Revista Eletrônica de Potência (Brazilian Journal of Power Electronics)

Palavras Chaves: Controle Flexível, Fatores de Conformidade da Carga, filtro ativo de potência, Fontes de Energia Renovável, Geração distribuída, qualidade da energia

Resumo

Este trabalho apresenta uma técnica de controle flexível para conversores eletrônicos de potência, que podem funcionar como filtro ativo de potência, como interface de uma fonte de energia local ou realizar ambas as funções simultaneamente. Desta forma se pode compensar distúrbios de corrente e injetar potência na rede elétrica ao mesmo tempo, configurando o conversor como um dispositivo multifuncional. O principal objetivo é usar toda a capacidade do conversor eletrônico de potência para atingir o máximo de benefícios quando instalado junto à rede elétrica. Para tal é utilizada a decomposição ortogonal da corrente da Teoria de Potência Conservativa. Cada componente ortogonal da corrente é ponderada por fatores de compensação (k_i), que são ajustados instantaneamente de forma independente, em qualquer porcentagem, mediante os fatores de conformidade da carga (λ_i), proporcionando, assim, uma flexibilidade online em relação aos objetivos de compensação. Finalmente, para validar a eficácia e o desempenho da abordagem proposta, resultados de simulações e experimentais são apresentados.

Title: Flexible Control Applied On Single-phase Converters Connected To Low Voltage Distorted Grids

Keywords: active power filter, Conservative Power Theory, Distributed Generation, Flexible Control, Load conformity factors, Power quality, renewable energy

Abstract

This paper presents a technique to add flexibility in the control of power electronic converters. The power converter can function as an active power filter, as a local power source interface or perform both functions i. e. mitigate current disturbances and inject power into the grid simultaneously, configuring it as a multifunctional device. The main goal is to extract the full capability of the grid connected power electronic converter to achieve maximum benefits. To achieve this goal, the orthogonal current decomposition of the Conservative Power Theory is used. Each orthogonal current component is weighted by means of different compensation factors (k_i), which are set instantaneously and independently, in any percentage by means of the load performance factors (λ_i), providing an online flexibility in relation to compensation objectives. Finally, to validate the effectiveness and performance the proposed approach, simulations and experimental results are presented.

[1] G. Venkataramann, C. Marnay, “A Large Role for Microgrids: Are Microgrids a Viable Paradigm for Electricity Supply Expansion?” IEEE power & Energy Magazine, pp. 78-82, may/june 2008.
[2] C. Marnay, H. Asano, S. Papathanassiou, G. Strbac. “Policymaking for Microgrids: Economic and Regulatory Issues of Microgrid Implementation”, IEEE Power & Energy Magazine, pp. 66-77, may/june 2008.
[3] E. Barklund, N. Pogaku, M. Prodanovic, C. Hernandez-Aramburo, T. C. Green, “Energy Management in Autonomous Microgrid Using Stability-Constrained Droop Control of Inverters”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, no 5, pp. 2346-2352, Sept. 2008. https://doi.org/10.1109/TPEL.2008.2001910
[4] P. G. Barbosa, L. G. B. Rolim, E. H. Watanabe, R. Hanitsch, “Control strategy for grid-connected DC-AC converters with load power factor correction”, IEE Proc.-Gener. Transm. Distrib, vol. 145, no. 5, pp. 487-491, September 1998. https://doi.org/10.1049/ip-gtd:19982174
[5] J. P. Pinto, R. Pregitzer, L. F. C. Monteiro, J. L. Afonso, “3-phase 4-wire shunt active power filter with renewable energy interface”, Proc. of IEEE ICREPQ, 2007.
[6] R. Carnieletto, S. Suryanarayanan, M.G. Simoes, F.A. Farret, “A Multifunctional Single-Phase Voltage Source Inverter in Perspective of the Smart Grid Initiative”, in Proc. of IEEE IAS, pp.1-7, 2009. https://doi.org/10.1109/IAS.2009.5324929
[7] M. Singh, V. Khadkikar, A. Chandra, R.K. Varma, “Grid Interconnection of Renewable Energy Sources at the Distribution Level With Power-Quality Improvement Features”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 26, no. 1, pp. 307-315, January 2011. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2010.2081384
[8] L. F. C. Monteiro, J. L. Afonso, J. G. Pinto, E. H. Watanabe, M. Aredes, H. Akagi, “Compensation Algorithms Based On The P-q And Cpc Theories For Switching Compensators In Micro-grids” Eletrônica de Potência, vol. 14, no. 14, pp. 259-268, November 2009. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2009.4.259268.
[9] T. L. Lee, C. T. Lee, P. T. Cheng, “An Autonomous Harmonic Filtering Strategy For Distributed Energy Resources Converters In Microgrid” Eletrônica de Potência, vol. 14, no. 4, pp. 233-240, November 2009. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2009.4.233240.
[10] R. M. Moreno, J. A. Pomilio, L. C. P. da Silva, S. P. Pimentel, “Mitigation Of Harmonic Distortion By Power Electronic Interface Connecting Distributed Generation Sources To A Weak Grid” Eletrônica de Potência, vol. 14, no. 4, pp. 269-276, November 2009. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2009.4.269276.
[11] D. I. Brandão, F. P. Marafão, F. A. S. Gonçalves, M. G. Villalva, J. R. Gazoli, “Estratégia De Controle Multifuncional Para Sistemas Fotovoltaicos De Geração De Energia Elétrica”, Eletrônica de Potência, vol. 18, no. 4, pp. 1206-1214, Novembro, 2013. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2013.4.12061214.
[12] P. M. de Almeida, P. G. Barbosa, A. A. Ferreira, H. A. C. Braga, P. F. Ribeiro, “Controle E Redução Das Correntes Harmônicas de um Sistema De Geração Fotovoltaico Interligado à Rede Elétrica Sem Filtros Passivos”, Eletrônica de Potência, vol 18, no. 4, pp. 1149-1160, Novembro 2013. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2013.4.11491160.
[13] R. Q. Machado, S. Buso, J.A. Pomilio, F. P. Marafao, “Three-phase to single-phase direct connection rural cogeneration systems”, in Proc. of IEEE APEC, pp. 1547-1553, 2004. https://doi.org/10.1109/APEC.2004.1296070
[14] H. Akagi Y. Kanazawa and A. Nabae, “Instantaneous Reactive Power Compensators Comprising Switching Devices Without Energy Storage Components”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 20, no. 3, pp. 625-630, May/June 1984. https://doi.org/10.1109/TIA.1984.4504460
[15] T. E. N. Zuñiga, M. V. Ataíde, J. A. Pomilio, “Filtro Ativo de Potência Sintetizando Cargas Resistivas”, Eletrônica de Potência, vol. 5, no. 1, pp. 35-42, 2000. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2000.1.035042.
[16] E. H. Watanabe, H. Akagi, and M. Aredes, “Instantaneous p-q Power Theory for Compensating Nonsinusoidal Systems”, Przegld Elektrotechniczny, (Electrical Review), vol. 84, no. 6, pp. 28-37, 2008.
[17] P. Mattavelli, “A closed-loop Selective Harmonics Compensation for Active Power Filter”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 37, no. 1, pp. 81-89, 2001. https://doi.org/10.1109/28.903130
[18] P. Mattavelli, F. P. Marafão, “Repetitive-Based Control for Selective Harmonic Compensation in Active Power Filters”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 51, no. 5, pp. 1018-1024, 2004. https://doi.org/10.1109/TIE.2004.834961
[19] L. F. Penello, E. H. Watanabe, “Filtro Ativo de Potência Tipo “shunt” com Seleção da Potência a Ser Compensada”, Controle & Automação, vol. 4, no. 1, pp. 31-37, 1993.
[20] H. K. M. Paredes, D. I. Brandão, E. V. Liberado, F. P. Marafão “Compensação Ativa Paralela Baseada na Teoria de Potência Conservativa”, Eletrônica de Potência, vol 17, no. 1, pp. 409-418, 2012. http://dx.doi.org/10.18618/REP.2012.1.409418.
[21] F. P. Marafão, D. I. Brandão, F. A. S. Gonçalves and H. K. M. Paredes “Decoupled Reference Generator for Shunt Active Filters Using the Conservative Power Theory”. Journal of Control, Automation and Electrical Systems, vol. 24, pp. 522-534, 2013.
[22] P. Tenti, H. K. M Paredes, P. Mattavelli, “Conservative Power Theory, a Framework to Approach Control and Accountability Issues in Smart Microgrids”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 3, pp. 664-673, March 2011. https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2093153
[23] H. K. M. Paredes, “Teoria de Potência Conservativa: Uma nova abordagem para o controle cooperativo de condicionadores de energia e considerações sobre atribuição de responsabilidades”, Tese de Doutorado, UNICAMP, 2011.
[24] H. K. M. Paredes, F. P. Marafão, P. Mattavelli and P. Tenti, “Application of Conservative Power Theory to load and line characterization and revenue metering”, in Proc. of IEEE AMPS, pp. 1-6, September 2012. https://doi.org/10.1109/AMPS.2012.6343993
[25] J. P. Bonaldo, H. K. M. Paredes, J. A. Pomilio, “Flexible Operation of Grid-Tied Single-Phase Power Converter”, In Proc. of COBEP, pp. 987-992, 2013. https://doi.org/10.1109/COBEP.2013.6785235
[26] Y. Tang; P.C. Loh; P. Wang; F.H. Choo, F. Gao; F. Blaabjerg, “Generalized Design of High Performance Shunt Active Power Filter With Output LCL Filter”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 59, no. 3, pp. 1443-1452, March 2012. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2167117
[27] D. Dong, T. Thacker, R. Burgos, F. Wang, D. Boroyevich, “On Zero Steady-State Error Voltage Control of Single-Phase PWM Inverters With Different Load Types”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 11, pp. 3285-3297, Nov. 2011. https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2157361
[28] G. Shen, D. Xu, D. Xi, X. Yuan, “An improved control strategy for grid-connected voltage source inverters with a LCL filter”, in Proc. of IEEE APEC, pp. 19-23, 2006. https://doi.org/10.1109/APEC.2006.1620670
[29] A. G. Yepes, F. D. Freijedo, O. Lopez, J. Doval-Gandoy, “Analysis and Design of Resonant Current Controllers for Voltage-Source Converters by Means of Nyquist Diagrams and Sensitivity Function,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 11, pp. 5231,5250, Nov. 2011. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2126535
[30] A. Hasanzadeh, O. C. Onar, H. Mokhtari, A. Khaligh, “A Proportional-Resonant Controller-Based Wireless Control Strategy With a Reduced Number of Sensors for Parallel-Operated UPSs,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 25, no. 1, pp.468-478, Jan. 2010. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2009.2034911
[31] R. Curtri, L. Matakas, “Reference currents determination techniques for load unbalance compensation”, in Proc. of COBEP, 2003.
[32] P. Mattavelli and S. Buso, Digital Control in Power Electronics. 1st ed. Morgan & Claypool Publishers, 2006.