Post on 10-Dec-2020
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
4.2. Potência Ativa de 2200 W ..................................................................................................... 37
4.3. Potência Ativa de 2400 W ..................................................................................................... 40
4.4. Potência Ativa de 2600 W ..................................................................................................... 47
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
Figura 4.3 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de
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
Figura 4.6 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 249 V e Potência Ativa de
referência de 2200 W. ........................................................................................................................... 37
Figura 4.7 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de
referência de 2200 W. ........................................................................................................................... 39
Figura 4.8 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 249 V e Potência Ativa de
referência de 2400 W. ........................................................................................................................... 41
Figura 4.9 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de
referência de 2400 W. ........................................................................................................................... 43
Figura 4.10 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 251 V e Potência Ativa de
referência de 2400 W. ........................................................................................................................... 45
Figura 4.11 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de
referência de 2600 W. ........................................................................................................................... 47
xii
Figura 4.12 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 251 V e Potência Ativa de
referência de 2600 W. ........................................................................................................................... 49
Figura 4.13 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 252 V e Potência Ativa de
referência de 2600 W. ........................................................................................................................... 50
Figura 4.14 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de
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
Figura 4.18 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 251 V e Potência Ativa de
referência de 2800 W. ........................................................................................................................... 56
Figura 4.19 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 252 V e Potência Ativa de
referência de 2800 W. ........................................................................................................................... 58
Figura 4.20 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 253 V e Potência Ativa de
referência de 2800 W. Montagem principal. .......................................................................................... 60
Figura 4.21 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 253 V e Potência Ativa de
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
Figura 4.24 – Formas de onda obtidas para a tensão (CH1) e para a corrente (CH2), obtidas no
laboratório, para fp=0,92. ...................................................................................................................... 65
Figura 4.25 – Formas de onda obtidas para a tensão (CH1) e para a corrente (CH2), obtidas no
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
Figura 4.27 - Apresentação de P, Q e V para a tensão de referência de 251 V. Situações com controlo.
............................................................................................................................................................... 67
Figura 4.28 - Apresentação de P, Q e V para a tensão de referência de 252 V. Situações com controlo.
............................................................................................................................................................... 67
Figura 4.29 - Apresentação de P, Q e V para a tensão de referência de 253 V. Situações com controlo.
............................................................................................................................................................... 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 4.5 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 250 V e
Potência Ativa de referência de 2000 W. .............................................................................................. 34
Tabela 4.6 - Tensão obtida em diferentes pontos da montagem.......................................................... 34
Tabela 4.7 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 250
V e Potência Ativa de referência de 2000 W......................................................................................... 36
Tabela 4.8 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 249 V e
Potência Ativa de referência de 2200 W. .............................................................................................. 38
Tabela 4.9 - 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 2200 W......................................................................................... 38
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
250 V e Potência Ativa de referência de 2200 W. ................................................................................ 40
Tabela 4.12 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 249 V
e Potência Ativa de referência de 2400 W. ........................................................................................... 42
Tabela 4.13 - 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 2400 W. ................................................................................ 42
Tabela 4.14 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 250 V
e Potência Ativa de referência de 2400 W. ........................................................................................... 44
Tabela 4.15 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de
250 V e Potência Ativa de referência de 2400 W. ................................................................................ 44
Tabela 4.16 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 251 V
e Potência Ativa de referência de 2400 W. ........................................................................................... 46
xiv
Tabela 4.17 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de
251 V e Potência Ativa de referência de 2400 W. ................................................................................ 46
Tabela 4.18 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 250 V
e Potência Ativa de referência de 2600 W. ........................................................................................... 48
Tabela 4.19 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de
250 V e Potência Ativa de referência de 2600 W. ................................................................................ 48
Tabela 4.20 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 251 V
e Potência Ativa de referência de 2600 W. ........................................................................................... 49
Tabela 4.21 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de
251 V e Potência Ativa de referência de 2600 W. ................................................................................ 50
Tabela 4.22 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 252 V
e Potência Ativa de referência de 2600 W. ........................................................................................... 51
Tabela 4.23 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de
252 V e Potência Ativa de referência de 2600 W. ................................................................................ 51
Tabela 4.24 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 250 V
e Potência Ativa de referência de 2800 W. ........................................................................................... 54
Tabela 4.25 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de
250 V e Potência Ativa de referência de 2800 W. ................................................................................ 54
Tabela 4.26 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 251 V
e Potência Ativa de referência de 2800 W. ........................................................................................... 57
Tabela 4.27 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de
251 V e Potência Ativa de referência de 2800 W. ................................................................................ 57
Tabela 4.28 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 252 V
e Potência Ativa de referência de 2800 W. ........................................................................................... 59
Tabela 4.29 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de
252 V e Potência Ativa de referência de 2800 W. ................................................................................ 59
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. ......................................................... 61
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. ............................................... 61
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. ..................................................... 63
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. ........................................... 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 intrínseco ± (0,5% do valor medido + 20 dígitos)
Erro de operação ± (1% do valor medido + 20 dígitos)
Resolução 0,01 A
Medição de Potência
Alcance Ver valores para tensão e corrente
Erro intrínseco ± (0,7% do valor medido + 15 dígitos)
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.
Com Controlo Sem Controlo
Vrede [V] (sem MG) 228,8 230,4
Vrede [V] (com MG) 230,2 232,4
ΔV [V] 1,4 2
• Tensão de referência de 249 V
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
Potência Reativa [VAr] -1365 -1365 -1440 51,91 47 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
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.
Com Controlo Sem Controlo
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.
Com Controlo Sem Controlo
Vrede [V] (sem MG) 231,2 231,3
Vrede [V] (com MG) 232,7 233,2
ΔV [V] 1,6 1,9
33
• Tensão de referência de 250 V
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.
Figura 4.3 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2000 W.
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
Os erros relativos são apresentados na Tabela 4.5.
Sim.Exp.Fluke
Exp. S.Explorer
Sim.Exp.Fluke
Exp. S.Explo.
C/Controlo S/Controlo
Potência Ativa [W] 2000 2017 2000 2000 2003 2000
Potência Reativa [VAr] -1280 -1297 -1343 51,91 36 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
34
Tabela 4.5 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2000 W.
Com Controlo Sem Controlo
Erro Fluke
Erro S. Exp
Erro Fluke
Erro S. Exp
Potência Ativa 0,85 0 0,15 0
Potência Reativa 1,33 4,92
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.
Com Controlo Sem Controlo
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
Na Tabela 4.7 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. 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.
Tabela 4.7 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2000 W.
Com Controlo Sem Controlo
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
4.2. Potência Ativa de 2200 W
Para este valor de referência para a Potência Ativa, realizaram-se dois ensaios para dois valores
distintos de referência para a tensão.
• Tensão de referência de 249 V
Figura 4.6 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 249 V e Potência Ativa de referência de 2200 W.
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
Os erros relativos são apresentados na Tabela 4.8.
Sim.Exp.Fluke
Exp. S.Explorer
Sim.Exp.Fluke
Exp. S.Explorer
C/ Controlo S/Controlo
Potência Ativa [W] 1921 1931 1919 2200 2195 2199
Potência Reativa [VAr] -1365 -1366 -1439 57,11 43 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
38
Tabela 4.8 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 249 V e Potência Ativa de referência de 2200 W.
Com Controlo Sem Controlo
Erro Fluke
Erro S. Exp
Erro Fluke
Erro S. Exp
Potência Ativa 0,52 -0,1 -0,23 -0,05
Potência Reativa 0,07 5,42
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.
Na Tabela 4.9 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. 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).
Tabela 4.9 - 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 2200 W.
Com Controlo Sem Controlo
Vrede [V] (sem MG) 230,4 231,1
Vrede [V] (com MG) 231,9 233,3
ΔV [V] 1,5 2,2
39
• Tensão de referência de 250 V
Figura 4.7 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2200 W.
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
C/ Controlo S/Controlo
Potência Ativa [W] 2200 2235 2199 2200 2222 2199
Potência Reativa [VAr] -1462 -1470 -1533 57,11 50 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
40
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.
Com Controlo Sem Controlo
Erro Fluke
Erro S. Exp
Erro Fluke
Erro S. Exp
Potência Ativa 1,59 -0,05 1 -0,05
Potência Reativa 0,55 4,86
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
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.
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.
Tabela 4.11 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2200 W.
Com Controlo Sem Controlo
Vrede [V] (sem MG) 230,5 231,1
Vrede [V] (com MG) 232,2 233,4
ΔV [V] 1,7 2,3
4.3. Potência Ativa de 2400 W
Para este valor de referência para a Potência Ativa, realizaram-se três ensaios para três valores
distintos de referência para a tensão.
41
• Tensão de referência de 249 V
Figura 4.8 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 249 V e Potência Ativa de referência de 2400 W.
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
Os erros relativos são apresentados na Tabela 4.12.
Sim.Exp.Fluke
Exp. S.Explorer
Sim.Exp.Fluke
Exp. S.Explorer
C/ Controlo S/Controlo
Potência Ativa [W] 1921 1930 1919 2400 2396 2399
Potência Reativa [VAr] -1365 -1365 -1439 52,3 55 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
42
Tabela 4.12 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 249 V e Potência Ativa de referência de 2400 W.
Com Controlo Sem Controlo
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).
Tabela 4.13 - 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 2400 W.
Com Controlo Sem Controlo
Vrede [V] (sem MG) 230,6 230,6
Vrede [V] (com MG) 231,9 233,1
ΔV [V] 1,3 2,5
43
• Tensão de referência de 250 V
Figura 4.9 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2400 W.
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
Os erros relativos são apresentados na Tabela 4.14.
Sim.Exp.Fluke
Exp. S.Explorer
Sim.Exp.Fluke
Exp. S.Explorer
C/Controlo S/Controlo
Potência Ativa [W] 2242 2274 2241 2400 2419 2399
Potência Reativa [VAr] -1593 -1615 -1679 62,3 51 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
44
Tabela 4.14 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2400 W.
Com Controlo Sem Controlo
Erro Fluke
Erro S. Exp
Erro Fluke
Erro S. Exp
Potência Ativa 1,43 -0,04 0,79 -0,04
Potência Reativa 1,38 5,4
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
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 as variações de tensão estão a ser cada vez maiores devido ao valor de referência da
Potência Ativa ser também cada vez maior.
Tabela 4.15 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2400 W.
Com Controlo Sem Controlo
Vrede [V] (sem MG) 231,3 231,6
Vrede [V] (com MG) 233,2 233,8
ΔV [V] 1,9 2,2
45
• Tensão de referência de 251 V
Figura 4.10 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 251 V e Potência Ativa de referência de 2400 W.
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
0,14Ω, o que resulta num rácio:
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
C/Controlo S/Controlo
Potência Ativa [W] 2400 2430 2399 2400 2418 2398
Potência Reativa [VAr] -1074 -1103 -1162 62,3 50 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
46
Tabela 4.16 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 251 V e Potência Ativa de referência de 2400 W.
Com Controlo Sem Controlo
Erro Fluke
Erro S. Exp
Erro Fluke
Erro S. Exp
Potência Ativa 1,25 -0,04 0,75 -0,08
Potência Reativa 2,7 8,19
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.
Tabela 4.17 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 251 V e Potência Ativa de referência de 2400 W.
Com Controlo Sem Controlo
Vrede [V] (sem MG) 230,6 231,4
Vrede [V] (com MG) 232,7 234
ΔV [V] 2,1 2,6
47
4.4. Potência Ativa de 2600 W
Para este valor de referência para a Potência Ativa, realizaram-se três ensaios distintos com valores
de tensão de referência diferentes.
• Tensão de referência de 250 V
Figura 4.11 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2600 W.
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
C/Controlo S/Controlo
Potência Ativa [W] 2506 2438 2399 2600 2603 2599
Potência Reativa [VAr] -1781 -1735 -1799 67,49 56 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
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.
Tabela 4.18 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2600 W.
Com Controlo Sem Controlo
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.
Tabela 4.19 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2600 W.
Com Controlo Sem Controlo
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
• Tensão de referência de 251 V
Figura 4.12 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 251 V e Potência Ativa de referência de 2600 W.
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.
Tabela 4.20 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 251 V e Potência Ativa de referência de 2600 W.
Com Controlo Sem Controlo
Erro Fluke
Erro S. Exp
Erro Fluke
Erro S. Exp
Potência Ativa -0,31 -0,08 0,08 -0,04
Potência Reativa -0,33 3,95
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
C/Controlo S/Controlo
Potência Ativa [W] 2600 2592 2598 2600 2602 2599
Potência Reativa [VAr] -1519 -1514 -1579 67,49 56 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
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.
Tabela 4.21 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 251 V e Potência Ativa de referência de 2600 W.
Com Controlo Sem Controlo
Vrede [V] (sem MG) 229,8 229,8
Vrede [V] (com MG) 232,3 232,3
ΔV [V] 2,5 2,5
• Tensão de referência de 252 V
Figura 4.13 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 252 V e Potência Ativa de referência de 2600 W.
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.
C/Controlo S/Controlo
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
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.
Tabela 4.22 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 252 V e Potência Ativa de referência de 2600 W.
Com Controlo Sem Controlo
Erro Fluke
Erro S. Exp
Erro Fluke
Erro S. Exp
Potência Ativa 0,38 -0,04 0,12 -0,08
Potência Reativa -7,93 9,24
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.
Tabela 4.23 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 252 V e Potência Ativa de referência de 2600 W.
Com Controlo 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
• Tensão de referência de 250 V
Figura 4.14 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2800 W.
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.
C/Controlo S/Controlo
Potência Ativa [W] 2341 2362 2338 2800 2803 2801
Potência Reativa [VAr] -1663 -1677 -1753 72,69 59 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
54
Tabela 4.24 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2800 W.
Com Controlo Sem Controlo
Erro Fluke
Erro S. Exp
Erro Fluke
Erro S. Exp
Potência Ativa 0,9 -0,13 0,11 0,04
Potência Reativa 0,84 5,41
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.
Tabela 4.25 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 250 V e Potência Ativa de referência de 2800 W.
Com Controlo Sem Controlo
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
• Tensão de referência de 251 V
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.
Figura 4.18 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 251 V e Potência Ativa de referência de 2800 W.
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.
C/Controlo S/Controlo
Potência Ativa [W] 2800 2726 2692 2800 2802 2800
Potência Reativa [VAr] -1385 -1397 -1453 72,69 57 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
57
Os erros relativos em relação aos resultados teóricos são apresentados na Tabela 4.26 e comprovam
o correto funcionamento do sistema.
Tabela 4.26 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 251 V e Potência Ativa de referência de 2800 W.
Com Controlo Sem Controlo
Erro Fluke
Erro S. Exp
Erro Fluke
Erro S. Exp
Potência Ativa -2,64 -3,86 0,07 0
Potência Reativa 0,87 4,91
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.
Tabela 4.27 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 251 V e Potência Ativa de referência de 2800 W.
Com Controlo Sem Controlo
Vrede [V] (sem MG) 236,7 236,5
Vrede [V] (com MG) 238,6 239,5
ΔV [V] 1,9 3
58
• Tensão de referência de 252 V
Os resultados obtidos neste ensaio são apresentados na Figura 4.19.
Figura 4.19 - Resultados obtidos no ensaio com tensão de referência de 252 V e Potência Ativa de referência de 2800 W.
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
0,18Ω, o que resulta num rácio:
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.
C/Controlo S/Controlo
Potência Ativa [W] 2800 2814 2798 2800 2800 2800
Potência Reativa [VAr] -1142 -1127 -1190 72,69 57 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
59
Tabela 4.28 - Erros relativos, em percentagem (%), para o ensaio com tensão de referência de 252 V e Potência Ativa de referência de 2800 W.
Com Controlo Sem Controlo
Erro Fluke
Erro S. Exp
Erro Fluke
Erro S. Exp
Potência Ativa 0,5 -0,07 0 0
Potência Reativa -1,31 4,20
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%.
Na Tabela 4.29 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 se começa a injetar energia na rede, com MG.
Tabela 4.29 - Variação da tensão na rede BT sem MG e com MG, para uma tensão de referência de 252 V e Potência Ativa de referência de 2800 W.
Com Controlo Sem Controlo
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
• Tensão de referência de 253 V
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.
C/Controlo S/Controlo
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
61
Em relação às características da rede, estimou-se uma resistência de 0,99Ω e uma reatância de
0,148Ω, o que resulta num rácio:
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.
Com Controlo Sem Controlo
Erro Fluke
Erro S. Exp
Erro Fluke
Erro S. Exp
Potência Ativa 0,25 -0,04 0 0
Potência Reativa -2,92 8,14
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.
Com Controlo Sem Controlo
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.
C/Controlo S/Controlo
Potência Ativa [W] 2800 2820 2800 2800 2805 2800
Potência Reativa [VAr] -1141 -1131 -1190 72,68 56 0
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
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.
Com Controlo Sem Controlo
Erro Fluke
Erro S. Exp
Erro Fluke
Erro S. Exp
Potência Ativa 0,71 0 0,18 0
Potência Reativa -0,88 4,29
Vinv -0,04 -0,05 0,04 0,02
Corrente 0,67 0,75 0,09 -0,18
Na Tabela 4.33 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 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.
Com Controlo Sem Controlo
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.
Com Controlo Sem Controlo
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
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
67
Figura 4.27 - Apresentação de P, Q e V para a tensão de referência de 251 V. Situações com controlo.
Figura 4.28 - Apresentação de P, Q e V para a tensão de referência de 252 V. Situações com controlo.
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]
Potências de Referência
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
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]
Potências de Referência
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
68
Figura 4.29 - Apresentação de P, Q e V para a tensão de referência de 253 V. Situações com controlo.
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
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Potência de Referência de 2800 W
Potência Ativa [W] Potência Reativa [VAr] Vinv [V]
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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.
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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.
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Referências
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