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SISTEMA FOTOVOLTAICO TRIFÁSICO CONECTADO À REDE · PDF fileRESUMO: Este trabalho apresenta um sistema trifásico de geração de energia fotovoltaica conectada à rede com fator

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  • MATEUS FELZKE SCHONARDIE

    SISTEMA FOTOVOLTAICO TRIFSICO CONECTADO REDE COM CONTROLE

    DE POTNCIA ATIVA E REATIVA UTILIZANDO TRANSFORMADA dq0

    FLORIANPOLIS

    2011

  • UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

    PROGRAMA DE PS-GRADUAO

    EM ENGENHARIA ELTRICA

    SISTEMA FOTOVOLTAICO TRIFSICO CONECTADO REDE COM CONTROLE

    DE POTNCIA ATIVA E REATIVA UTILIZANDO TRANSFORMADA dq0

    Tese submetida Universidade Federal de Santa Catarina

    como parte dos requisitos para a obteno do grau de Doutor em Engenharia Eltrica.

    MATEUS FELZKE SCHONARDIE

    Florianpolis, fevereiro 2011.

  • SISTEMA FOTOVOLTAICO TRIFSICO CONECTADO REDE COM CONTROLE DE POTNCIA ATIVA E

    REATIVA UTILIZANDO TRANSFORMADA dq0

    Mateus Felzke Schonardie

    Esta Tese foi julgada adequada para a obteno do Ttulo de Doutor em Engenharia Eltrica, rea de Concentrao em Eletrnica de Potncia e Acionamento Eltrico, e aprovada em sua forma final pelo Programa de

    Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Santa Catarina.

    ___________________________________

    Prof. Denizar Cruz Martins, Dr. Orientador

    _____________________________________________________

    Prof. Patrick Kuo Peng, Dr. Coordenador do Programa de Ps Graduao em Engenharia Eltrica

    Banca Examinadora:

    _______________________________________________________ Prof. Denizar Cruz Martins, Dr.

    Presidente

    ________________________________________________________ Prof. Walter Issamu Suemitsu, Dr. Ing.

    _________________________________________________________

    Prof. Selnio Rocha Silva, Dr.

    ________________________________________________________ Prof. Marcelo Lobo Heldwin, Dr.Sc.

    __________________________________________________________

    Prof. Samir Ahmad Mussa, Dr.

  • A Deus.

    toda minha famlia.

    Aos meus mestres.

    Aos meus amigos.

  • AGRADECIMENTOS

    Ao Professor Denizar Cruz Martins pela orientao e sabedoria,

    pela motivao, amizade e compreenso durante o curso de Doutorado. Aos demais professores do INEP, especialmente os professores

    Ivo Barbi, Arnaldo Jose Perin e Samir A. Mussa que sempre estiveram dispostos a ajudar e que tanto contriburam para minha formao na rea de Eletrnica de Potncia.

    Aos membros da banca examinadora pelas revises, correes e sugestes. Aos tcnicos e funcionrios do INEP pela constante disposi-o para auxiliar.

    Ao amigo e hoje colega de ps-graduao Adriano Ruseler pela dedicao e ajuda na montagem e na programao do prottipo.

    Aos amigos e colegas de doutorado Mrcio S. Ortmann e Roberto F. Coelho que sempre estiveram dispostos a ajudar e muito contriburam efetivamente para o funcionamento do projeto.

    Aos meus estimveis colegas do Programa de Ps-graduao, Ti-ago K. Jappe, Andr Fuerback, Alceu Badin, Ccero Postiglione, Jean P. Rodrigues, Romero e Edward, que sempre estiveram prontamente dis-postos a ajudar. Aos demais amigos e colegas do INEP que de alguma forma contriburam para minha formao

    Ao Governo Federal, que atravs do CNPq deu o apoio financei-ro.

    minha esposa Cassiana pela pacincia, amor, carinho e com-preenso e aos meus filhos por serem fontes inesgotveis de alegria e inspirao.

    minha famlia, faltam-me palavras para expressar a alegria de fazer parte de vosso meio, especialmente aos meus pais e irms pelo apoio, amor e compreenso incondicionais em todos os momentos da minha vida, e que sem os quais nada teria sido possvel.

  • Resumo da Tese apresentada UFSC como parte dos requisitos neces-srios para a obteno do grau de Doutor em Engenharia Eltrica.

    SISTEMA FOTOVOLTAICO TRIFSICO CONECTADO REDE COM CONTROLE DE POTNCIA ATIVA E REATIVA UTILIZANDO

    TRANSFORMADA dq0

    Mateus Felzke Schonardie

    Fevereiro de 2011

    Orientador: Denizar Cruz Martins, Dr. rea de Concentrao: Eletrnica de Potncia e Acionamento Eltrico. Palavras-chave: Sistema Fotovoltaico conectado rede, Filtro ativo, Transformada dq0. Nmero de Pginas: 248 RESUMO: Este trabalho apresenta um sistema trifsico de gerao de energia fotovoltaica conectada rede com fator de potncia unitrio para qualquer situao de radiao solar. apresentada a modelagem do conversor PWM e a estratgia de controle usando a Transformada dq0. O sistema opera como um filtro ativo capaz de compensar as componen-tes harmnicas e a potncia reativa, gerada pelas cargas conectadas ao sistema. Uma tcnica de grampeamento da tenso de entrada proposta para controlar a potncia entre rede e sistema fotovoltaico, prevendo a operao do sistema fotovoltaico prximo ao ponto de potncia mxima. Resultados de simulao e experimentais so apresentados para validar a metodologia.

  • Abstract of Thesis presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor in Electrical Engineering.

    Three-Phase Grid-Connected Photovoltaic System With Active And Reactive Power Control Using dq0 Transformation

    Mateus Felzke Schonardie

    February, 2011 Advisor: Denizar Cruz Martins, Dr. Area of Concentration: Power Electronics and Drives. Keywords: Grid-Connected Photovoltaic System, Active Filter, dq0 Trasnformation Number of Pages: 248 ABSTRACT: This work presents a three-phase grid-connected photo-voltaic generation system with unity power factor for any situation of solar radiation. The modelling of the Pulse-Width Modulation inverter and a control strategy using dq0 transformation are proposed. The sys-tem operates as an active filter capable of compensate harmonic compo-nents and reactive power, generated by the loads connected to the sys-tem. An input voltage clamping technique is proposed to control the power between grid and photovoltaic system, where it is intended to achieve the maximum power point operation. Simulation and experi-mental results are presented to validate the proposed methodology for grid connected photovoltaic generation system.

  • i

    SUMARIO

    1. INTRODUO GERAL..................................................................................1 1.1. INTRODUO ..............................................................................1 1.2. CONTEXTUALIZAO E MOTIVAES ........................................4

    1.2.1. Sistemas de Gerao Distribuda (GD) ................................7 1.2.2. Situao no Brasil ...............................................................11

    1.3. OBJETIVOS DO TRABALHO ........................................................13 1.4. METODOLOGIA EMPREGADA ....................................................14 1.5. ORGANIZAO DO TRABALHO..................................................15

    2. SISTEMAS DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICA.....................................................................................................17

    2.1. INTRODUOEQUATION CHAPTER 2 SECTION 1 .......................17 2.2. DEFINIES E CONCEITOS INICIAIS...........................................18

    2.2.1. Conceitos Iniciais................................................................18 2.2.2. Modelo Eltrico de uma clula Fotovoltaica ......................22 2.2.3. Mxima Potncia em Sistemas Fotovoltaicos MPP.........24 2.2.4. Tipos de Seguidores de Mxima Potncia...........................27

    2.3. CONFIGURAO BSICA DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO ......29 2.3.1. Sistemas Isolados ................................................................30 2.3.2. Sistemas Hbridos................................................................32 2.3.3. Sistemas Fotovoltaicos Conectados Rede - SFCR ...........33

    2.4. . CONVERSORES ESTTICOS APLICADOS NO PROCESSAMENTO DE ENERGIA SOLAR......................................................................................37

    2.4.1. Estruturas Monofsicas.......................................................38 2.4.2. Estruturas Trifsicas...........................................................40 2.4.3. Estruturas Trifsicas Utilizadas em Sistemas Fotovoltaicos de Gerao Distribuda. ....................................................................41

    2.5. CONCLUSO .............................................................................60

    3. ESTUDO DAS POTNCIAS E DO CONVERSOR PWM...........................62 3.1. INTRODUOEQUATION CHAPTER 3 SECTION 3 .......................62 3.2. . QUALIDADE DE ENERGIA E HARMNICOS...............................62 3.3. POTNCIA EM SISTEMAS TRIFSICOS........................................68

    3.3.1. Potncia Ativa Instantnea .................................................69 3.3.2. Potncia Aparente ...............................................................69 3.3.3. Potncia Reativa Instantnea..............................................70

    3.4. POTNCIAS INSTANTNEAS NO SISTEMA DQ0...........................70 3.5. CONVERSOR PWM TRIFSICO BIDIRECIONAL SEM NEUTRO....74

  • ii

    3.5.1. Estrutura e Princpio de Operao .....................................74 3.5.2. Estados Topolgicos............................................................75

    3.6. APLICAO DE CONVERSORES ESTTICOS COMO FILTRO ATIVO 77

    3.6.1. Filtros Ativos Paralelo ........................................................78 3.6.2. Filtros Ativos Srie .............................................................79 3.6.3. Filtros Hbridos ...................................................................80 3.6.4. Filtros Ativos Combinados Srie/Paralelo..........................81

    3.7. JUSTIFICATIVAS PARA ESCOLHA DO CONVERSOR PARA OPERAO NO SISTEMA FOTOVOLTAICO PROPOSTO .................................................82 3.8. CONCLUSES ............................................................................82

    4. MODELAGEM