/BT utilizado no modelo

teórico, os blocos de controlo do microgerador e de uma resistência e indutância ligados em série com

o microgerador.

No terceiro capítulo, explica-se a respetiva montagem laboratorial, o equipamento utilizado e a

metodologia dos ensaios efetuados.

No quarto capítulo, apresentam-se os resultados obtidos tanto teóricos, como práticos e a análise dos

mesmos.

No quinto capítulo, é efetuada a conclusão geral sobre o presente trabalho, bem como uma análise

crítica acerca do que é proposto e sobre possíveis trabalhos futuros.

6

7

2. Modelo Teórico

Neste capítulo, é apresentada a componente teórica que apresenta os fundamentos sobre os quais

será tratada posteriormente a montagem experimental. É feita a descrição do modelo Matlab/Simulink

utilizado, nomeadamente o modelo do Transformador MT/BT, bem como o modelo do microgerador e

o respetivo controlo.

O modelo em Matlab/Simulink, é baseado numa rede já existente [14] [15]. Fez-se uma adaptação da

mesma às condições experimentais e materiais existentes no laboratório de Energia do DEEC, Técnico

Lisboa – Universidade de Lisboa.

A rede, descrita pelo modelo Matlab/Simulink, é apresentada na Figura 2.1.

Figura 2.1 - Esquema simplificado da rede de laboratório modelada em Simulink.

2.1. Transformador MT/BT

A ligação da rede de Média Tensão à rede de Baixa Tensão é efetuada através de transformadores

trifásicos de potência. Estes transformadores têm características próprias que variam e são adequadas

à potência pretendida e ao nível de tensão das redes de MT e BT em que são inseridos.

Na rede elétrica portuguesa, os valores de tensão mais comuns presentes na rede MT são: 10 kV, 15

kV e 30 kV. [16]

A rede de BT é a rede caracterizada por ter um nível de tensão de 230 V entre fase e neutro e 400 V

entre fases.

Habitualmente, os transformadores trifásicos de potência utilizados na interligação de redes MT e BT

podem ter como potência nominal os valores de 630 kVA, 400 kVA ou 250 kVA, 100 kVA ou 50 kVA.

A grande maioria destes transformadores possuem tomadas que permitem uma regulação da tensão

da saída entre ± 5 % do seu valor, para poderem compensar as quedas de tensão existentes nas linhas

de transporte.

8

Neste trabalho considera-se um transformador com uma potência de 250 kVA. O nível de tensão no

seu primário é de 30 kV e o nível de tensão no seu secundário é de 420 V entre fases (tensão

composta), ou seja, aproximadamente 242,4 V por fase (tensão simples). A frequência de

funcionamento é a utilizada pela rede Portuguesa, ou seja, de 50 Hz.

Na Figura 2.2 observa-se o modelo da rede de MT e do transformador trifásico a ela ligado. O primário

do transformador encontra-se ligado em triângulo à rede de MT. O secundário encontra-se ligado em

estrela, possuindo 3 fases (A, B e C) e o Neutro solidamente ligado à terra (N). Esta situação é

meramente informativa, dado que como é considerado apenas um microgerador monofásico a injetar

Potência na rede, apenas uma das fases do transformador trifásico será utilizada. Esta situação, na

prática provoca um ligeiro desequilíbrio aos terminais do transformador trifásico, no entanto, esse

desequilíbrio pode ser desprezado.

Figura 2.2 - Esquema do modelo da rede MT e do transformador trifásico.

O dimensionamento dos parâmetros do transformador, presente na Figura 2.2, foi feito com recurso ao

modelo em T do transformador, apresentado na Figura 2.3 [17]. Para efetuar o correto

dimensionamento dos parâmetros do transformador tem que se calcular com rigor os valores das

resistências e reatâncias de dispersão presentes no primário, secundário e no ramo de magnetização

do transformador. Assim sendo, é necessário recorrer aos valores disponibilizados pelo fabricante,

Merlin Gerin [18] apresentados na Tabela 2.1, para se poderem efetuar estes cálculos.

9

Figura 2.3 - Esquema equivalente em T do transformador de potência.

Tabela 2.1 – Dados do catálogo Merlin Gerin do transformador de 30 kV / 420 V.

Potência estipulada 250 kVA

Tensão secundária em vazio 400 V ou 420 V

Regulação sem tensão (±2,5 %, ±5 %), (±2,5 %, +5 %, +7 %)

Grupo de ligação Dyn11

Perdas em vazio 780 W

Perdas por carga a 75 ºC 3500 W

Tensão em curto-circuito 4,5 %

Corrente em vazio 2,4 (100 % Un)

Com base nos valores da Tabela 2.1, faz-se o dimensionamento dos parâmetros do transformador que

são apresentados na Figura 2.3 através de dois ensaios típicos realizados a um transformador, o ensaio

em curto-circuito e o ensaio em vazio.

Tabela 2.2 - Valores dos parâmetros do transformador (em p.u.) apresentados no catálogo.

Ensaio em vazio Ensaio em curto-circuito

Vn = 1 Vcc = 0,045

I0 = 0,024 In = 1

P0 = 0,00312 Pcc = 0,014

10

Através desses dois ensaios e dos valores do catálogo (em p.u.) apresentados na Tabela 2.2, calculam-

se os valores dos parâmetros do modelo do transformador, tendo-se obtido os resultados da Tabela

2.3.

Tabela 2.3 - Valores dos parâmetros (em p.u.) do modelo em T do transformador.

R1 = R2 0,007

X1 = X2 0,0214

Rm 320,513

Xm 42,023

Como é utilizado o modelo de um transformador na simulação torna-se necessário comparar os

parâmetros e o próprio modelo com os parâmetros de um transformador real, de forma a averiguar a

qualidade do modelo utilizado na simulação.

Assim, para o modelo escolhido para a simulação e através dos ensaios em vazio e curto-circuito

obtiveram-se os valores das tensões aplicadas, correntes e potências apresentados na Tabela 2.4.

Tabela 2.4 - Valores dos parâmetros do transformador (em p.u.) obtidos na simulação.

Ensaio em vazio Ensaio em curto-circuito

Vn = 1 Vcc = 0,045

I0 = 0,024 In = 1

P0 = 0,003112 Pcc = 0,0139

Verificando e comparando os valores da Tabela 2.2 e da Tabela 2.4, confirma-se que o modelo do

transformador utilizado na simulação Simulink é uma boa aproximação de um transformador real. Os

erros existentes entre o modelo e o real são extremamente pequenos, podendo ser desprezados sem

perda de rigor nos resultados obtidos em futuras simulações.

2.2. Bloco de Resistência e Indutância em série, RL

Na Figura 2.1, observa-se a existência de uma resistência e indutância em série aos terminais do

microgerador e antes da ligação à rede, por intermédio do transformador MT/BT.

Estes componentes existem no modelo para contemplar uma limitação existente na montagem real,

em contexto laboratorial, que tem que ser tida em conta de forma a obterem-se resultados e conclusões

que sejam comparáveis tanto a um nível teórico como prático.

Como será mostrado adiante neste trabalho, no Capítulo 3, é necessária a instalação de dois

autotransformadores.

11

Na simulação teórica Simulink, o transformador MT/BT fornece no lado da baixa tensão um valor de

tensão de 242,4 V, tensão simples, que se considera sempre constante.

No laboratório, o valor de 242,4 V só se consegue obter utilizando dois autotransformadores em série,

que têm como função permitir a regulação da tensão aos terminais do microgerador.

A instalação destes dois autotransformadores terá que ser tida em conta na simulação teórica. Os

efeitos de resistência nos enrolamentos e do fluxo de dispersão resultam numa resistência e reatância

indutiva que terá que ser tida em conta no modelo teórico.

A essa resistência e reatância, chamar-se-á resistência equivalente e reatância equivalente, [19].

O sistema da Figura 2.4, representa de uma forma simplificada o modelo acima referido. O cálculo dos

parâmetros da resistência equivalente, Req, e da reatância equivalente, Xeq, são efetuados de seguida.

Figura 2.4 - Modelo simplificado da resistência e reatância equivalentes.

A queda de tensão na resistência e reatância equivalentes é dada pela equação (2.1).

( )MG R MG eq eqV V I R jX (2.1)

A corrente produzida pelo microgerador, IMG, é dada pela equação (2.2).

cos( )

MGj

MG

MG MG MG MG

P P QI e j

V V V

(2.2)

Mais informações sobre a corrente produzida pelo microgerador serão dadas no subcapítulo seguinte,

onde é realizada uma explicação sucinta sobre o modelo do microgerador utilizado.

Através da substituição da equação (2.2) na equação (2.1), obtém-se a equação (2.3), [12].

12

2

tan

( tan ) 1

1 tan

eq

MG

eq

MG R eq eq MGeqMG

MG

eq

X

RPV V V R X

XV

R

(2.3)

Para valores baixos, 0º < ɸMG < 35º, do ângulo de desfasagem entre a tensão e a corrente, ɸMG, a raiz

quadrada anterior é aproximadamente unitária e a equação (2.3) pode ser aproximada pela equação

(2.4), [17].

( tan )eq eq MG

MG

PV R X

V (2.4)

Através das equações (2.3) e (2.4), conseguem-se estimar com algum rigor os parâmetros resistência

equivalente e reatância equivalente.

A estimação destes parâmetros tem em conta medições feitas em laboratório através de dois ensaios

distintos, o ensaio A e ensaio B. Para cada um dos ensaios, foram utilizados dois tipos diferentes de

autotransformadores disponíveis no laboratório.

Ensaio A

Neste ensaio, fixou-se o fator de potência, fp, no valor unitário. Nesta situação não existe desfasagem

entre a tensão e a corrente e está-se perante um sistema puramente resistivo. Como fp é unitário tem-

se tan 0MG , o que provoca uma simplificação das equações (2.3) e (2.4). Essa simplificação é dada

pela equação (2.5).

MG

eq

V VR

P

(2.5)

A partir daqui foram-se medindo diferentes valores de potência ativa, e calculando os respetivos valores

de Req a partir da equação (2.5) . No final, fez-se a média e estimou-se o valor aproximado de Req.

Como se utilizaram dois tipos diferentes de autotransformadores, obtiveram-se dois conjuntos de

resultados para este ensaio (tal como para o Ensaio B).

Os dois tipos de autotransformadores utilizados são:

Transformador Metrel, com uma Potência Nominal, Sn = 10,14 kVA;

Transformador Officel, com uma Potência Nominal, Sn = 11,7 kVA.

13

A resistência equivalente obtida, para cada tipo de autotransformador, foi:

0,90eqR , para o transformador Metrel;

1,15eqR , para o transformador Officel.

Ensaio B

Para o cálculo da reatância equivalente, Xeq, foi realizado um ensaio semelhante ao anterior, mas desta

vez fixou-se um valor de potência ativa, P = 1000 W variando apenas o fator de potência, entre 0,8

(leading ou lagging) e 1. Para cada um dos níveis de fator de potência, estimou-se uma reatância, dada

pela equação (2.6). [17]

cos

sin

eq MG MG

MG MG

V R IX

I

(2.6)

A reatância equivalente, Xeq, é dada pela média dos valores de X em cada medição.

Realizaram-se dois ensaios para cada um dos tipos de autotransformadores descritos no Ensaio A.

A reatância equivalente, obtida foi:

0,09eqX , para o transformador Metrel;

0,12eqX , para o transformador Officel.

2.3. Modelo do microgerador e respetivo controlo

O modelo do microgerador utilizado é o modelo definido e criado em trabalhos anteriores, tendo sido,

tal como a rede simulada em Simulink, adaptado às condições experimentais. A explicação detalhada

acerca do seu funcionamento, dimensionamento e controlo encontra-se apresentada nesses trabalhos,

[14] e [15].

Neste capítulo, procede-se à apresentação sucinta do modelo do microgerador utilizado, assim como

do seu funcionamento, e do controlo de Potência Ativa, P, e Potência Reativa, Q, que este é capaz de

injetar.

Numa instalação fotovoltaica típica, o gerador fotovoltaico, entrega à rede a máxima potência que em

cada instante pode produzir.

Um sistema de microgeração é tipicamente constituído por um conjunto de várias células fotovoltaicas,

que formam os painéis fotovoltaicos, e equipamentos de regulação e interface, como o seguidor de

potência máxima, Maximum Power Point Tracker (MPPT) e o inversor. Estes têm como função otimizar

as condições de geração e adaptá-las às condições de receção impostas pela rede na qual são

14

instalados. O sistema de controlo que tem como objetivo assegurar o correto funcionamento e interação

de todos os componentes do sistema. [15]

Nas instalações fotovoltaicas que são ligadas ao sistema de energia elétrica é necessária a instalação

de um inversor para colocar na rede AC a energia DC produzida pelas células fotovoltaicas.

Os inversores utilizados têm tipicamente as funções de converter as grandezas DC em grandezas AC,

que correspondam aos padrões de qualidade exigidas pela rede à qual ligam [7], seguidor de potência

máxima, MPPT, e proteção do sistema contra sobrecargas, sobretensões, interligação, entre outros.

[20]

O modelo do microgerador adotado para este trabalho é uma aproximação de um típico sistema de

microgeração.

De uma forma simplificada, o modelo inclui uma fonte de corrente alternada que é utilizada para

representar o comportamento do inversor de tensão utilizado no microgerador, sendo controlado para

fornecer uma corrente com um determinado valor. Esse valor é obtido com base na potência ativa, P,

que se pretende injetar na rede e no valor da tensão aos terminais do microgerador, VMG.

O microgerador, é assim representado pelas equações (2.7) e (2.8).

( )

( ) 2 sin sin2

MGMG MGef

MGef

V tV t V t t

V (2.7)

( )

( ) 2 sin ( ) 2 ( )2

MGefMGMG MGef MG MGef MG

MGefMGef

IV tI t I t I t I V t

VV (2.8)

A referência para a modelação do microgerador, representada pelas equações anteriores, é a fase da

tensão VMG(t).

A potência ativa injetada na rede é dada pela equação (2.9).

cosMGef MGef MGP V I (2.9)

Da equação anterior calcula-se o valor eficaz da corrente do microgerador, apresentada na expressão

(2.10).

cos

MGef

MGef MG

PI

V (2.10)

Considerando as expressões definidas anteriormente, obtém-se a corrente alternada (2.11), injetada

pelo microgerador na rede, em função da potência ativa e da tensão aos terminais do microgerador.

15

2

( ) ( )cos

MG MG

MGef MG

PI t V t

V (2.11)

Com a última expressão, (2.11), fica definido o modelo simplificado do microgerador que será

implementado em Simulink.

Tal como referido no Capitulo 1, um dos objetivos do mesmo é validar o estudo teórico feito em

trabalhos anteriores que resultou na solução apresentada na referência [14] sobre a mitigação de

sobretensões. Essa solução tem como base uma regulação descentralizada, baseada num regulador

local em cadeia fechada, da tensão no ponto de ligação. Esse regulador permite atuar sobre a Potência

Reativa e também na redução da Potência Ativa se necessário.

A ideia de uma regulação descentralizada passa pela atualização do algoritmo de regulação dos

microgeradores existentes através de uma ligação à Internet que permita o acesso e respetivo controlo

dos parâmetros do equipamento.

Um dos objetivos da regulação descentralizada seria ter um comportamento semelhante ao

representado pela Figura 2.5 em que todo o processo teria um caráter automático e de preferência com

a mínima ou nenhuma intervenção do utilizador.

A rede onde é realizada a ligação do microgerador, tem um valor de tensão que em certos casos pode

passar o limite estabelecido pela norma EN 50160, [5] . Nessa situação, o microgerador está em

situação de sobretensão, o que provoca a interrupção do seu funcionamento até que a tensão aos seus

terminais volte a ter valores inferiores ao limite definido pela norma EN 50160, [5].

A proposta teórica apresentada sugere que através da alteração dos valores de potência reativa e ativa

se consegue mitigar a sobretensão existente. O método teórico implementado com vista à atenuação

e desaparecimento de regimes de sobretensão através da regulação da Potência Reativa consiste em

provocar uma desfasagem entre a tensão e a corrente que o microgerador injeta na rede, dado que os

sistemas de microgeração, em condições normais, injetam na rede uma corrente que está praticamente

em fase com a tensão. Esta técnica origina uma Potência Reativa que promove uma pequena

diminuição da tensão, que em muitos casos é suficiente para trazer a mesma até um valor inferior ao

limite definido pela norma, evitando que o microgerador se desligue.

Figura 2.5 - Exemplo de uma regulação descentralizada.

16

O esquema da implementação da desfasagem na simulação é apresentado na Figura 2.6. A explicação

detalhada do seu funcionamento e as equações que modelam o esquema, é apresentada na referência

[14], bem como ensaios teóricos realizados numa rede de energia, que comprovam que através do

controlo da desfasagem se consegue reduzir a tensão para valores aceitáveis. É importante notar que

as redes de BT têm um caráter resistivo superior ao caráter indutivo, o que implica que grandes

variações de tensão que sejam necessárias para compensar uma possível sobretensão são

inexequíveis apenas através do controlo da Potência Reativa. Para grandes compensações seriam

necessários elevados valores de Potência Reativa que estariam fora das especificações do

microgerador. Por exemplo, o microgerador utilizado na montagem prática no Laboratório, apenas

permite uma variação de um fator de potência nos intervalos de 0,8 a 1 (leading ou lagging).

Figura 2.6 - Esquema da implementação da desfasagem. [14]

A Figura 2.7 ilustra a relação entre a tensão e Potência Reativa alusiva num sistema de microgeração.

Percebe-se que ao aumentar a Potência Reativa do microgerador através da desfasagem da corrente

injetada, tem como consequência a diminuição da tensão no ponto de ligação do microgerador. Este

comportamento é comprovado na experiência prática apresentada nos capítulos seguintes.

17

Figura 2.7 - Característica Tensão-Potência Reativa de um sistema de microgeração. [17]

A malha de controlo do sistema de regulação da tensão da rede é apresentada na Figura 2.8, [14].

Figura 2.8 - Diagrama de blocos em cadeia fechada do regulador de tensão da rede. [14]

O sistema de regulação tem como objetivo garantir que o ângulo de desfasagem da corrente em relação

à tensão, na saída do microgerador, é o correto para garantir a tensão dada pelo valor de referência.

A regulação é feita através da comparação do valor eficaz da tensão lida na saída do microgerador

com um valor de referência que seja inferior a 253 V (acima deste valor, está em sobretensão). Se da

comparação (ou erro) resultar uma diferença negativa significa que o valor eficaz da tensão à saída do

microgerador é superior ao valor de referência e que nesse caso se terão que fazer ajustes na

desfasagem do microgerador até que a comparação seja nula. O ângulo de desfasagem, MG , é

proporcional ao integral do erro e o objetivo do controlador integral é eliminar esse erro. O controlo da

tensão aos terminais do microgerador, VMG, é desta maneira realizado com base na variação do ângulo

18

de desfasagem. Essa regulação é realizada tendo em conta o ganho incremental, KG, que é dado pela

derivada da tensão aos terminais do microgerador em ordem ao ângulo de desfasagem.

Com base na equação (2.12), obtém-se a equação (2.13) que será a base para o cálculo do ganho

incremental KG, dado pela equação (2.14).

( tan )MG R eq eq MG

MG

PV V R X

V (2.12)

2

1 tan2 4

eqR RMG eq MG

eq

XV VV P R

R

(2.13)

2

2

cos1

21 tan

4

eq

MGMGG

MGeqR

eq MG

eq

P X

dVK

d XVP R

R

(2.14)

Nos casos em que os limites de regulação através da Potência Reativa são excedidos, por exemplo

quando a desfasagem da corrente em relação à tensão implica um fator de potência superior aos limites

estipulados pelo equipamento - na prática o fator de potência tem um intervalo de regulação entre 0,8

a 1 (leading ou lagging) -, a regulação da tensão apenas através da Potência Reativa torna-se

insuficiente para mitigar a sobretensão. Nesses casos, torna-se necessário também diminuir a Potência

Ativa.

A diminuição da Potência Ativa, quando necessária, é efetuada de uma forma gradual e linear até que

a situação de equilíbrio com um valor de tensão à saída do microgerador, inferior ao limite de

sobretensão, seja atingido.

19

3. Montagem Experimental

Neste capitulo procede-se à explicação da montagem experimental efetuada durante a realização deste

trabalho de forma a validar as deduções teóricas [14] explicadas no capitulo anterior.

São explicados o circuito utilizado, os materiais e equipamentos utilizados e a metodologia dos ensaios

realizados.

3.1. Circuito Experimental

De forma a proceder à validação dos resultados teóricos apresentados pelo modelo MATLAB/Simulink

utilizado no presente trabalho, recorreu-se à montagem do circuito experimental apresentado de

seguida.

A Figura 3.1 apresenta, na globalidade, a forma como a montagem laboratorial foi realizada.

Figura 3.1 - Esquemático simplificado das ligações efetuadas. Montagem Principal.

De forma a ultrapassar a inexistência de um painel fotovoltaico capaz de garantir a alimentação DC

desejada ao inversor, utiliza-se como fonte DC, o grupo gerador DC existente no laboratório.

Nos terminais de saída do inversor, encontram-se ligados dois grupos de autotransformadores.

Os autotransformadores são utilizados para permitir o controlo da tensão à saída do inversor para os

valores pretendidos e são utilizados nos ensaios experimentais e teóricos, os 420 V de tensão fase-

fase, ou 242,4 V tensão fase-neutro.

Após o grupo de dois autotransformadores é feita a ligação monofásica à rede de baixa tensão do

laboratório de 230 V, tensão fase-neutro.

De seguida, são apresentadas três fotos de diferentes perspetivas da montagem efetuada, bem como

alguns equipamentos de medição utilizados. A especificação dos equipamentos utilizados é feita no

Capítulo 3.2.

20

Figura 3.2 - Perspetiva da ligação à rede elétrica do inversor e autotransformadores.

Na Figura 3.2, observa-se, à esquerda [A], a ligação do circuito à rede de baixa tensão do laboratório,

bem como os terminais da bancada que permitem fornecer a alimentação DC ao inversor. Por cima

dos terminais, observa-se um dos dois medidores de potência utilizados na montagem [B]. Neste caso,

o medidor está a medir a tensão aos terminais da rede de baixa tensão, BT. No chão, verifica-se a

instalação dos dois autotransformadores de um dos dois tipos utilizados nesta instalação [C]. No lado

direito da imagem no chão, estão as sondas de corrente utilizadas pelo outro medidor de potência [D].

Neste caso, as sondas medem a corrente AC que circula entre a saída do inversor e a entrada do

primeiro autotransformador. Utilizou-se um osciloscópio [E] para observar as formas de onda da tensão

e corrente AC e a respetiva desfasagem entre ambas.

A

B

C

D

E

21

Figura 3.3 - Perspetiva central da instalação do inversor.

A Figura 3.3 permite visualizar a montagem e das ligações do inversor. No fundo e do lado esquerdo

do inversor [F], vêem-se dois cabos, um vermelho e um preto, que correspondem à polaridade positiva

e negativa, respetivamente, da alimentação DC, ou seja, entrada do inversor. Ao centro, por baixo do

inversor, observa-se um cabo amarelo. Este cabo é o cabo de Internet LAN RJ45, responsável pela

ligação entre o módulo de comunicação do Inversor e um computador externo que permita o controlo

do mesmo. Por fim, no fundo e à direita do inversor, observa-se um cabo branco, sendo este, o cabo

de saída do inversor. Este cabo possui três condutores, um positivo, um neutro e um de terra, que por

sua vez está ligado a dois aparelhos analógicos de medição da tensão e corrente AC [G].

F

G

22

Figura 3.4 - Perspetiva do lado direito da montagem do inversor.

Na Figura 3.4, observa-se com maior detalhe as ligações efetuadas (em cima da bancada) do lado DC

do inversor. O reóstato [H] e os dois condensadores [I] de bancada existem apenas como medida de

proteção do inversor contra sobretensões, não tendo qualquer impacto nos resultados ou medições

obtidas. No chão, vê-se a ligação da saída do inversor ao primeiro autotransformador, sendo o cabo

vermelho o positivo e o azul o neutro. O equipamento amarelo em cima da bancada, é um dos dois

medidores de Potência [J] utilizados no trabalho experimental.

3.2. Equipamento experimental utilizado

A fonte DC utilizada no presente trabalho, é a disponibilizada pelo grupo gerador existente no

laboratório, que consiste numa máquina DC a funcionar como gerador, acoplada a uma máquina de

indução que funciona como motor.

O inversor utilizado é o Sunny Boy, SB3000TL-21 com uma potência nominal de 3 kW, da marca SMA

[21].

Os dados técnicos relevantes para o trabalho são apresentados na Tabela 3.1.

H

I I

J

23

Tabela 3.1 - Especificações do inversor Sunny Boy, SB3000TL-21, utilizado.

Entrada DC

SB 3000TL-21

Tensão máxima de entrada 750 V

Tensão mínima de entrada 125 V

Tensão de entrada inicial 150 V

Corrente máxima de entrada 15 A

Saída AC

SB 3000TL-21

Potência atribuída com 230 V, 50 Hz 3000 W

Potência aparente AC máxima 3000 VA

Tensão de rede atribuída 230 V

Tensão nominal AC 220 V/230 V/240 V

Corrente nominal AC com 230 V 13 A

Corrente máxima de saída 16 A

Frequência da rede atribuída 50 Hz

Fator de desfasamento cos φ, ajustável 0,8 subexcitado a 1 a 0,8 sobreexcitado

Os valores apresentados na tabela anterior são importantes no ajuste do modelo Matlab/Simulink

utilizado às condições experimentais de funcionamento, bem como à própria montagem experimental

de forma a garantir que todo o processo decorra da maneira correta.

A instalação e montagem do inversor foi efetuada com recurso ao manual de instalação disponibilizado

pelo fabricante. As normas de instalação, bem como os dados apresentados na Tabela 3.1, foram

consultadas no manual das Instruções de Serviço do equipamento [22].

De forma a permitir o controlo através da Internet/Cabo LAN RJ45, instalou-se, no próprio inversor, um

módulo dedicado à comunicação entre o Inversor e um equipamento externo (por exemplo, um

computador). O módulo instalado é o SMA SpeedWire/WebConnect Data Module.

A sua instalação e configuração foram efetuadas com recurso ao manual de instalação do respetivo

módulo [23].

Através do módulo de comunicação consegue-se proceder ao controlo e configuração dos parâmetros

do inversor, através do programa Sunny Explorer [24].

24

Com o Sunny Explorer, configura-se o inversor para os pontos de funcionamento desejados, podendo

configurar e ajustar a Potência Ativa a ser injetada na rede, bem como o fator de potência (parâmetros

que interessam controlar no presente trabalho), entre outros.

Os medidores de Potência utilizados são os Fluke 1735 Power Logger Analyst. As especificações dos

medidores são apresentadas sucintamente e a título informativo, na Tabela 3.2 [25].

Tabela 3.2 - Especificações do medidor de Potência Fluke 1735.

Medição da Tensão Eficaz (RMS), AC

Alcance de medição 57 V/66 V/110 V/120 V/127 V/220 V/230 V/240 V/260 V/277 V/347 V/380 V/400 V/417 V/480 V

Erro intrínseco ± (0,2% do valor medido + 5 dígitos)

Erro de operação ± (0,5% do valor medido + 10 dígitos)

Resolução 0,1 V

Medição da Corrente Eficaz (RMS)

Alcance 15 A


Erro de operação ± (1% do valor medido + 20 dígitos)

Resolução 0,01 A

Medição de Potência

Alcance Ver valores para tensão e corrente


Erro de operação ± (1,5% do valor medido + 20 dígitos)

Resolução 1 kW

Na montagem laboratorial são sempre utilizados dois autotransformadores iguais, ligados em série.

No entanto, em diferentes ensaios, foram utilizados também transformadores diferentes:

2 transformadores Metrel, com Potência Nominal, Sn = 10,14 kVA;

ou 2 transformadores Officel, com Potência Nominal, Sn = 11,7 kVA.

O motivo pelo qual foram utilizados dois grupos diferentes de autotransformadores, será explicado no

decorrer do trabalho, especialmente no capítulo da apresentação de resultados.

25

3.3. Metodologia de ensaio

Nesta parte do trabalho pretende-se apresentar como foram feitos os ensaios e os passos tomados,

para se obterem os resultados, tanto teóricos como práticos apresentados no Capítulo 4.

Os ensaios têm como ponto de partida para valor de tensão simples, ou fase-neutro, o valor 242,4 V.

Assim sendo, o primeiro passo no ensaio laboratorial é a regulação dos dois autotransformadores,

independentemente do modelo utilizado, do valor de tensão simples 242,4V à saída AC do inversor

Sunny Boy.

De seguida, liga-se o inversor através do cabo LAN ao computador e com a utilização do software

Sunny Explorer, realiza-se a conexão entre computador e inversor, para posterior controlo. Como

medida de segurança imposta pela SMA, existe um código único para cada inversor fabricado pela

SMA, que tem que ser sempre colocado no programa, de forma a permitir o desbloqueio do controlo

de parâmetros como a Potência Ativa e fator de potência. Esse código, chama-se SMA Grid Guard

Code.

Após a regulação dos autotransformadores e correta ligação entre o inversor e o computador, procede-

se à calibração do modelo teórico dos parâmetros R e X introduzidos e apresentados no Capítulo 2. Os

valores apresentados nesse capítulo são estimativas obtidas através das equações apresentadas, com

base em medições destinadas à estimação desses parâmetros. No entanto, não existem medições

perfeitas, nem equipamentos perfeitos e muito menos uma rede de baixa tensão com um valor

constante. Daí o motivo para se proceder uma ligeira calibração dos valores obtidos no Capítulo 2.

Como a tensão da rede não é constante no valor de 230 V, isso provoca de ensaio para ensaio,

possíveis ajustes dos autotransformadores. Se os ajustes forem substanciais, os valores de R e X

obtidos até então podem ser ligeiramente errados provocando, desta forma, possíveis erros nas

medições. Sendo necessária a nova calibração dos parâmetros R e X. Essa calibração é feita através

do cruzamento de resultados teóricos com resultados práticos que vão sendo obtidos para uma

determinada tensão e potência ativa de referência.

A calibração é processada da seguinte forma:

Na simulação Simulink, desliga-se a cadeia de controlo de Potência Ativa/Reativa e com base

nos valores já calculados de R e X, para um determinado valor de Potência Ativa, por exemplo

de 2000 W, obtém-se a corrente e tensão teóricas.

Tendo configurado no Sunny Explorer um fator de potência unitário, ou seja, sem qualquer tipo

de controlo, e uma Potência Ativa de 2000 W, mede-se a tensão e corrente obtidas à saída do

inversor.

Com base nessa tensão e corrente práticas, ajusta-se o parâmetro R na simulação Simulink

até se obter um valor teórico de tensão e corrente aproximado aos valores práticos.

26

Após a calibração do parâmetro R, ativa-se a malha de controlo na simulação Simulink, e para

a Potência de 2000 W e uma tensão de referência de, por exemplo, 252 V, obtém-se os valores

teóricos da tensão controlada (que será de 252 V), a corrente teórica, e o fator de potência.

Tendo, agora o fator de potência teórico, configura-se esse valor no programa Sunny Explorer,

bem como a Potência Ativa de 2000 W, e verifica-se os valores obtidos. Se forem diferentes,

procede-se da mesma forma da do valor R, mas desta vez para o valor X.

Após a calibração dos parâmetros, está tudo preparado para a execução dos ensaios que permitem

validar os resultados teóricos obtidos pela simulação Matlab/Simulink.

Assim, começa-se por definir um valor de tensão e um valor de Potência Ativa de referência.

De seguida, realiza-se um ensaio teórico sem controlo e um ensaio prático sem controlo (a este

corresponde a definir um valor de fator de potência unitário no inversor) para a Potência Ativa de

referência definida.

Depois do ensaio sem controlo, procede-se à ligação da malha de controlo na simulação teórica, define-

se a tensão de referência já estipulada e o valor limite de Potência Ativa de referência e obtém-se os

valores teóricos da tensão (que deverá estar limitada ao valor definido), da corrente, Potência Ativa e

fator de potência.

Após o ensaio teórico com controlo, configuram-se os parâmetros obtidos teoricamente, como a

Potência Ativa e o fator de potência no programa Sunny Explorer e verificam-se os resultados

experimentais.

É importante referir que em cada medição prática, o ensaio executado é precedido de uma configuração

de Potência Ativa nula no programa do inversor.

A Figura 3.5 apresenta um exemplo de configuração dos parâmetros de Potência Ativa e fator de

potência no programa de configuração e controlo do inversor, Sunny Explorer. Pode-se verificar a

existência da necessidade de introdução do código de segurança, SMA Grid Guard Code, pela

visualização de uma pequena chave de fendas amarela à frente dos parâmetros que se pretendem

ajustar e modificar.

27

Figura 3.5 - Exemplo de configuração do Sunny Explorer.

28

29

4. Apresentação e análise de resultados

Neste capítulo apresentam-se os resultados obtidos, tanto teóricos, através da simulação

Matlab/Simulink, bem como experimentais. Desta forma, consegue-se obter uma perspetiva crítica

acerca da validade do modelo teórico do microgerador.

No decorrer do processo experimental fizeram-se vários ensaios em cinco níveis de Potência Ativa e

em cada um desses níveis, limitou-se a tensão para diversos valores de referência.

Em cada ensaio é apresentada uma tabela contendo os valores teóricos e experimentais obtidos, um

gráfico que representa a evolução dos valores obtidos e uma tabela com os erros relativos dos valores

experimentais face aos teóricos.

Nas medidas efetuadas foram utilizados os medidores de Potência Fluke e o software de controlo do

inversor, Sunny Explorer.

Existem dois ensaios mais detalhados, onde é apresentada mais informação de forma a fornecer

diferentes perspetivas sobre os dados obtidos, nomeadamente um ensaio onde se tem como Potência

Ativa de referência o valor de 2000 W com a tensão de referência de 250 V, e um ensaio onde a

Potência Ativa de referência é de 2800 W com a tensão de referência de 253 V.

4.1. Potência Ativa de 2000 W

Para este valor de Potência Ativa, tem-se três níveis de referência para a tensão que se quer controlar.

No último nível, o da tensão de referência de 250 V, o ensaio foi ligeiramente alterado de forma a se

obterem mais alguns valores de medição que permitissem fornecer uma perspetiva diferente das

medições obtidas.

A Figura 4.1 ilustra a diferença do sistema com controlo e sem controlo. Através dos valores obtidos,

conclui-se que o sistema foi capaz de controlar a tensão em torno do seu ponto de referência. No

entanto, existe uma redução da Potência Ativa entre as situações sem controlo e com controlo. Essa

redução deve-se ao valor do fator de potência teórico obtido na simulação Simulink, que é baseado nos

valores estimados da topologia da rede, a resistência e indutância.

O fator de potência teórico obtido, é 0,8 (leading), ou seja, a corrente em avanço em relação à tensão.

30

• Tensão de referência de 248 V

Figura 4.1 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 248V e Potência Ativa de referência de 2000W.

Este ensaio é caraterizado pela resistência da rede de 0,98Ω e uma reatância de 0,13Ω (Figura 3.1), o

que resulta num rácio:

7,54R

X

Os erros relativos que representam os erros experimentais em relação aos resultados teóricos da

simulação obtidos neste ensaio, são apresentados na Tabela 4.1.

Tabela 4.1 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 248V e Potência Ativa de referência de 2000W.

Com Controlo Sem Controlo

Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 1,73 -0,06 0 -0,05

Potência Reativa 0,87 5,38

Vinv -0,04 -0,04 0 -0,01

Corrente 0,91 1,97 -0,41 -0,35

Para a situação sem controlo, optou-se por não calcular o erro relativo para a Potência Reativa, pois

este embora exista, pode-se considerar desprezável face à Potência Ativa e a sua contribuição para o

funcionamento do sistema, é muito reduzida. Isto foi feito para todos os ensaios.

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

C/Controlo S/Controlo

Potência Ativa [W] 1623 1651 1622 2000 2000 1999

Potência Reativa [VAr] -1153 -1163 -1215 51,91 48 0

Vinv [V] 248 247,9 247,89 250,3 250,3 250,27

246,5

247

247,5

248

248,5

249

249,5

250

250,5

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]

31

Na Tabela 4.2 apresenta-se a variação da tensão entre o momento em que não se está a injetar energia

na rede, sem MG, e o momento em que começa a injetar energia na rede, com MG. Estes dados

referem-se a dois casos distintos, o caso com controlo e o caso sem controlo. Os aparelhos de medição

utilizados foram dois medidores de potência Fluke.

Em ambos os casos, nota-se um aumento de tensão na rede, no ponto de ligação do microgerador.

Esta é um resultado expectável, dado que se passa a injetar energia na rede. Além disso, à medida

que a potência injetada aumenta, a tensão também irá ser ligeiramente maior.

Tabela 4.2 – Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 248 V e Potência Ativa de referência de 2000 W.


Vrede [V] (sem MG) 228,8 230,4

Vrede [V] (com MG) 230,2 232,4

ΔV [V] 1,4 2


Figura 4.2 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 249 V e Potência Ativa de referência de 2000 W.

Para este ensaio, o valor de fator de potência obtido continua a ser de 0,8 (leading). Nota-se um

aumento da Potência Ativa injetada, bem como um aumento da Potência Reativa absorvida pelo

inversor. Isto deve-se ao facto de, neste ensaio, o valor de referência da tensão ter aumentado em 1V

em relação ao ensaio anterior.

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

C/ Controlo S/Controlo

Potência Ativa [W] 1921 1930 1920 2000 1998 1999


Vinv [V] 249 248,9 248,93 250,3 250,3 250,27

248

248,5

249

249,5

250

250,5

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


32

Este ensaio é caracterizado pela resistência da rede de 0,98Ω e uma reatância de 0,13Ω, o que resulta

num rácio:

7,54R

X

Os erros relativos são apresentados na Tabela 4.3.

Tabela 4.3 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 249 V e Potência Ativa de referência de 2000 W.


Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 0,47 -0,05 -0,1 -0,05

Potência Reativa 0 5,49

Vinv -0,04 -0,03 0 -0,01

Corrente 0,59 2,04 -0,79 -0,01

Na Tabela 4.4 apresenta-se a variação da tensão para o caso em que não se está a injetar energia na

rede, sem MG, e o caso em que se injeta energia na rede, com MG. Neste caso, observa-se um ligeiro

aumento na situação com controlo, isso deve-se ao facto da Potência Ativa injetada neste ensaio ter

aumentado também.

Tabela 4.4 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 249 V e Potência Ativa de referência de 2000 W.


Vrede [V] (sem MG) 231,2 231,3

Vrede [V] (com MG) 232,7 233,2

ΔV [V] 1,6 1,9

33


Neste ensaio em específico realizou-se uma medição a mais de forma a obter uma representação que

espelhasse a forma de onda da tensão em relação à distância. Esses valores são apresentados na

Tabela 4.6 e representados nas Figura 4.3 e Figura 4.5 e a montagem para os realizar é apresentada

pela Figura 4.4.

O resto dos dados, obtidos da mesma maneira que os casos anteriores, são apresentados na Figura

4.3.


O fator de potência teórico obtido através da simulação Simulink tem o valor de 0,83 (leading).

Para este caso particular, existe uma ligeira diferença nos parâmetros da rede de teste. Para a

resistência estimou-se um valor de 1,09Ω e uma reatância de 0,17Ω, o que representa um rácio de:

6, 41R

X


Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explo.


Potência Ativa [W] 2000 2017 2000 2000 2003 2000


Vinv [V] 250 249,9 249,87 251,1 251,1 251,06

249,2

249,4

249,6

249,8

250

250,2

250,4

250,6

250,8

251

251,2

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


34



Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 0,85 0 0,15 0


Vinv -0,04 -0,05 0 -0,02

Corrente 1,18 1,52 0 -0,03

Através da Figura 4.4 medem-se os resultados obtidos que são apresentados na Tabela 4.6 e

representados na Figura 4.5.

Figura 4.4 - Montagem secundária com a bobine auxiliar.

Tabela 4.6 - Tensão obtida em diferentes pontos da montagem.


Vrede [V] 234 234,2

Vaux [V] 234,4 235,2

Vinv [V] 249,9 251,1

35

Figura 4.5 - Valores eficazes das tensões em relação à distância para as situações Com Controlo (a verde) e Sem Controlo (a vermelho). Tensão de referência de 250 V (a laranja) e potência de 2000 W.

Desta forma, consegue-se ter uma noção do perfil da tensão ao longo da rede.

Estes gráficos e resultados permitem mostrar com algum rigor, o perfil da tensão ao longo de uma rede

fictícia.

Para tal, foi necessário proceder a uma pequena alteração na montagem até este ponto efetuada. Essa

alteração consiste na colocação de uma bobine auxiliar entre os terminais da rede de baixa tensão e

os autotransformadores. Assim, calculou-se a reatância dessa bobina auxiliar e da montagem efetuada.

Tendo esses valores, considerou-se a hipótese de mostrar os resultados do perfil da tensão como se

existisse uma rede fictícia representada por um condutor com uma reatância X = 0,1 Ω/km.

Com estas informações, estimou-se uma distância fictícia que permitisse representar a tensão ao longo

dessa rede. O ponto de ligação do microgerador, ou seja, os terminais AC do inversor Sunny Boy,

estimam-se, através da montagem efetuada para este ensaio, estar a 1,6 km do Posto de

Transformação (PT), onde está o transformador trifásico que alimenta as bancadas da rede de baixa

tensão do laboratório.

O ponto intermédio, que está à distância 0,545 km do PT, foi obtido com recurso à bobina auxiliar. Isso

provoca o ligeiro aumento da tensão, entre os terminais da bancada e a bobine auxiliar, ou seja, o

comportamento ocorrido corresponde ao esperado, devido ao aumento da impedância vista dos

terminais AC do inversor.

Os terminais da bancada, assume-se estarem a cerca de 100 m do PT. Esta assunção, deve-se ao

facto de ser extremamente complicado estimar com muito rigor a reatância existente entre os terminais

de baixa tensão da bancada e o PT.

234 234,4

249,9

234,2 235,2

251,1

232

237

242

247

252

0,1 0,545 1,6

Ten

são

[V

]

Distância [km]

36


rede, sem MG, e o caso em que se injeta energia na rede, com MG. Nesta situação, observa-se que a

diferença entre as situações sem controlo e com controlo é mínima. Isso deve-se ao facto de que para

a situação com controlo, se conseguir fazer um controlo em torno do valor de tensão de referência, que

permite estar a injetar uma Potência Ativa de 2000 W, ou seja, o valor de Potência de referência. Isso

é comprovado pelos dados apresentados na Figura 4.3.



Vrede [V] (sem MG) 232,5 232,6

Vrede [V] (com MG) 234 234,2

ΔV [V] 1,5 1,6

O sistema comportou-se da maneira esperada, sendo esse facto verificado na Figura 4.3, onde se

observa a diferença entre a situação em que não existe qualquer tipo de controlo e a situação onde

existe controlo e a tensão torna-se inferior ao valor de referência.

A apresentação dos valores eficazes da tensão em relação à distância é uma apresentação nova até

ao momento neste trabalho. É importante notar, que a montagem efetuada para esta apresentação das

ondas de tensão, foi apenas efetuada neste ensaio e noutro adiante neste trabalho.

Outra nota importante é que a técnica utilizada serviu apenas para se obter uma perspetiva mais

aprofundada da forma como a tensão variaria numa rede real com aquelas características. No contexto

laboratorial, tal ensaio real era muito complicado de executar, tendo esta abordagem permitido

ultrapassar essa impossibilidade. O grupo de autotransformadores utilizado neste ensaio foi o grupo do

modelo Officel com Potência Nominal de Sn = 11,7 kVA.

37


Para este valor de referência para a Potência Ativa, realizaram-se dois ensaios para dois valores

distintos de referência para a tensão.



De acordo com os resultados obtidos e apresentados na Figura 4.6, observa-se que novamente o

sistema funciona de acordo com o que é teorizado. Confirma-se que o sistema se comporta de maneira

diferente para a situação com controlo e sem controlo, como é suposto. A tensão é limitada em torno

do valor de referência, na situação com controlo, e a Potência Ativa, volta a não ser a máxima devido

à limitação da própria tensão.

O fator de potência teórico obtido neste ensaio é de 0,8 (leading).

Em relação aos parâmetros da rede, estimou-se uma resistência da rede de 0,98Ω e uma reatância de

0,13Ω, o que resulta num rácio:

7,54R

X


Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer


Potência Ativa [W] 1921 1931 1919 2200 2195 2199


Vinv [V] 249 248,9 248,87 251 251 251,02

247,5

248

248,5

249

249,5

250

250,5

251

251,5

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


38



Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 0,52 -0,1 -0,23 -0,05


Vinv -0,04 -0,05 0 0,01

Corrente 1,54 1,71 -0,18 -0,29

Com a apresentação dos erros relativos, sustenta-se a constatação de que os resultados práticos estão

de acordo com os resultados teóricos.


rede, sem MG, e o caso em que se injeta energia na rede, com MG. Estes dados referem-se a dois

casos distintos: com controlo e sem controlo.

Note-se que, sem controlo, existe um aumento superior em relação aos ensaios da Potência Ativa de

2000 W, como é suposto. Em relação à situação com controlo, existe um aumento que é semelhante

aos ensaios anteriores, dado que a Potência Ativa injetada neste caso em particular, situa-se na casa

dos 1900 W (ver Figura 4.6, caso dos ensaios com controlo).



Vrede [V] (sem MG) 230,4 231,1

Vrede [V] (com MG) 231,9 233,3

ΔV [V] 1,5 2,2

39



Como é mostrado na Figura 4.7, o sistema efetua corretamente o controlo pretendido. Isto será

comprovado através da apresentação dos erros relativos apresentados na Tabela 4.10.

O fator de potência teórico obtido é de 0,82 (leading).

Em relação aos parâmetros da rede equivalente, estimou-se uma resistência de 0,98Ω e uma reatância

de 0,13Ω, o que resulta num rácio:

7,54R

X

Os erros para este ensaio são apresentados na Tabela 4.10.

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer


Potência Ativa [W] 2200 2235 2199 2200 2222 2199


Vinv [V] 250 249,8 249,76 251 250,9 250,9

249

249,2

249,4

249,6

249,8

250

250,2

250,4

250,6

250,8

251

251,2

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


40



Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 1,59 -0,05 1 -0,05


Vinv -0,08 -0,1 -0,04 0,04

Corrente 1,51 1,58 -1,19 -0,01

Na Tabela 4.11 apresenta-se variação da tensão para o caso em que não se está a injetar energia na


casos distintos, o caso com controlo e o caso sem controlo.

Verifica-se que desta vez se nota um aumento da variação da tensão superior aos apresentados nos

ensaios anteriores. Isso deve-se ao facto da Potência Ativa injetada, neste caso, estar em torno dos

valores 2200 W, para ambas as situações (sem controlo e com controlo), como se pode verificar na

Figura 4.7.



Vrede [V] (sem MG) 230,5 231,1

Vrede [V] (com MG) 232,2 233,4

ΔV [V] 1,7 2,3


Para este valor de referência para a Potência Ativa, realizaram-se três ensaios para três valores

distintos de referência para a tensão.

41



De acordo com os resultados apresentados para este ensaio, a Potência Ativa, não chega a atingir a

Potência de referência na situação com controlo. Isso deve-se ao valor definido para a tensão de

referência e da própria topologia da rede, o que faz com que para que o sistema seja corretamente

controlado, o próprio tenha que injetar menos Potência na rede.

O fator de potência teórico obtido para este ensaio é de 0,8 (leading).

Em relação aos parâmetros da rede equivalente, estimou-se uma resistência de 0,98Ω e uma reatância

de 0,13Ω, o que resulta num rácio:

7,54R

X


Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer


Potência Ativa [W] 1921 1930 1919 2400 2396 2399


Vinv [V] 249 248,9 248,89 251,8 251,7 251,74

247

247,5

248

248,5

249

249,5

250

250,5

251

251,5

252

252,5

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


42



Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 0,47 -0,1 -0,17 -0,04

Potência Reativa 0 5,42

Vinv -0,04 -0,04 -0,04 0,02

Corrente 0,7 1,98 -0,15 -0,12

Na Tabela 4.13 apresenta-se a variação da tensão entre o caso em que não se está a injetar energia

na rede, sem MG, e o caso em que se injeta energia na rede, com MG. Estes dados referem-se a dois

casos distintos, o caso Com Controlo e o caso Sem Controlo.

Observa-se que em comparação com o ensaio anterior (ver Tabela 4.11) existe uma diminuição do

aumento da tensão para situação com controlo e um aumento para a situação sem controlo. Isto deve-

se ao facto de que neste ensaio a situação sem controlo tem uma Potência Ativa de 2400 W, ou seja,

superior ao ensaio anterior.

Na situação com controlo, a Potência Ativa injetada está em torno dos 1900 W, devido ao controlo estar

a ser corretamente efetuado. Este valor é inferior ao do ensaio anterior (que estava na casa dos

2200W).



Vrede [V] (sem MG) 230,6 230,6

Vrede [V] (com MG) 231,9 233,1

ΔV [V] 1,3 2,5

43



Neste ensaio, note-se que o controlo é corretamente efetuado. No entanto, a Potência Ativa injetada,

quando o controlo está ativo, é menor do que a de referência. Isso deve-se ao facto de o sistema querer

manter a tensão no valor de referência e também devido à própria impedância da rede.

Para esta situação, obteve-se um fator de potência teórico de 0,8 (leading).

Em relação aos parâmetros da rede, estimou-se uma resistência de 0,98Ω e uma reatância de 0,14Ω,

o que resulta num rácio:

7R

X


Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer


Potência Ativa [W] 2242 2274 2241 2400 2419 2399


Vinv [V] 250 249,7 249,68 251,8 251,7 251,69

248,5

249

249,5

250

250,5

251

251,5

252

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


44



Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 1,43 -0,04 0,79 -0,04


Vinv -0,12 -0,13 -0,04 -0,04

Corrente 1,73 2,15 0,9 0,07

Na Tabela 4.15 apresenta-se variação da tensão entre o caso em que não se está a injetar energia na


casos distintos, o caso Com Controlo e o caso Sem Controlo.

Observa-se que as variações de tensão estão a ser cada vez maiores devido ao valor de referência da

Potência Ativa ser também cada vez maior.



Vrede [V] (sem MG) 231,3 231,6

Vrede [V] (com MG) 233,2 233,8

ΔV [V] 1,9 2,2

45



De acordo com os resultados apresentados, neste ensaio o sistema consegue controlar a tensão de

acordo com o seu valor de referência bem como manter a Potência Ativa injetada de acordo com o seu

valor de referência.

Note-se que, embora pareçam pequenas as diferenças de tensão entre a situação sem controlo e com

controlo, o controlo é efetivamente efetuado, bastando para tal observar os valores da Potência Reativa

a ser absorvida pelo inversor.

Neste ensaio, o fator de potência obtido tem o valor de 0,9 (leading). A topologia da rede, é igual à do

ensaio anterior a este. Ou seja, estimou-se uma resistência da rede de 0,98Ω e uma reatância de


7R

X

Em relação aos erros relativos, estes são apresentados na Tabela 4.16.

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer


Potência Ativa [W] 2400 2430 2399 2400 2418 2398


Vinv [V] 251 250,8 250,78 251,8 251,6 251,55

250,2

250,4

250,6

250,8

251

251,2

251,4

251,6

251,8

252

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Te

nsã

o

Po

tên

cia

s A

tiva

e R

ea

tiva


46



Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 1,25 -0,04 0,75 -0,08


Vinv -0,08 -0,09 -0,08 -0,1

Corrente 1,72 1,4 0,8 0,29

Neste ensaio, obtemos um valor de erro relativo para a Potência Reativa superior aos anteriores,

usando os valores medidos pelo programa do fabricante do microgerador, Sunny Explorer. No entanto,

este erro é aceitável pois situa-se dentro dos valores limites de ±10%.

Na Tabela 4.17 apresenta-se a variação da tensão entre o momento em que não se está a injetar

energia na rede, sem MG, e o momento em que começa a injetar energia na rede, com MG.



Vrede [V] (sem MG) 230,6 231,4

Vrede [V] (com MG) 232,7 234

ΔV [V] 2,1 2,6

47


Para este valor de referência para a Potência Ativa, realizaram-se três ensaios distintos com valores

de tensão de referência diferentes.



À medida que se aumenta a Potência Ativa a ser injetada na rede, observa-se que estamos numa

situação que envolve tensões maiores no ponto de injeção. Esta afirmação é confirmada pela situação

Sem Controlo, em que a tensão chega a atingir valores de 252 V.

Observa-se o correto funcionamento do sistema de controlo, uma vez que a tensão obtida está de

acordo com a tensão de referência. A Potência Reativa aumenta, estando este resultado de acordo

com o que é esperado, pois à medida que se trabalha com Potências Ativas superiores, maior terá que

ser a Potência Reativa, para garantir que a tensão esteja dentro do valor definido.

Observa-se também neste ensaio, que a Potência Ativa, é ligeiramente inferior à definida pela Potência

Ativa de referência. Isto deve-se ao fator de potência obtido, dado pela topologia da rede.

O fator de Potência obtido é de 0,8 (leading). Em relação aos parâmetros da rede equivalente, estimou-

se uma resistência de 0,98Ω e uma reatância de 0,18Ω, o que resulta num rácio:

5, 44R

X

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer


Potência Ativa [W] 2506 2438 2399 2600 2603 2599


Vinv [V] 250 249,8 249,75 252 252 251,98

248,5

249

249,5

250

250,5

251

251,5

252

252,5

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


48

Observa-se que este é um rácio inferior aos estimados anteriormente. Isto deve-se ao facto de que de

ensaio para ensaio, os parâmetros da rede real serem extremamente voláteis. Além disso, é

extremamente complicado estimar os parâmetros dos dois autotransformadores utilizados para os

ensaios. De qualquer forma, o valor do rácio está dentro dos parâmetros aceitáveis para uma rede de

baixa tensão, pelo que se podem considerar os resultados obtidos nos ensaios efetuados.

Os erros relativos para este determinado ensaio, estão apresentados na Tabela 4.18.



Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 2,71 -4,27 0,12 -0,04

Potência Reativa -2,58 1,01

Vinv -0,08 -0,1 0 -0,1

Corrente -2,44 -2,24 0,39 -0,1

Na Tabela 4.19 apresenta-se a variação da tensão para o caso em que não se está a injetar energia

na rede, sem MG, e o caso em que se injeta energia na rede, com MG.



Vrede [V] (sem MG) 229,7 229,7

Vrede [V] (com MG) 231,7 232,1

ΔV [V] 2 2,4

Constata-se que à medida que se aumenta a Potência Ativa a ser injetada na rede, maior será a

diferença de tensão entre a situação sem MG e com MG. Desta forma, os resultados estão dentro dos

valores esperados.

49



Conforme se observa pela Figura 4.12, a Potência Ativa fornecida pelo microgerador aproxima-se da

Potência Ativa de referência, e a Potência Reativa diminui, em relação ao ensaio anterior. Isto deve-se

a três fatores. A tensão de referência, para a situação com controlo, é superior em 1V. A topologia da

rede sofreu alterações e o fator de potência aumentou.

Neste ensaio, obteve-se um fator de potência de 0,85 (leading) dado pela simulação. Os parâmetros

da rede foram estimados como tendo uma resistência da rede de 0,95Ω e uma reatância de 0,16Ω, o

que resulta num rácio:

5,94R

X

Os erros relativos, que confirmam o correto funcionamento do sistema e resultados obtidos, são

apresentados na Tabela 4.20.



Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa -0,31 -0,08 0,08 -0,04


Vinv -0,04 -0,05 -0,04 -0,06

Corrente -0,17 -0,3 0 -0,05

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer


Potência Ativa [W] 2600 2592 2598 2600 2602 2599


Vinv [V] 251 250,9 250,87 252,3 252,2 252,15

250

250,5

251

251,5

252

252,5

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


50

Na Tabela 4.21 apresenta-se a variação da tensão entre o caso em que não se está a injetar energia

na rede, sem MG, e o caso em que se injeta energia na rede, com MG.



Vrede [V] (sem MG) 229,8 229,8

Vrede [V] (com MG) 232,3 232,3

ΔV [V] 2,5 2,5



Embora neste ensaio pareça que não exista controlo, o mesmo acaba por existir. Isso é verificado pelos

valores da tensão estarem dentro do limite de referência (252 V) e pelo facto de haver Potência Reativa

a ser absorvida pelo microgerador, que embora seja pequena, existe. Isso é também comprovado pelo

fator de potência obtido na simulação.

O fator de potência obtido para este ensaio é de 0,99 (leading), quase unitário.

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explo.


Potência Ativa [W] 2600 2610 2599 2600 2603 2598

Potência Reativa [VAr] -337,8 -311 -369 67,49 55 0

Vinv [V] 252 251,9 251,89 252,3 252,1 252,07

251,6

251,7

251,8

251,9

252

252,1

252,2

252,3

252,4

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


51

Neste ensaio, os parâmetros da rede foram estimados como tendo uma resistência de 0,95Ω e uma

reatância de 0,135Ω, o que resulta num rácio:

7,04R

X

Confirma-se assim o correto funcionamento do sistema e a validade dos resultados obtidos.

Os erros relativos, corroboram mais uma vez o correto funcionamento do sistema para neste ensaio.



Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 0,38 -0,04 0,12 -0,08


Vinv -0,04 -0,04 -0,08 -0,09

Corrente 0,19 0,1 0,1 -0,04

Observa-se que neste ensaio, o valor do erro relativo da Potência Reativa aproxima-se do limite dos

10%. Isto deve-se ao facto de ser extremamente complicado definir com muito rigor o valor da

resistência e da reatância. De qualquer forma, os valores continuam a ser aceitáveis e comprovam o

correto funcionamento do sistema.

Na Tabela 4.23 apresenta-se a variação tensão entre a situação em que não se está a injetar energia

na rede, sem MG, e a situação em que se injeta energia na rede. Estes dados referem-se a dois casos

distintos, o caso Com Controlo e o caso Sem Controlo.



Vrede [V] (sem MG) 230,2 230,6

Vrede [V] (com MG) 232,3 233,1

ΔV [V] 2,1 2,5

52

4.5. Potência Ativa de 2800W

Este é o último nível de referência para Potência Ativa e é o nível mais importante, dado que é a partir

deste valor de Potência Ativa a ser injetada, que o sistema de microgeração utilizado entrou numa

situação de sobretensão, fazendo com que o inversor se desligasse, por alguns minutos, até que a

tensão na rede a que está ligado descesse novamente, para que ele pudesse rearmar o seu

funcionamento e voltar a injetar energia na rede.

É a análise deste fenómeno e o estudo de uma solução relacionada com o controlo da Potência Ativa

e Reativa, que se pretende com este trabalho, de forma a ajudar a reduzir e eliminar a existência dessas

sobretensões e desses momentos em que o sistema de microgeração não está a produzir energia

devido às mesmas.

Para este valor Potência são apresentados quatro níveis diferentes para a tensão de referência a ser

controlada, 250 V, 251 V, 252 V e 253 V.

No último nível da tensão de referência, com o valor de 253 V, é fornecida uma apresentação com base

numa montagem alternativa, semelhante ao que aconteceu com a tensão de referência de 250 V com

o valor de Potência Ativa de 2000 W.

Embora se possam considerar níveis de Potência Ativa superiores a 2800 W, na prática isso é

impossível, mesmo que o inversor utilizado na montagem laboratorial seja de 3 kW.

Esta situação deve-se ao facto de o próprio inversor ter um limitador interno de Potência Aparente, S.

Como o modelo teórico da simulação Simulink utilizado, não tem em consideração esta limitação, os

resultados obtidos para situações de Potência Ativa superiores a 2800 W não são os mesmos que os

obtidos no laboratório.

Por causa desta limitação, neste nível de Potência Ativa, teve-se que utilizar um grupo diferente de

autotransformadores que permitem, aumentar a impedância equivalente da rede ligada à saída do

inversor, de forma a que se pudesse obter valores de fator de potência corretos, e estimar valores de

parâmetros da rede equivalentes, que por sua vez não provoquem o consumo excessivo de Potência

Reativa, que acabaria por atingir o limite interno de Potência Aparente do inversor e limitar, na prática

o valor da Potência Ativa a ser injetada pelo próprio na rede.

Os dois grupos de autotransformadores utilizados são os que foram descritos no Capítulo 3. Para o

ensaio com a tensão de referência de 250 V, os autotransformadores utilizados, são os Metrel com

Potência nominal de Sn = 10,14 kVA. Para os restantes níveis de tensão de referência, são utilizados

os autotransformadores da marca Officel, com Potência nominal de Sn = 11,7 kVA.

53



De acordo com os resultados obtidos pela simulação teórica, para se controlar o microgerador com

uma tensão de referência de 250 V, basta injetar na rede cerca de 2341 W. Os resultados

experimentais, confirmam que os valores obtidos para a tensão e Potência Reativa, estão de acordo

com os estimados pela simulação.

O fator de potência, obtido pela simulação é de 0,8 (leading).

No que toca aos parâmetros da rede, estimou-se uma resistência de 0,94Ω e uma reatância de 0,135Ω,

o que resulta num rácio:

6,96R

X

Os erros relativos são apresentados na Tabela 4.24 e confirmam o correto funcionamento da montagem

laboratorial face à simulação teórica.

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp.S.Explo.


Potência Ativa [W] 2341 2362 2338 2800 2803 2801


Vinv [V] 250 249,9 249,89 252,9 252,7 252,7

248

248,5

249

249,5

250

250,5

251

251,5

252

252,5

253

253,5

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


54



Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 0,9 -0,13 0,11 0,04


Vinv -0,04 -0,04 -0,08 -0,08

Corrente 1,04 1,8 0,27 -0,07

Novamente, a Tabela 4.25 apresenta a variação da tensão entre o caso em que não se está a injetar

energia na rede, sem MG, e o caso em que se injeta energia na rede, com MG.



Vrede [V] (sem MG) 230,5 229,9

Vrede [V] (com MG) 232,2 232,3

ΔV [V] 1,7 2,4

De forma a mostrar o correto funcionamento do modelo teórico, e por sua vez, da montagem

experimental, apresentam-se três figuras onde se visualiza a correta desfasagem entre a tensão e a

corrente para este ensaio. Relembra-se que neste caso, o fator de potência obtido pela simulação é de

0,8, com a corrente em avanço em relação à tensão.

Figura 4.15 – Formas de onda obtidas para a tensão (vermelho) e para a corrente (azul), obtida na simulação Matlab/Simulink com fp=0,8.

55

Na Figura 4.15, observa-se o desfasamento entre a tensão e a corrente, estando a corrente em avanço

em relação à tensão. A escala da corrente está multiplicada por um fator de 10 para se tornar legível

face à tensão. A tensão e a corrente estão representadas em ordem ao tempo.

Figura 4.16 – Formas de onda obtidas para a tensão (CH1) e para a corrente (CH2), obtidas no laboratório, para fp=0,8 e potência de 2800 W.

Figura 4.17 - Formas de onda obtidas para a tensão (CH1) e para a corrente (CH2), com uma escala diferente da figura anterior, obtidas no laboratório para fp=0,8.

As figuras anteriores mostram a semelhança entre o resultado teórico e o ensaio experimental. A

diferença das imagens está apenas relacionada com as escalas dos eixos, sendo que o essencial, o

desfasamento entre a tensão e a corrente, está correto e de acordo com o esperado que corresponde

a 36.87 º.

56


A partir deste ensaio, utiliza-se outro conjunto de autotransformadores com uma maior Potência

Nominal e por sua vez, maior impedância. O conjunto utilizado passa a partir de agora a ser o do

modelo Officel, com Potência Nominal de Sn = 11,7 kVA.

Os resultados obtidos para este ensaio são apresentados na Figura 4.18.


O valor da Potência Ativa entregue pelo microgerador à rede, não se aproxima muito (embora o erro

relativo seja desprezável) do valor definido pela simulação teórica. Isto deve-se ao limitador interno do

microgerador.

No entanto, confirma-se o correto funcionamento do sistema, no que toca ao limite da tensão de

referência definida em torno dos 251 V, bem como a diferença de comportamento da situação sem

controlo para a situação com controlo.

O fator de potência obtido neste ensaio é de 0,88 (leading).

Em relação à rede, estimou-se uma resistência de 0,87Ω e uma reatância de 0,16Ω, o que resulta num

rácio:

5, 44R

X

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp.S.Explo.


Potência Ativa [W] 2800 2726 2692 2800 2802 2800


Vinv [V] 251 250,9 250,88 252,2 252,2 252,16

250

250,5

251

251,5

252

252,5

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


57

Os erros relativos em relação aos resultados teóricos são apresentados na Tabela 4.26 e comprovam

o correto funcionamento do sistema.



Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa -2,64 -3,86 0,07 0


Vinv -0,04 -0,05 0 -0,02

Corrente -1,85 -1,78 0,09 -0,11

Verifica-se um erro relativo da Potência Ativa, ligeiramente superior aos obtidos anteriormente. No

entanto, está dentro do limite aceitável -10 %. Desta forma, os resultados práticos estão aceitáveis em

relação aos teóricos.

Na Tabela 4.27 apresenta-se a variação da tensão obtida quando o microgerador não está ligado e

quando está ligado e a injetar energia na rede.

Confirma-se uma vez mais o aumento da tensão quando o sistema de MG está ligado.



Vrede [V] (sem MG) 236,7 236,5

Vrede [V] (com MG) 238,6 239,5

ΔV [V] 1,9 3

58


Os resultados obtidos neste ensaio são apresentados na Figura 4.19.


Na situação anterior, a tensão de referência é de 251 V, o que representa um controlo mais agressivo

em relação ao controlo efetuado neste ensaio em que a tensão de referência é de 252 V. Isso permite

que o fator de potência seja maior, o que será mostrado de seguida, e que a potência injetada na rede

seja de facto semelhante à que é verificada na simulação. Como o fator de potência aumentou, a

Potência Reativa consumida pelo microgerador diminuiu em módulo, o que afasta o ensaio

experimental do limite interno de Potência Aparente do microgerador.

O fator de potência neste ensaio, obtido pela simulação, é de 0,92 (leading).

Os parâmetros estimados para a rede são uma resistência da rede de 0,954Ω e uma reatância de


5,3R

X

Os erros relativos que permitem validar os resultados experimentais obtidos face aos teóricos, são

apresentados na Tabela 4.28.

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explo.


Potência Ativa [W] 2800 2814 2798 2800 2800 2800


Vinv [V] 252 251,9 251,89 253,1 253,1 253,06

251,2

251,4

251,6

251,8

252

252,2

252,4

252,6

252,8

253

253,2

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


59



Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 0,5 -0,07 0 0


Vinv -0,04 -0,04 0 -0,02

Corrente 0,67 0,65 0,09 -0,03

Conclui-se que os resultados obtidos experimentalmente possuem erros muito inferiores ao limite de

±10%.


energia na rede, sem MG, e o momento em que se começa a injetar energia na rede, com MG.



Vrede [V] (sem MG) 234,3 232,8

Vrede [V] (com MG) 236,5 235,8

ΔV [V] 2,2 3

De seguida, apresenta-se o último ensaio experimental em que se limita a tensão, ao valor máximo

definido pela norma EN 50160 [5].

60


Para este valor de tensão os resultados vão ser apresentados em dois grupos diferentes.

A diferença entre os dois grupos é a montagem que se realizou para se conseguir medir os valores

eficazes da tensão em relação à distância.

Assim, os primeiros resultados a serem apresentados, serão os resultados dos ensaios sem a bobine

auxiliar.

Regressando novamente à montagem principal realizada ao longo do trabalho, os resultados obtidos

para este nível de tensão e Potência Ativa, são apresentados na Figura 4.20.

Figura 4.20 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 253 V e Potência Ativa de referência de 2800 W. Montagem principal.

A Figura 4.20 ilustra a diferença entre a situação sem controlo e a situação com controlo. Observa-se

que os valores da tensão estão de acordo com a tensão de referência, o que comprova o correto

funcionamento do controlo do sistema.

Neste ensaio limitou-se a tensão de referência ao valor máximo imposto pela norma. Note-se que numa

situação sem controlo, e para a topologia de rede considerada, o valor da tensão ultrapassaria o valor

máximo permitido.

No entanto, com o controlo ativo, mostra-se que o sistema consegue injetar a Potência Ativa de

referência na rede sem ultrapassar a tensão limite de 253 V.

O fator de potência obtido para este ensaio é de 0,98 (leading).

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explo.


Potência Ativa [W] 2800 2807 2799 2800 2800 2800

Potência Reativa [VAr] -524,3 -509 -567 72,69 57 0

Vinv [V] 253 252,9 252,87 253,4 253,4 253,41

252,6

252,7

252,8

252,9

253

253,1

253,2

253,3

253,4

253,5

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


61

Em relação às características da rede, estimou-se uma resistência de 0,99Ω e uma reatância de


6,69R

X

Este valor está dentro dos valores típicos das redes de Baixa Tensão.

Os erros relativos, para este ensaio são apresentados na Tabela 4.30 e mostram o correto

funcionamento do sistema em relação à simulação teórica.

Tabela 4.30 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 253 V e Potência Ativa de referência de 2800 W. Montagem principal.


Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 0,25 -0,04 0 0


Vinv -0,04 -0,05 0 -0,003

Corrente 0,27 0,44 0 0,04

Verifica-se a existência de um ligeiro erro em relação à Potência Reativa. Isto deve-se à dificuldade de

se conseguir estimar com maior rigor a resistência e reatância da rede equivalente na montagem de

laboratório.

No entanto, comprova-se que todos os valores estão dentro do limite de erro aceitável, o que significa

a correta validação dos resultados teóricos num contexto laboratorial e experimental.

Na Tabela 4.31 apresenta-se a variação da tensão, quando não se está a injetar energia na rede, sem

MG, e quando se injeta energia na rede, com MG.

Tabela 4.31 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 253 V e Potência Ativa de referência de 2800 W. Montagem principal.


Vrede [V] (sem MG) 233,7 233,9

Vrede [V] (com MG) 235,9 236,4

ΔV [V] 2,2 2,5

62

A partir deste ponto do trabalho, serão apresentados os resultados obtidos a partir da montagem

secundária (ver Figura 4.4) efetuada, de forma a se poder conseguir reproduzir a forma de onda da

tensão.

A montagem é igual à que foi explicada no ensaio da tensão de referência de 250 V no nível de Potência

Ativa de 2000 W.

Os resultados obtidos estão disponíveis na Figura 4.21.

Figura 4.21 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 253 V e Potência Ativa de referência de 2800 W. Montagem secundária.

Embora a montagem seja diferente da principal, o modelo teórico continua a fornecer dados que

permitem obter resultados práticos coerentes e que revelam o correto funcionamento do sistema.

Neste caso, o fator de potência obtido tem o valor 0,92 (leading).

Para esta situação, já com a bobine auxiliar instalada na montagem, estima-se uma resistência de

1,04Ω e uma reatância de 0,16Ω, o que reflete um rácio de:

6,5R

X

Observando os erros relativos, apresentados na Tabela 4.32, verifica-se que o sistema está dentro dos

limites apropriados e que funciona como esperado.

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explorer

Sim.Exp.Fluke

Exp. S.Explo.


Potência Ativa [W] 2800 2820 2800 2800 2805 2800


Vinv [V] 253 252,9 252,87 254 254,1 254,04

252,2

252,4

252,6

252,8

253

253,2

253,4

253,6

253,8

254

254,2

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Te

nsã

o

Po

tên

cia

Ativa

e R

ea

tiva


63

Tabela 4.32 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 253 V e Potência Ativa de referência de 2800 W. Montagem secundária.


Erro Fluke

Erro S. Exp

Erro Fluke

Erro S. Exp

Potência Ativa 0,71 0 0,18 0


Vinv -0,04 -0,05 0,04 0,02

Corrente 0,67 0,75 0,09 -0,18


energia na rede, sem MG, e o momento em que se começa a injetar energia na rede, com MG.

Note-se no aumento da diferença de tensão em relação aos ensaios com Potências Ativas menores.

Com o aumento da Potência Ativa verifica-se o aumento da diferença de tensão no ponto de ligação

da rede.

Tabela 4.33 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 253 V e Potência Ativa de referência de 2800 W. Montagem secundária.


Vrede [V] (sem MG) 231,8 232,4

Vrede [V] (com MG) 234,4 234,9

ΔV [V] 2,6 2,5

Tabela 4.34 - Tensão obtida em diferentes pontos da montagem.


Vrede [V] 234,4 234,9

Vaux [V] 235,4 236,4

Vinv [V] 252,9 254,1

Através da Tabela 4.34, conseguem-se representar os valores eficazes da tensão em relação à

distância, apresentadas nas figuras seguintes.

64

Figura 4.22 - Valores eficazes das tensões em relação à distância para as situações Com Controlo (a verde) e Sem Controlo (a vermelho) e o valor limite da norma EN50160, 253 V. (Laranja)

Observa-se assim que a evolução da tensão em relação à distância ocorre da maneira esperada.

As próximas figuras mostram as formas de onda da corrente e a tensão, obtidas através da simulação

teórica e da montagem laboratorial, e que evidenciam a desfasagem que corresponde a um fator de

potência de 0,92.

Figura 4.23 – Formas de onda obtidas para a tensão (vermelho) e para a corrente (azul), obtida na simulação Matlab/Simulink com fp=0,92.

234,4235,4

252,9

234,9 236,4

254,1

232

237

242

247

252

257

0,1 0,545 1,6

Ten

são

[V

]

Distância [km]

65

Na Figura 4.23, observa-se o desfasamento teórico entre a tensão e a corrente, estando a corrente em

avanço em relação à tensão. A escala da corrente está multiplicada por um fator de 10 para que a

forma de onda da corrente seja facilmente comparável com a da tensão.

Figura 4.24 – Formas de onda obtidas para a tensão (CH1) e para a corrente (CH2), obtidas no laboratório, para fp=0,92.

Observa-se assim, a semelhança entre os resultados obtidos através do modelo teórico e a montagem

experimental, o que mais uma vez revela o correto funcionamento do sistema.

É ainda apresentada mais uma figura onde se mostra o sistema a funcionar sem qualquer desfasagem

entre a tensão e a corrente, ou seja, com um fator de potência unitário. Este funcionamento é

apresentado na Figura 4.25.

Figura 4.25 – Formas de onda obtidas para a tensão (CH1) e para a corrente (CH2), obtidas no laboratório, para fator de potência unitário.

66

De notar que esta situação, não corresponde diretamente a um ensaio prático dependente do resultado

teórico, mas sim apenas e só a uma configuração no programa de controlo do inversor, o Sunny

Explorer, que permite configurar o sistema da forma que o utilizador pretender. Neste caso, configurou-

se para injetar a Potência de 2800 W com um fator de potência unitário.

4.6. Resultados Finais

Apresentam-se de seguida alguns gráficos que mostram, em resumo, o sistema a controlar a tensão

para os diversos níveis de potência de referência.

Em todas as figuras, mostra-se o comportamento do sistema para um determinado valor de tensão de

referência e os vários níveis de potência analisados no decorrer dos ensaios experimentais. Os

apresentados são as medições realizadas a partir do programa Sunny Explorer.

A partir da Figura 4.26 conclui-se que em todos os casos existe uma redução da Potência Ativa a ser

injetada na rede. A tensão é sempre controlada e mantida num valor inferior ao de referência e

é devido este valor que o sistema acaba por não injetar tanta potência como pretendido. Em relação à

Potência Reativa esta mantém-se estável para diferentes valores de Potência Ativa.

Figura 4.26 - Apresentação de P, Q e V para a tensão de referência de 250 V. Situações com

controlo.

2200 2400 2600 2800

Potência Reativa [VAr] -1533 -1679 -1799 -1753

Potência Ativa [W] 2199 2241 2399 2338

Vinv [V] 249,76 249,68 249,75 249,89

249,5

249,55

249,6

249,65

249,7

249,75

249,8

249,85

249,9

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ten

são

[V

]

Po

tên

cia

Ati

va [

W]

e R

eati

va [

VA

r]

Potências de Referência


67



2400 2600 2800

Potência Reativa [VAr] -1162 -1579 -1453

Potência Ativa [W] 2399 2598 2692

Vinv [V] 250,78 250,87 250,88

250,65

250,7

250,75

250,8

250,85

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ten

são

[V

]

Po

tên

cia

Ati

va [

W]

e R

eati

va [

VA

r]



2600 2800

Potência Reativa [VAr] -369 -1190

Potência Ativa [W] 2599 2798

Vinv [V] 251,89 251,89

0

50

100

150

200

250

300

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ten

sões

[V

]

Po

tên

cia

Ati

va [

W]

e R

eati

va [

VA

r]



68


A partir da Figura 4.26 conclui-se que em todos os casos existe uma redução da Potência Ativa a ser

injetada na rede. A tensão é sempre controlada e mantida num valor inferior ao de referência e

é devido este valor que o sistema acaba por não injetar tanta potência como pretendido. Em relação à

Potência Reativa esta mantém-se estável para diferentes valores de Potência Ativa.

Na Figura 4.27, observa-se que como a tensão de referência já aumentou 1 V, torna-se mais fácil para

o sistema injetar mais Potência Ativa na rede. Além disso, verifica-se que a Potência Reativa diminui

também.

No caso da Figura 4.28 nota-se que no caso da potência de referência de 2600 W, a Potência Ativa

injetada é a que se pretende e que a tensão é controlada através da Potência Reativa absorvida pelo

microgerador.

Em comparação com o caso da potência de referência de 2800 W, a Potência Reativa é superior, mas

isso não impede que o sistema também consiga controlar a tensão dentro do valor pretendido e que a

Potência Ativa injetada seja a configurada também.

Por fim, na Figura 4.29, observa-se a presença das duas montagens distintas. Através do valor da

Potência Reativa absorvida, verifica-se o aumento da impedância vista pelo microgerador. Desta forma,

os resultados são os esperados, pois como a impedância é maior, isso faz com que a Potência Reativa

absorvida seja maior também. No entanto, a tensão mantém-se controlada dentro dos valores definidos

e a Potência Ativa injetada é a que é desejada.

Principal Secundária

Potência Reativa [VAr] -567 -1190

Potência Ativa [W] 2799 2800

Vinv [V] 252,87 252,87

0

50

100

150

200

250

300

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ten

são

[V

]

Po

tên

cia

Ati

va [

W]

e R

eati

va [

VA

r]

Potência de Referência de 2800 W


69

5. Conclusões

Neste trabalho é realizada uma validação experimental, embora condicionada pelas condições

laboratoriais e de equipamento, de um sistema de controlo para mitigação da sobretensão provocada

por um sistema de microgeração.

A solução em causa passou primeiro pela identificação de uma possível sobretensão dependendo da

configuração de rede em que se estava a injetar energia elétrica, seguida da simulação em ambiente

Matlab/Simulink de um modelo representativo da montagem laboratorial em causa. Dessa forma,

obtiveram-se os resultados teóricos de potência ativa e de fator de potência que serviram de controlo

do inversor.

Utilizando esses valores no inversor, analisa-se o impacto que esses comandos têm na redução da

sobretensão, nomeadamente se esta é eliminada e se o sistema de microgeração fica a funcionar

dentro dos limites impostos pela norma NP EN 50160, garantindo desta forma a correta correção da

situação de sobretensão.

Com os resultados obtidos através dos ensaios laboratoriais, consegue-se verificar que o modelo

teórico funciona na sua generalidade. Existem, no entanto, limitações, nomeadamente, a limitação que

o próprio inversor faz ao nível da Potência Aparente que não é considerada no modelo teórico. No

entanto, e mesmo o inversor tendo essa limitação real, o controlo da Potência Ativa e Reativa (através

do ajuste do fator de potência), ajudam a controlar e a eliminar as situações de sobretensão.

No que toca aos erros obtidos, o erro médio no controlo da Potência Ativa situa-se nos 0,34 % (com

medições feitas com o Fluke) e -0,56 % (valores medidos no programa Sunny Explorer). O erro máximo

do controlo da Potência Ativa obtido é de -2,71 % (Fluke) e -4,27 % (Sunny Explorer).

Em relação ao controlo da Potência Reativa, o erro médio obtido é de -0,46 % (Fluke) e de 5,39 %

(Sunny Explorer). O erro máximo registado é de -7,93 % (Fluke) e de 9,24 % (Sunny Explorer).

Por fim, o erro médio associado ao controlo da tensão obtido é de -0,05 (Fluke) e de -0,06 % (Sunny

Explorer). No que toca ao erro máximo obtido tem-se -0,12 % (Fluke) e de -0,13 (Sunny Explorer).

Conclui-se assim que em relação aos erros, as experiências e resultados se podem considerar válidos.

Em nenhum dos casos os erros passaram o limiar aceitável de ± 10 %.

Nos objetivos do presente trabalho, pretendia-se também a averiguação de uma possível

implementação automática da solução apresentada e trabalhada. Essa implementação automática,

passaria pela análise em tempo real do valor eficaz da tensão no ponto de injeção de potência,

detenção da situação de sobretensão, execução da simulação Matlab/Simulink, obtenção dos

respetivos resultados teóricos e respetiva ordem de comando ao controlo do Inversor com os resultados

teóricos obtidos.

70

A implementação deste tipo de configuração seria um avanço considerável na implementação de

soluções para mitigação da sobretensão.

No entanto, tal implementação automática sem interação humana, foi impossível de ser implementada.

Isso deveu-se ao facto de o inversor utilizado não permitir este tipo de controlo automatizado.

O inversor utilizado está dotado de proteções que evitam um controlo não autorizado do equipamento

por motivos de segurança. O próprio software de controlo do inversor, tem certos requisitos que só

depois de cumpridos permitem a configuração dos parâmetros do inversor, tais como o fator de potência

e Potência Ativa. Esses requisitos incluem a necessidade de se colocar uma palavra passe associada

ao inversor que se quer controlar, e um código de segurança que é único para cada inversor fabricado

pela SMA. Esse código de segurança é o que permite o controlo dos parâmetros que se pretendem ser

alterados.

Devido a estas limitações impostas pelo próprio software de controlo do inversor, torna-se

extremamente complicado implementar uma solução automatizada que tenha em conta estes

requisitos.

Outra solução estudada, foi a implementação de um Raspberry Pi 3, que através de alguma eletrónica

adicional, permitisse o controlo do inversor através de um módulo que pode ser instalado no próprio

chamado, Power Control Module. Embora esta abordagem permitisse uma abordagem mais

automatizada, pois o Raspberry Pi 3 seria capaz de executar a simulação Matlab/Simulink, ainda

apresenta algumas limitações. Essas limitações são o facto de o Raspberry Pi 3 precisar de sensores

que lessem em tempo real a tensão, corrente e potência a ser injetada na rede e mais importante que

isso, o facto de com este módulo o controlo não ser tão fino como seria desejado. Ou seja, o módulo

apenas permite um controlo da Potência Ativa, quando também é pretendido o controlo da Potência

Reativa, através da alteração do fator de potência. E, mesmo sendo possível controlar a Potência Ativa,

esta é controlada de uma forma grosseira através de 16 níveis de Potência Ativa, que têm que ser

configurados à priori. Os 16 níveis de potência, são simples percentagens da Potência Ativa nominal

do inversor, resultando este tipo de abordagem num controlo pouco desejável do inversor, tendo em

conta o objetivo final do presente trabalho.

5.1. Futuros Desenvolvimentos

Para futuros desenvolvimentos, sugere-se uma possível integração do controlo de Potência Aparente,

que embora seja imposta pelo Inversor, não é contabilizada no modelo Matlab/Simulink existente. Além

disso, existem alguns estudos que comprovam que controlando também a Potência Aparente, se acaba

por ter uma solução mais robusta contra as sobretensões. [26]

Sugere-se também a continuação do estudo sobre possíveis formas de se conseguir ter um controlo

automatizado com uma interação humana praticamente nula. Por exemplo, com a continuação da ideia

de ter um Raspberry Pi 3 a controlar todo o sistema de microgeração.

71

Referências

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http://www.edpsu.pt/pt/PRE/Microproducao/Pages/UnidadesdePequenaProdu%C3%A7%C3%A

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[9] S. Pinto, J. Fernando Silva, F. Silva e P. Frade, “Design of a Virtual Lab to Evaluate and Mitigate

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Avaliação e Controlo de um Sistema de Microgeração na ......Avaliação e Controlo de um Sistema de Microgeração na Ligação à Rede Elétrica Filipe Saraiva dos Santos Tente