Doutorado Final Revisada

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    18-Dec-2015

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doctorado compesacao reATI

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<ul><li><p>RODRIGO CUTRI </p><p>MTODO DE EXTRAO EM TEMPO REAL DE SEQNCIA POSITIVA, NEGATIVA E/OU HARMNICOS </p><p> SO PAULO </p><p>2008 </p></li><li><p>RODRIGO CUTRI </p><p>MTODO DE EXTRAO EM TEMPO REAL DE SEQNCIA POSITIVA, NEGATIVA E/OU HARMNICOS </p><p> Tese apresentada Escola </p><p> Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Doutor em Engenharia </p><p> rea de concentrao : Engenharia Eltrica Orientador : Prof. Dr. Loureno Matakas Junior </p><p>SO PAULO 2008 </p></li><li><p>A Deus A meus pais e minha irm minha noiva A todos que me apoiaram com seus exemplos, gestos e palavras. </p></li><li><p>AGRADECIMENTOS </p><p>Agradeo primeiramente a Deus, o Grande Arquiteto do Universo, por me guiar, </p><p>concedendo foras para nunca desistir e fazendo-me perseverar acreditando </p><p>sempre. </p><p>Agradeo a todos que colaboraram para que esta tese se realizasse, em especial </p><p>meus pais, minha irm e minha noiva (agora sim, poderemos nos casar). Agradeo a </p><p>compreenso, a pacincia e o carinho em todos os momentos. </p><p>Agradeo em especial ao professor Loureno Matakas Jr. pelo companheirismo, </p><p>pela dedicada orientao que contribuiu para que eu pudesse aprimorar minha </p><p>forma de pensar, de expressar idias e pesquisar problemas, descobrir suas causas, </p><p>analisar e propor solues. Desde o incio do mestrado, so quase sete anos de </p><p>encontros de idias e orientaes. Agradeo tambm aos professores Walter Kaiser </p><p>e Wilson Komatsu pelas sugestes que colaboraram para o aperfeioamento deste </p><p>trabalho. </p><p>Agradeo ao professor Sigmar Maurer Deckmann da UNICAMP que participou de </p><p>minha banca de mestrado e cuja discusso tcnica foi muito importante para o </p><p>desenvolvimento deste trabalho. </p><p>Agradeo a Universidade de So Paulo e a Escola de Engenharia Mau pela </p><p>formao e apoio. </p><p>Aos professores Mrio Pagliaricci, Nilson De Lucca e Jorge Janiszewski pelo </p><p>exemplo, pela amizade, colaborao e incentivo em vrios momentos desta </p><p>pesquisa. </p></li><li><p>RESUMO </p><p>Harmnicos e desequilbrios podem causar uma srie de problemas a equipamentos </p><p>conectados a rede eltrica. Este trabalho prope um mtodo de extrao em tempo </p><p>real das componentes de seqncia positiva, negativa e/ou harmnicos que no </p><p>requer transformaes de coordenadas ou filtragem de sinais. O mtodo proposto </p><p>verificado via simulao numrica e implementado experimentalmente em um DSP. </p><p>Como exemplos de aplicao apresentam-se: a simulao de um Filtro Ativo de </p><p>Potncia utilizando-se um conversor do tipo fonte de tenso operando em PWM e </p><p>um Rel de Seqncia Negativa. </p><p>Palavras-chave: Engenharia Eltrica. Sistemas de Potncia. Qualidade de Energia </p><p>Eltrica. Sequncias Positiva, Negativa e Zero. </p></li><li><p>ABSTRACT </p><p> Harmonics and unbalances cause several problems to equipments connected to AC </p><p>mains. This work proposes a real time method to obtain the positive and negative </p><p>sequence components and/or harmonics that requires no coordinate transformation </p><p>neither signal filtering. Numerical simulation and experimental results are shown to </p><p>validate the proposed method. As examples of application an Active Power Filter </p><p>using a voltage source converter operating with PWM and an Negative Sequence </p><p>Power Relay are presented. </p><p>Keywords: Electrical Engineering. Power Systems. Power Quality. Positive, Negative </p><p>and Zero Sequence. </p></li><li><p> LISTAS DE FIGURAS Fig. 1 - Diagrama de Blocos Estrutura da Tese 21Fig.2-1 - Diagrama de Blocos Mtodos de extrao das </p><p>seqncias positiva, negativa e/ou harmnicos 22</p><p>Fig. 2.1-1 - Vetor espacial S , e os sistemas de coordenadas </p><p>rst e </p><p>23</p><p>Fig. 2.1.1-1 - Vetor S e sua trajetria (pontilhada) 25</p><p>Fig. 2.1.1-2 - Projeo do Vetor S no sistema 26</p><p>Fig. 2.1.1-3 - Projeo no sistema do Vetor fS1 aps a </p><p>filtragem </p><p>27</p><p>Fig. 2.1.1-4 - Diagrama de Blocos do Mtodo DTRVE (extrao seqncia negativa) </p><p>29</p><p>Fig. 2.1.2-1 - Vetores em um sistema girante de referncia 30Fig. 2.1.2-2 - Vetores dos componentes fundamentais em um </p><p>sistema fixo de referncia 30</p><p>Fig. 2.1.2-3 - Vetores da componente fundamental representada em um sistema fixo e num sistema girante de referncia </p><p>31</p><p>Fig. 2.1.2-4 - Diagrama de Blocos do Mtodo RSP 32Fig. 2.1.2-5 - Diagrama de Blocos do Mtodo RNP 33Fig. 2.2-1 - Diagrama de Blocos do Mtodo Proposto 34Fig. 3a - Diagrama em blocos do algoritmo de extrao da </p><p>componente de seqncia positiva da fundamental 52</p><p>Fig. 3b - Diagrama em blocos do algoritmo de extrao da componente de seqncia negativa da fundamental </p><p>52</p><p>Fig. 3c - Diagrama em blocos do algoritmo de extrao da componente de seqncia negativa e harmnicos (extrao total) </p><p>53</p><p>Fig. 3d - Diagrama em blocos do algoritmo de extrao dos harmnicos </p><p>53</p><p>Fig.4.1.1a - Sinal distorcido simulado (1+-,3+-,5+-) 56Fig.4.1.1b - Sinal distorcido simulado (1+-,2+-,4+-) 56Fig.4.1.2a - Sinal distorcido experimentalmente gerado atravs </p><p>de matriz de pontos pr-programada </p><p>56</p></li><li><p>(1+-,3+-,5+-) </p><p>Fig.4.1.2b - Sinal distorcido experimentalmente gerado atravs </p><p>de matriz de pontos pr-programada </p><p>(1+-,2+-,4+-) </p><p>56</p><p>Fig.4.1.3a - Sinais extrados Mtodo A (Simulao) - (1-,5+) </p><p>57</p><p>Fig.4.1.3b - Sinais extrados Mtodo A (Simulao) - (1+-,2+-,4+-) </p><p>57</p><p>Fig.4.1.4a - Sinais extrados Mtodo A (Experimental) - (1-,5+) </p><p>57</p><p>Fig.4.1.4b - Sinais extrados Mtodo A (Experimental) - (1+-,2+-,4+-) </p><p>57</p><p>Fig.4.1.5a - Sinais extrados Mtodo B (Simulao) - (1-,3+,5-) </p><p>58</p><p>Fig.4.1.5b - Sinais extrados Mtodo B (Simulao) - (1+-,2+-,4+-) </p><p>58</p><p>Fig.4.1.6a - Sinais extrados Mtodo B (Experimental) - (1-,3+,5-) </p><p>58</p><p>Fig.4.1.6b - Sinais extrados Mtodo B (Experimental) - (1+-,2+-,4+-) </p><p>58</p><p>Fig.4.1.7a - Sinais extrados Mtodo C (Simulao) ) - (1+,5-) </p><p>59</p><p>Fig.4.1.7b - Sinais extrados Mtodo C (Simulao) ) - (1+-,2+-,4+-) </p><p>59</p><p>Fig.4.1.8a - Sinais extrados Mtodo C (Experimental) ) - (1+,5-) </p><p>59</p><p>Fig.4.1.8b - Sinais extrados Mtodo C (Experimental) ) - (1+-,2+-,4+-) </p><p>59</p><p>Fig.4.1.9a - Sinais extrados Mtodo D (Simulao) - (1+,3-,5+) </p><p>60</p><p>Fig.4.1.9b - Sinais extrados Mtodo D (Simulao) - (1+-,2+-,4+-) </p><p>60</p><p>Fig.4.1.10a - Sinais extrados Mtodo D (Experimental) - </p><p>(1+,3-,5+) </p><p>60</p><p>Fig.4.1.10b - Sinais extrados Mtodo D (Experimental) - (1+-</p><p>,2+-,4+-) </p><p>60</p><p>Fig.4.1.11a - Sinais extrados Mtodo AB (Simulao) - (1-) 61Fig.4.1.11b - Sinais extrados Mtodo AB (Simulao) - (1+-</p><p>,2+-,4+-) 61</p></li><li><p>Fig.4.1.12a - Sinais extrados - Mtodo AB (Experimental) - (1-) 61Fig.4.1.12b - Sinais extrados Mtodo AB (Experimental) - </p><p>(1+-,2+-,4+-) 61</p><p>Fig.4.1.13a - Sinais extrados Mtodo CD (Simulao) - (1+) 62Fig.4.1.13b - Sinais extrados Mtodo CD (Simulao) - (1+-</p><p>,2+-,4+-) 62</p><p>Fig.4.1.14a - Sinais extrados Mtodo CD (Experimental) - (1+) </p><p>62</p><p>Fig.4.1.14b - Sinais extrados Mtodo CD (Experimental) - (1+-,2+-,4+-) </p><p>62</p><p>Fig.4.1.15a - Seqncias dos sinais extrados (Terico tabela I, cap.3) </p><p>63</p><p>Fig.4.1.16a - Seqncias dos sinais extrados (Simulado) 63Fig.4.1.17a - Seqncias dos sinais extrados (Experimental) 63Fig.4.1.15b - Seqncias dos sinais extrados (Terico </p><p>tabela II, cap.3) 64</p><p>Fig.4.1.16b - Seqncias dos sinais extrados (Simulado) 64Fig.4.1.17b - Seqncias dos sinais extrados (Experimental) 64Fig.4.2.1a - Sinal distorcido para anlise do transitrio </p><p>(Simulao) 66</p><p>Fig.4.2.1b - Sinal distorcido para anlise do transitrio (Experimental) </p><p>66</p><p>Fig.4.2.2a - Sinais extrados Mtodo A (Simulao) Anlise Transitria </p><p>66</p><p>Fig.4.2.2b - Sinais extrados Mtodo A (Experimental) Anlise Transitria </p><p>66</p><p>Fig.4.2.3a - Sinais extrados Mtodo B (Simulao) Anlise Transitria </p><p>67</p><p>Fig.4.2.3b - Sinais extrados Mtodo B (Experimental) Anlise Transitria </p><p>67</p><p>Fig.4.2.4a - Sinais extrados Mtodo C (Simulao) Anlise Transitria </p><p>67</p><p>Fig.4.2.4b - Sinais extrados Mtodo C (Experimental) Anlise Transitria </p><p>67</p><p>Fig.4.2.5a - Sinais extrados Mtodo D (Simulao) Anlise Transitria </p><p>68</p><p>Fig.4.2.5b - Sinais extrados Mtodo D (Experimental) Anlise Transitria </p><p>68</p><p>Fig.4.2.6a - Sinais extrados Mtodo AB(Simulao) Anlise Transitria </p><p>68</p></li><li><p>Fig.4.2.6b - Sinais extrados Mtodo AB(Experimental) Anlise Transitria </p><p>68</p><p>Fig.4.2.7a - Sinais extrados Mtodo CD(Simulao) Anlise Transitria </p><p>69</p><p>Fig.4.2.7b - Sinais extrados Mtodo CD(Experimental) Anlise Transitria </p><p>69</p><p>Fig. 4.3.1a - Operao A Resposta em Freqncia para vrios harmnicos (impares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>72</p><p>Fig. 4.3.1b - Operao A Resposta em Freqncia para vrios harmnicos (pares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>73</p><p>Fig. 4.3.2a - Operao B Resposta em Freqncia para vrios harmnicos (impares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>74</p><p>Fig. 4.3.2b - Operao B Resposta em Freqncia para vrios harmnicos (pares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>75</p><p>Fig. 4.3.3a - Operao C Resposta em Freqncia para vrios harmnicos (impares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>76</p><p>Fig. 4.3.3b - Operao C Resposta em Freqncia para vrios harmnicos (pares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>77</p><p>Fig. 4.3.4a - Operao D Resposta em Freqncia para vrios harmnicos (impares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>78</p><p>Fig. 4.3.4b - Operao D Resposta em Freqncia para vrios harmnicos (pares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>79</p><p>Fig. 4.3.5a - Operao AB Resposta em Freqncia para vrios harmnicos (impares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>80</p><p>Fig. 4.3.5b - Operao AB Resposta em Freqncia para vrios harmnicos (pares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>81</p><p>Fig. 4.3.6a - Operao CD Resposta em Freqncia para vrios harmnicos (impares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>82</p><p>Fig. 4.3.6b - Operao CD Resposta em Freqncia para vrios harmnicos (pares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>83</p><p>Fig. 4.3.7a - Operao AB Resposta em Freqncia (PADRO ONS) para vrios harmnicos (impares) </p><p>84</p></li><li><p>e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase Fig. 4.3.7b - Operao AB Resposta em Freqncia </p><p>(PADRO ONS) para vrios harmnicos (pares) e seqncias. Acima: ganho Abaixo:fase </p><p>85</p><p>Fig. 5.1-1 Diagrama em blocos do compensador ativo de desequilbrios </p><p>88</p><p>Fig.5.1-2 </p><p>- Diagrama em bloco mostrando o conversor e as malhas de controle de tenso no barramento CC e da corrente CA </p><p>89</p><p>Fig.5.1-3 - Filtro Ativo (Mtodo A) 92Fig.5.1-4 - Filtro Ativo (Mtodo Compensao Total) 92Fig.5.1-5 - Comportamento da malha de corrente (fase r) </p><p>(Mtodo A) 93</p><p>Fig.5.2-1 - Simulao Rel de Seqncia Negativa Comportamento da corrente da rede (grfico superior) Comportamento do acionamento do rel (grfico inferior) </p><p>95</p><p>Fig. 5.2-2 - Circuito do rel de seqncia negativa simulado (Circuito Geral) </p><p>96</p><p>Fig. 5.2-3 - Circuito do rel de seqncia negativa simulado (clculo das seqncias positiva e negativa) </p><p>96</p><p>Fig. 5.2-4 - Circuito do rel de seqncia negativa simulado (clculo das correntes eficazes) </p><p>96</p><p>Fig. 5.2-5 - Circuito do rel de seqncia negativa simulado (clculo do grau de desequilbrio e comparao com set-point) </p><p>97</p><p>Fig. AP-1 - Operao A - Resposta em Freqncia para vrios harmnicos de seqncia zero. </p><p>106</p><p>Fig.B-1 - Circuito Teste do Buffer (Simulao) 108Fig.B-2 - Sinais Bufferizados (Simulao) 109Fig.B-3 - Diagrama de Blocos do ADMC-401 109Fig.B-4 - Buffer digital 110Fig. C-1 - Circuito-teste referente a todos os mtodos 112Fig. C-2 - Circuito simulado mtodo A 113Fig. C-3 - Circuito do filtro ativo simulado (compensador </p><p>completo) 113</p><p>Fig. C-4a - Conversor (parte 1) 114Fig. C-4b - Conversor (parte 2) 115</p><p>Fig. C-5 - Malha de tenso 115Fig. C-6 - Malha de corrente 116</p></li><li><p>LISTAS DE TABELAS </p><p>Tabela I - Ganho de amplitude (p.u.) e fase () das </p><p>operaes A, B, C, D, AB, CD para harmnicas </p><p>mpares de sequncia positiva e negativa. </p><p>37</p><p>Tabela II - Ganho de amplitude (p.u.) e fase () das </p><p>operaes A, B, C, D, AB, CD para harmnicas </p><p>pares de sequncia positiva e negativa. </p><p>38</p><p>Tabela III - Quadro demonstrativo dos sinais extrados </p><p>operao A </p><p>41</p><p>Tabela IV - Quadro demonstrativo dos sinais extrados </p><p>operao B </p><p>44</p><p>Tabela V - Quadro demonstrativo dos sinais extrados </p><p>operao A (com harmnicos) </p><p>46</p><p>Tabela VI - Quadro demonstrativo dos sinais extrados </p><p>operao B (com harmnicos) </p><p>50</p><p>Tabela VII - Durao do Transitrio em relao a um ciclo da </p><p>fundamental (base 60Hz) </p><p>69</p><p>Tabela VIII - Tempo de execuo de cada mtodo </p><p>implementado no DSP ADM401 </p><p>86</p><p>Tabela IX - Quadro resumo das caractersticas adotadas referentes ao compensador para a simulao completa do sistema </p><p>90</p><p>Tabela X - Ganho de amplitude (p.u.) e fase () das </p><p>operaes A, B, C, D para harmnicas pares e </p><p>mpares de seqncia zero. </p><p>105</p></li><li><p> LISTAS DE ABREVIATURAS E SIGLAS </p><p>AC - Alternating current (Corrente alternada) </p><p>CC - Corrente Contnua </p><p>CA - Corrente Alternada </p><p>DSP - Digital Signal Processor (Processador Digital de Sinais) </p><p>PLL - Phase Locked Loop </p><p>DTRVE - Mtodo da Deteco em Tempo Real atravs de Vetores Espaciais </p><p>FPB - Filtro Passa Baixa </p><p>FPA - Filtro Passa Alta </p><p>PQ - Mtodo da Potncia Ativa e Reativa Instantnea </p><p>RSP - Mtodo da Referncia Sncrona Girante Positiva </p><p>RSN - Mtodo da Referncia Sncrona Girante Negativa </p><p>DSNI - Mtodo da Injeo Direta de Seqncia Negativa </p><p>IRF - Referncia Instantnea de Filtragem - Instantaneous Filter Reference </p><p>VSI - Voltage Source Inverter (Inversor tipo fonte de tenso) </p><p>PWM - Pulse Width Modulation (Modulao em largura de pulso) </p><p>PCC - Point of common coupling (Ponto de acoplamento comum) </p><p>PI - Proporcional-Integral (Controlador) </p></li><li><p>LISTAS DE SMBOLOS sr(t), ss(t), st(t) sinais instantneos no sistema rst </p><p>s0(t) sinal instantneo de seqncia zero </p><p>)(tS</p><p> vetor espacial associado as correntes instantneas de um </p><p>sistema trifsico </p><p>S(t) mdulo do sinal instantneo associado ao sistema </p><p>(t) fase do sinal instantneo associado ao sistema Sp valor de pico do sinal 1S vetor espacial associado a fundamental do sinal instantneo de </p><p>um sistema trifsico </p><p>)(1 tS mdulo da fundamental de um sinal instantneo associado ao </p><p>sistema fS1 vetor espacial associado ao sinal fundamental instantneo </p><p>filtrado </p><p>)t( fase da fundamental de um sinal instantneo associado ao sistema </p><p>hS vetor espacial associado aos harmnicos de um sinal </p><p>instantneo de um sistema trifsico </p><p>)(tSh mdulo da harmnica de ordem h de um sinal instantneo </p><p>associado ao sistema </p><p>)t(h fase da harmnica de ordem h um sinal instantneo associado ao sistema </p><p> velocidade angular da rede h ordem do harmnico +S vetor espacial associado a fundamental de seqncia positiva de </p><p>um sinal de um sistema trifsico S vetor espacial associado a fundamental de seqncia negativa </p><p>de um sinal de um sistema trifsico </p></li><li><p>+hS vetor espacial associado aos harmnicos de seqncia positiva </p><p>de um sinal de um sistema trifsico hS vetor espacial associado aos harmnicos de seqncia negativa </p><p>de um sinal de um sistema trifsico </p><p>+S mdulo do vetor espacial associado a fundamental de seqncia </p><p>positiva de um sinal de um sistema trifsico </p><p>)(t+ fase da fundamental de um sinal instantneo de sequncia positiva associado ao sistema </p><p>S mdulo do vetor espacial associado a fundamental de seqncia </p><p>negativa de um sinal de um sistema trifsico </p><p>)(t fase da fundamental de um sinal instantneo de sequncia negativa associado ao sistema </p><p>t,s,r vetores do sistema rst </p><p>, vetores do sistema </p><p>s(t),s(t) sinais instantneos no sistema </p><p>+hS mdulo do vetor espacial associado aos harmnicos de um sinal </p><p>de seqncia positiva de um sistema trifsico </p><p>hS mdulo do vetor espacial associado aos harmnicos de um si...</p></li></ul>