Pedido de Patente de Invenção para “MÉTODOS DE CONTROLE DE CORRENTE EM CONJUNTO COM A MODULAÇÃO DE ELIMINAÇÃO SELETIVA DE HARMÔNICOS EM CONVERSOR CC-CA TRIFÁSICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA PARA MITIGAR A DISTORÇÃO DE CORRENTE POR HARMÔNICOS DE BAIXA ORDEM E DE FILTRAGEM DIGITAL DE HARMÔNICOS”

CAMPO DA INVENÇÃO

[001 ] A presente invenção se refere a um método para implementação de controle de corrente em conjunto com modulação de eliminação seletiva de harmônicos para um conversor CC-CA (Corrente contínua - Corrente alternada) trifásico conectado à rede elétrica. Mais especificamente, o método da presente invenção se refere a uma implementação de controle de corrente em malha fechada de conversores eletrônicos de potência trifásicos conectados à rede elétrica que se baseiam na modulação por eliminação seletiva de harmônicos (SHE PWM, do inglês Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation) a partir de correntes medidas com alto conteúdo de distorção harmônica de baixa ordem.

[002] De maneira geral, as vantagens técnicas da presente invenção são obtidas com a tecnologia aplicada em conjuntos com o conversor de fator de potência unitário em todas as suas possíveis aplicações como, por exemplo, mas não limitadas a:

- interface entre gerador de energia eólica e a rede elétrica;

- interface entre planta de geração fotovoltaica e a rede elétrica;

- interface entre sistemas de armazenamento de energia em larga escala (como baterias e supercapacitores) e a rede elétrica; - interface entre acionamentos elétricos de alta potência e a rede elétrica. Em especial nos casos em que estes acionamentos demandem frenagem regenerativa.

[003] O sistema de filtragem digital de harmônicos pode ser aplicado em qualquer local onde se necessite filtrar, em tempo real ou não, harmônicos de baixa ordem sem atenuar a componente fundamental.

ESTADO DA TÉCNICA

[004] A técnica de eliminação seletiva de harmônicos tem grandes benefícios para aplicações de alta potência conectadas à rede elétrica, a saber: conhecimento prévio dos harmônicos característicos da forma de onda, baixas perdas devido à baixa frequência de chaveamento, harmônicos em ordem mais alta (mais fáceis de filtrar) do que em técnicas de modulação convencional.

[005] Para um controle do fluxo de potências ativa e reativa, a técnica de controle de corrente em coordenadas é uma forte candidata, porém sua aplicação em conjunto com a eliminação seletiva de harmônicos em controladores industriais é não trivial. Dentre os principais desafios estão:

(1) Armazenar os ângulos de comutação da eliminação seletiva de harmônicos (em tabelas de consulta - look-up table) e atualizá-los em uma taxa suficientemente rápida ao controle de corrente (controle de amplitude - índice de modulação);

(2) Garantir a sincronia da componente fundamental da forma de onda chaveada com a rede elétrica e com a defasagem requerida pelo controle de corrente (controle de ângulo).

O documento “FPGA based selective harmonic elimination pulse width modulation technique” de 2009 revela que o modulador SHE PWM é implementado em um FPGA através de redes neurais treinadas para obter o padrão de pulsos desejado na saída em virtude de determinado índice de modulação. O maior objetivo é reduzir o tamanho das tabelas de consulta (look-up table). Os resultados são apresentados para um sistema monofásico com 6 ângulos de comutação (controlando a fundamental e eliminando 3 ^o , 5 ^o , 7 ^o , 9 ^o e 11° harmônico). A solução apresentada no estado da técnica não contempla controle de fase da fundamental e não faz menção ao controle em malha fechada.

[006] O documento “Flash FPGA-based numerical pulse-width modulator” de 2011 revela a implementação do modulador SHE PWM em FPGA, onde a operação lógica XOR é realizada entre a forma de onda obtida pelo método SHE PWM e um sinal de razão cíclica variável para obter, como resposta, a forma de onda final. O objetivo é reduzir o tamanho da tabela de consulta, porém sem perder a resolução da forma de onda fundamental de saída. Resultados são apresentados para o controle da fundamental e a redução de harmônicos de ordem 5 ^a e 7 ^a . O custo de tal solução é o aparecimento de harmônicos na tensão que, de outro modo, não seriam característicos. Também não apresenta o método de controle de fase da fundamental nem faz menção ao controle em malha fechada.

[007] Uma solução para controle de conversores trifásicos conectados à rede elétrica em malha fechada utilizando a modulação SHE PWM de 15 pulsos (controle da fundamental e eliminação dos harmônicos 5 ^o , 7 ^o , 1 I ^o , 13°, 17°, 19°, 23°, 25°, 29°, 31°, 35°, 37°, 41°, 43°) é apresentada no documento “Closed loop selective harmonic elimination applied to a grid connected PWM converter with LCL filter” de 2011, onde o modulador SHE PWM é implementado em FPGA e o restante do controle em processador digital de sinais (DSP - Digital Signal Processor). O controle de fase da fundamental é realizado através de um terceiro controlador proporcional-integral (PI) que trabalha a partir do erro entre o ângulo de referência (saída do controle de corrente em eixo rotativo síncrono) e o ângulo real medido. Tal solução possui como desvantagens: (1) aparente variação da frequência fundamental sintetizada pelo modulador em tomo da frequência da rede elétrica; (2) Frequência de chaveamento relativamente próxima ao valor já empregado em conversores de alta potência (15 pulsos na forma de onda implicam em uma frequência de chaveamento de 1860 Hz para conversores 2 níveis); (3) Método utilizado para o rastreamento do ângulo da rede (conversão das medidas trifásicas em eixo estacionário) sensível a distorções e desequilíbrio nas tensões; (4) A dinâmica do sistema estará comprometida, uma vez que os autores utilizaram como frequência o sinal de saída de um controlador proporcional-integral do ângulo, o que está matematicamente incorreto (a frequência é a derivada do ângulo). Por fim, a solução proposta emprega ainda o uso de filtro indutor-capacitor-indutor (LCL) na conexão com a rede elétrica, o que não faz o melhor aproveitamento do fato de os harmônicos característicos na estratégia SHE PWM serem estritamente definidos.

[008] O documento “Method for realizing selective harmonic elimination modulation by adopting fixed control cycle” de 2013 revela uma aplicação de controle de corrente combinado com a modulação de eliminação seletiva de harmônicos para conversores fonte de tensão de três níveis. O rastreamento do ângulo da tensão da rede e o controle de corrente em malha fechada em eixo rotativo é realizado em um controlador convencional. A tensão e o ângulo de referência (saídas do controle de corrente) e a frequência (derivada do ângulo) são enviadas para uma FPGA, processando a 40 MHz. Como a frequência cíclica do controlador convencional é de apenas 625 Hz, o próprio FPGA realiza a integração do sinal de frequência para obter o ângulo da rede elétrica com melhor resolução. Um sistema que compara o valor atual do ângulo de referência com o valor anterior em relação a referências preestabelecidas, decide quando o valor do ângulo da onda sintetizada de saída dever ser atualizado ou não, de forma a fazer com que o SHE PWM trabalhe com um ângulo aproximadamente constante a maior quantidade de ciclos possível e que não haja mudança do padrão de chaveamento em um mesmo ciclo. Não é apresentada a estratégia utilizada para o rastreamento do ângulo da rede nem a forma de comunicação entre DSP e FPGA. Não é apresentado detalhes sobre a implementação SHE PWM utilizada: número de pulsos e harmônicos eliminados são exemplos de informações importantes omitidas. O uso de toda a informação de amplitude, ângulos e frequência proveniente de controle lento em DSP toma tal controle mais susceptível as variações na rede elétrica. A solução é baseada na implementação de conversores 3 níveis conectados à rede elétrica através de filtro LCL, não fazendo um bom aproveitamento do SHE PWM.

[009] R. Ekstrom e M. Leijon, no documento “FPGA control implementation of a grid-connected current-controlled voltage-source inverter” de 2013 sugerem uma aplicação de um controle de corrente em malha fechada em conversor trifásico conectado à rede elétrica é totalmente implementada em FPGA. Contudo, o sistema de rastreamento de ângulo da rede utilizado é ainda susceptível à presença de rede distorcida e equilibrada. A técnica de modulação PWM utilizada (PWM senoidal) é muito simples e de pouco uso prático em sistemas trifásicos (reduzido aproveitamento da tensão do barramento de corrente contínua).

[010] Por sua vez, o documento “Phase-locked loop based on selective harmonics elimination for utility applications”, de N. R. N. Ama, F. O. Martinz, L. Matakas, e F. Kassab, 2013, sugere um novo sistema de rastreamento de ângulo da rede, baseado em um PLL onde o oscilador controlado por tensão (VCO - Voltage-Controlled Oscillator) é projetado para um sinal de tensão modulado pela técnica de eliminação seletiva de harmônicos (ao invés de ser senoidal) com o intento de simplificar a implementação de PLLs em FPGAs e DSPs, enquanto que mitigando o erro de regime permanente quando a tensão contém harmônicos. Não é apresentado em nenhum contexto de aplicação com controle em malha fechada. A eliminação seletiva de harmônicos não é utilizada como técnica de PWM.

[011] Já o documento “Harmonic analysis and FPGA implementation of SHE controlled three phase CHB 11 -level inverter in MV drives using deterministic and stochastic optimization techniques” de 2013 revela a implementação do SHE PWM em FPGA com cálculo em tempo real dos ângulos através da técnica de otimização por enxame de partículas visando sua aplicação em conversores de ponte H em cascata. Os resultados são apresentados em malha aberta e sem carga. O documento é silente com relação a sincronismo com rede e controle de corrente em malha fechada.

[012] O documento “A real-time and closed-loop control algorithm for cascaded multilevel inverter based on artificial neural network”, de L. Wang, C. Mao, D. Wang, J. Lu, J. Zhang, e X. Chen, 2014 revela redes neurais treinadas para implementação em tempo real do modulador SHE PWM para conversores de ponte H em cascata. O objetivo é reduzir o custo computacional da aplicação. Um controle de tensão em malha fechada é implementado para ajustar o índice de modulação em função da tensão real na saída. O documento é silente sobre controle de corrente em malha fechada e sobre a aplicação conectada à rede elétrica.

[013] Por sua vez, o documento “FPGA-based implementation of online selective harmonic elimination PWM for voltage source inverter” de D. Bendib, C. Larbes, A. Guellal, M. Khider, e F. Akel, 2017, revela a implementação em FPGA de uma estratégia de SHE PWM com número de pulsos variável com a frequência de forma a possibilitar uma estratégia de controle escalar (Volts / Hertz constante) no acionamento de motores elétricos. As curvas de ângulos calculadas offline por métodos tradicionais são aproximadas por interpolação polinomial em equações cujos coeficientes variam de acordo com o número de pulsos. Resultados são apresentados em malha aberta. Não há menção ao caso de conversor conectado à rede elétrica com controle de corrente em malha fechada.

[014] Segundo K. Imarazene, Y. S. Ali Khodja, C. Rouabhia, E. M. Berkouk, e H. Chekireb no documento “FPGA-hased control of three-level inverter using Selective Harmonics Elimination PWM” de 2017, SHE PWM de 4 pulsos (controlando a fundamental e eliminando 5°, 7° e 1 I ^o harmônicos) para conversores de três níveis é implementado em FPGA. Apenas resultados em malha aberta são apresentados e não há menção ao controle de corrente em malha fechada de conversores conectados à rede elétrica.

[015] Por sua vez, o documento ‘'Current Control of Grid Tied Inverter through SHEPWM Method” de S. D. Patil, S. G. Kadwane, e S. P. Gawande, 2017, implementa a estratégia de controle de corrente em malha fechada utilizando SHE PWM em um conversor 7 níveis (composto por ponte H em cascada) monofásico. Detalhes do rastreamento do ângulo da rede (PLL) e do controle de corrente não são apresentados. A aplicação é sobremaneira facilitada pelo uso de conversores CC-CC intermediários que permitem escolher e manter fixo o índice de modulação (apenas um conjunto de ângulos), o que limita muito a aplicação, uma vez que estágios de conversão intermediários são necessários entre o conversor e a carga / fonte CC. Outra limitação, é que os autores apresentam uma aplicação monofásica e aplicam a estratégia SHE PWM ignorando os harmônicos de terceira ordem (em especial o terceiro).

[016] O documento “Digital implementation of SHE-PWM modulation on FPGA for a multilevel inverter” de M. D. de C. Alves e M. D. De Carvalho Alves, R. N. A. Leao, e S. Aquino, 2018 revela a implementação em FPGA da eliminação seletiva de harmônicos para um conversor trifásico de três níveis combinando, por fase, conversor meia- ponte H (HB - Half Bridge) e conversor de ponto de neutro ativo grampeado (ANPC - Active Neutral Point Converter). Os resultados apresentados são direcionados a apenas um índice de modulação e não há menção ao controle de corrente conectado à rede elétrica.

[017] O documento “Harmonics minimization in 3 -level inverter waveform and its FPGA realization” de S. Ahmad, Z. A. Ganie, I. Ashraf, e A. Iqbal, 2018 revela que a eliminação seletiva de harmônicos é implementada em FPGA para conversores 3 níveis para número de pulsos igual 3, 5, 7, 9 e 13. Não há controle em malha fechada nem sincronização com a rede elétrica.

[018] Um terceiro desafio de muita relevância em aplicações como a do conversor de fator de potência verdadeiramente unitário (TUPF - True Unity Power Factor) inicialmente proposto por B. de J. C. Filho e T. M. Parreiras no documento “Método e equipamento para eliminação de componentes harmônicos e obtenção de fator de potência unitário em conversores corrente alternada - corrente contínua e corrente contínua - corrente alternada” de 2014, é a necessidade de extrair em tempo real a componente fundamental da corrente que circula nos conversores, a qual é altamente distorcida por harmônicos de baixa ordem (mais notadamente, 5 ^o e T harmônicos), que devem ser filtrados em tempo real para não deteriorar o funcionamento do conversor. A filtragem em tempo real de sinais na malha de realimentação de controle, exige atenuação dos harmônicos de baixa ordem sem impacto na amplitude da fundamental (o que toma a faixa de transição entre a banda de passagem e a banda proibida muito curta), além de mínimo atraso do sinal. Neste caso, inicialmente foi proposto a predição dos harmônicos presentes na corrente, método de alto custo computacional (os moduladores SHE PWM são duplicados) e extremamente dependente dos parâmetros estimados da planta (método em malha aberta).

[019] Na evolução dos trabalhos foi proposta a medição das correntes no primário do transformador inerente a tecnologia TUPF, as quais já são praticamente senoidais. Contudo essa solução, além de exigir medições de correntes para controle no primário do transformador que pode estar distante do ponto de instalação do conversor e ser de alta-tensão, só é aplicável onde se possa razoavelmente pressupor uma divisão por igual das correntes em cada secundário. Isso limita a aplicação para casos onde os barramentos em corrente contínua que compõe cada um dos conversores de tal tecnologia estejam conectados em paralelo. Barramentos não conectados entre si ou em série, demandam a necessidade do controle de injeção de potências ativas diferentes entre secundários, logo necessitando do uso das correntes altamente distorcidas presentes nesses.

[020] Por sua vez, o documento “Performance evaluation of digital filters used for distance relaying” de S. A. Soliman, G. S. Christensen, e S. Fouda de 1991 revela filtros digitais de resposta infinita ao impulso (IIR - Infinity Impulse Response) do tipo Butterworth de ordens distintas (4 ^a , 8 ^a e 10 ^a ordem), utilizados no processamento pós-falta de sinais de tensão e corrente de relés de distância para atenuar harmônicos de quinta ordem e superior, que são comparados quanto a precisão na localização da falta e o tempo de atraso para essa localização. Os filtros de mais alta ordem apresentam melhor precisão ao custo de um maior tempo para atingir o resultado correto. Contudo, não é uma solução com preocupação de controle de corrente em tempo real.

[021] Um método para capturar a sequência positiva, negativa e zero da fundamental e harmônicos de uma tensão trifásica é apresentado no estado da técnica, o qual faz uso do rastreamento do ângulo da tensão através do uso de PLL de 2 ^a ordem e algoritmo de mínimos quadrados. A componente fundamental é detectada em aproximadamente dois ciclos da forma de onda. Método não aplicável a detecção de fundamental em correntes, uma vez que elas não estão, necessariamente, em fase com a tensão e a solução envolvendo PLL não pode ser aplicada a circulação de correntes. [022] No documento “Design of a digital HR filter for active filtering applications” de 2012 apresentado por A. Hemdani, M. W. Naouar, I. S. Belkhodja, e Anouar. Monmasson, é revelado o desenvolvimento de um filtro digial baseado em HR Butterworth de 6 ^a ordem para aplicação em filtro ativo de harmônicos do tipo shunt. A necessidade de remover harmônicos de baixa ordem (5 ^o e 7 ^o , mais notadamente) sem afetar os harmônicos de baixa ordem foi facilitada pela filtragem do sinal em eixo rotativo com a frequência fundamental da rede (as componentes d e q da corrente aparecem no eixo rotativo como componentes contínuas). A estreita banda de transição do filtro (100 Hz) foi responsável pela escolha da ordem do filtro. Embora ele tenha atingido os objetivos da aplicação, o atraso de aproximadamente dois ciclos na obtenção do valor correto da fundamental não seria suficiente para o controle dinâmico de um retificador ativo. A estratégia de obtenção do ângulo para o eixo rotativo também (simples obtenção do ângulo do eixo de coordenadas estacionárias alfa e beta) é sensível a fortes distorções ou desequilíbrio de tensões na rede.

[023] O uso de filtros digitais IIR é o método comum para separar a componente fundamental das componentes harmônicas (incluindo baixa ordem) em filtros ativos do tipo shunt, como mostrado em J. Reinhart, “Controlling Harmonic Distortion in Power Electronics using Active Power Filters”, 2013. Contudo, devido ao fato de o problema de harmônicos ser tratado majoritariamente em regime permanente, não há preocupação com o atraso provocado nesse tipo de solução.

[024] O documento “Filtering and processing of harmonic signals using averaging technique in digital relays” de N. K. Javinani, H. A. Abyaneh, e K. Mazlumi, 2013 propõem a utilização de filtro média móvel com o período de cálculo propriamente ajustado em substituição a filtros IIR passa baixas de I ^a ou 2 ^a ordem no processamento de sinais de corrente e tensão em relés digitais de proteção. Não houve preocupação alguma com a defasagem no sinal ocasionada por essas abordagens, uma vez que a finalidade não era o controle.

[025] O documento “A Method for Extracting the Fundamental- Frequency Positive-Sequence Voltage Vector Based on Simple Mathematical Transformations” , de H. E. P. de Souza, F. Bradaschia, F. A. S. Neves, M. C. Cavalcanti, G. M. S. Azevedo, e J. P. de Arruda, 2009, revela um esquema de rastreamento de ângulo da componente fundamental de sequência positiva da tensão da rede é apresentado a partir do uso de uma série de transformações derivadas da teoria de componentes simétricas, filtro de resposta finita ao impulso (FIR - Finite Impulse Response) de 20 ^a ordem e PLL em eixo rotativo. Embora o método seja efetivo no rastreamento dinâmico do ângulo do vetor de tensão em sistemas trifásicos, os atrasos apresentados na reconstrução dos sinais CA são um potencial problema para aplicação como filtro em correntes utilizadas como realimentação para controle em malha fechada.

[026] O documento “Voltage fundamental component detection method for overcoming frequency perturbation” de 2014 revela um esquema de extração da componente fundamental da tensão em uma rede com perturbações de frequência baseado em transformação de Fourier de janela móvel. Método que se apresenta capaz de rastrear frequência e fase corretamente em um sistema com perturbação de frequência e presença de harmônicos. O esforço computacional é razoável (grande conjunto de equações e necessidade de DFT em tempo real) e sua aplicação em sinais de corrente para realimentação de controle em malha fechada é incerta.

[027] Por sua vez, o documento “Evaluation of Fundamental d-q Synchronous Reference Frame harmonic Detection Method for Single Phase Shunt Active Power Filter” , de S. Gautam, P. Yunqing, Y. Kafle, M. Kashif, e S. U. Hasan, 2014, revela que a aplicação de filtro média móvel é a escolha para obtenção da componente fundamental em um filtro ativo de harmônicos monofásico do tipo shunt, com vantagens em relação a filtros passa baixas Butterworth de 3 ^a ordem ou de 2 ^a ordem cascateado com filtro rejeita faixa (filtro notch). Semelhante ao que foi dito com referência ao proposto em “Design of a digital HR filter for active filtering applications” de 2012 apresentado por A. Hemdani, M. W. Naouar, I. S. Belkhodja, e Anouar. Monmasson, nesse caso os atrasos são mais aceitáveis uma vez que a corrente sendo filtrada não está no caminho de realimentação, mas sim na geração da referência para o filtro.

[028] O documento “LMS Algorithm Based Fundamental Current Detection for Shunt Hybrid Filter”, de R. Sriranjani e S. Jayalalith, 2014, revela um algoritmo de mínimos quadrados que é utilizado para a filtragem necessária para um filtro trifásico híbrido shunt. Além do exposto acima (o fato de atrasos nessa corrente, que não é a variável controlada, serem aceitáveis nessa aplicação), o filtro passivo do sistema híbrido proposto foi dimensionado para o harmônico de menor ordem e mais predominante no sistema (5 ^o harmônico), o que facilitou em muito o funcionamento do sistema proposto, porém há a desvantagem do alto custo de hardware de potência.

[029] Por sua vez, o documento “A Review of Design Digital Filter for Harmonics Reduction in Power System”, de P. Nagare, S. Pable, e A. K. Kureshi, 2016, revela filtros digitais HR e FIR que são comparados tendo em vista a aplicação em sistemas elétricos na presença de harmônicos. Enquanto os filtros FIR são sempre estáveis e possuem características especiais como a fase linear, eles são de exigência computacional muito maior (filtros de maior ordem são necessários para um resultado preciso e um maior armazenamento de dados também). Os mesmos autores utilizaram esses filtros em outros trabalhos, porém poucos detalhes foram informados e as aplicações de necessidade de filtragem em tempo real não foram endereçadas. [030] O documento “A Fast-Convergent Modulation Integral Observer for Online Detection of the Fundamental and Harmonics in Grid- Connected Power Electronics Systems”, de B. Chen, G. Pin, W. M. Ng, T. Parisini, e S.-Y. R. Hui, 2017, revela que a técnica de observador de função de modulação integral é proposta para extrair as componentes fundamentais e harmônicos de correntes distorcidas em aplicações de filtros ativos shunt. A proposta é comparada com outras técnicas: Transformada Discreta de Fourier Recursiva, método baseado na teoria de potências instantâneas, e método de filtro notch adaptativo. O tempo de convergência de todos os métodos, na casa de 10 ms (melhores casos) ou superior, ainda são prejudiciais se aplicados na realimentação de controle de corrente de retificadores ativos.

[031] Diferentemente do estado da técnica, o efeito técnico alcançado pela presente invenção é a implementação não apenas do modulador, mas também o sistema de rastreamento de ângulo (PLL) no próprio FPGA, o que representa uma melhoria substancial no comportamento dinâmico do sistema, uma vez que as variações da rede são diretamente percebidas pelo sistema PLL + SHE PWM em FPGA de processamento mais rápido.

[032] A aplicação da tecnologia aqui proposta em combinação com um conversor de fator de potência verdadeiramente unitário elimina a necessidade de medição das correntes no primário do transformador para finalidade de controle, o que podería ser de grande complexidade devido as possibilidades de o transformador ser instalado em diferente localização e de seu primário ser em Alta Tensão (AT).

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[033] A Figura 1 mostra a tecnologia do presente pedido aplicada ao controle do conversor de fator de potência verdadeiramente unitário (TUPF: True Unity Power Factor). [034] A Figura 2 mostra a corrente típica entre conversores e secundários na tecnologia TUPF, a forma de onda (a) e o espectro harmônico (b).

[035] A Figura 3 mostra um diagrama de blocos de filtragem por transformador virtual.

[036] A Figura 4 mostra a forma de onda da corrente medida sobreposta ao valor filtrado durante um degrau positivo da referência de corrente (a) e durante um degrau negativo da referência de corrente (b).

[037] A Figura 5 mostra um diagrama de blocos e a função de transferência de uma filtragem por transformador virtual para o caso de sinais monofásicos. Também, são apresentados gráficos de resposta em frequência.

[038] A Figura 6 mostra uma modalidade de montagem para testes laboratoriais da tecnologia do presente pedido, que inclui o protótipo do conversor TUPF (1), osciloscópio (2), transformador DdOyl l (4), computador de programação (5), analisador de energia (6).

[039] A Figura 7 mostra o esquema de potência do ensaio laboratorial com a tecnologia do presente pedido em que o sinal de referência (3) representa a conexão trifásica a 3 fios.

[040] A Figura 8 mostra a tensão de linha entre fases A e B em conjunto com as correntes da fase A circulando em ambos os conversores (altamente distorcidas) e a corrente resultante na rede elétrica (praticamente senoidal).

[041] A Figura 9 mostra a tensão de linha entre fases A e B em conjunto com as correntes nas três fases da rede.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [042] O método aqui descrito está representado na Figura 1 no contexto da aplicação em conversor de fator de potência verdadeiramente unitário, podendo, contudo, ser empregado em qualquer aplicação de conversor conectado à rede onde deseje-se utilizar o controle de corrente em malha fechada combinado com a modulação de eliminação seletiva de harmônicas, o que, em geral é de maior interesse em conversores de alta potência. O método consiste nas seguintes etapas:

[043] Etapa 1: As correntes medidas entre secundários do transformador e conversores, cuja forma de onda e espectro harmônico típicos estão apresentadas na Figura 2, possuem alto conteúdo harmônico de baixa ordem (em especial 5 ^o e 7 ^o ). As componentes fundamentais dessas correntes precisam ser extraídas em tempo real antes de prosseguir seu caminho de realimentação no controlador, o que é feito por um método doravante denominado Filtragem por Transformador Virtual (FTV), apresentado esquematicamente na Figura 3, que consiste em emular, através de equacionamento adequado, o comportamento de um transformador de vários enrolamentos com uma defasagem conveniente.

[044] No exemplo específico da Figura 3, um transformador com primário em Estrela e secundários em estrela (sem defasagem) e delta (defasado de 30°) é emulado (YyOdl). Cada corrente medida é tratada como que passando pelo secundário em estrela, uma versão dessa mesma corrente atrasada no controlador por um número de amostras equivalente à 30° da fundamental (por exemplo, 8 amostras para um processamento de 5,76 kHz no processador e uma frequência fundamental na rede de 60 Hz) é tratada como que passando pelo secundário em delta. As correntes resultantes no primário, são inerentemente filtradas de harmônicos da ordem 6k+l, onde k é um número ímpar inteiro. O ganho ao final da Figura 3 é para o ajuste da amplitude da resultante. Ainda conforme indicado na Figura 3, este modelo também representa um transformador com primário e um dos secundários em triângulo (sem defasagem) e outro secundário em estrela defasado de 30° (DdOyl).

[045] O resultado desse processo é apresentado na Figura 4 para a corrente de uma das fases. É apresentado a forma de onda original da corrente em conjunto com a forma de onda filtrada, onde pode-se verificar o comportamento em regime estacionário e, em especial, dinâmico da técnica proposta que permite a sua utilização para filtragem em tempo real de correntes trifásicas altamente distorcidas por harmônicos de baixa ordem.

[046] Uma expansão deste conceito de filtragem por transformador virtual, pode ser feita para abarcar os casos de sinais monofásicos, conforme indicado na Figura AA, onde são apresentados o diagrama de blocos do filtro monofásico e sua função de transferência. Neste caso, o sinal que seria originalmente proveniente de outra fase no secundário defasado de 30°, é substituído por um atraso apropriado do único sinal de entrada. A função de transferência deste filtro, mostra o ganho unitário na frequência de 60 Hz (ausência de atenuação e fase nula), além da forte atenuação dos harmônicos de ordem 6 k ± 1 para todo k inteiro e ímpar.

[047] É importante salientar, que esse método não se limita ao caso aqui apresentado (emulação de transformadores YyOdl ou DdOyl), transformadores de três enrolamentos em quaisquer outras configurações que produzissem a defasagem de 30° entre os dois secundários, com um deles em fase com o primário, produzirão o mesmo efeito bastando o devido reajuste das equações de acordo com o a ligação escolhida para ser emulada.

[048] Esse método pode ser expandido ainda para a emulação de transformadores com mais de três enrolamentos, bastando, nesse caso, além do correto equacionamento de acordo com a ligação dos transformadores, o correto defasamento da corrente medida para os outros secundários virtuais dessa metodologia. Dessa forma, pode-se conseguir a filtragem de um número ainda maior de harmônicos de baixa ordem.

[049] Etapa 2: As correntes filtradas pelo método descrito no passo 1, que já ocorre dentro de um controlador com frequência de processamento da ordem de alguns kHz (e.g., um TMS320F28335 com frequência de amostragem de 5,76 kHz), alimentam o controle de corrente em malha fechada neste mesmo controlador. Este controle é desenvolvido em eixo de coordenadas rotativo síncrono ao ângulo do vetor de tensão da rede, utilizando como mecanismo de rastreamento do ângulo o PLL de duplo eixo referencial síncrono desacoplado, o qual é capaz de rastrear o ângulo da componente fundamental de sequência positiva da tensão na rede mesmo em situações de rede fortemente desequilibrada e/ou com tensões distorcidas (presença de harmônicos).

[050] O controle em malha fechada para ambos os conversores está incluso no mesmo controlador, o que é facilitado devido ao fato de o SHE PWM ser implementado em hardware específico (vide Etapa 3), o que reduz o processamento demandado do DSP. A referência de corrente ativa (corrente de eixo direto) é dada por um controle de tensão do barramento em corrente contínua o qual pode variar de acordo com o tipo de ligação entre as entradas de corrente contínua dos conversores (série, paralelo ou individual). A referência de corrente reativa (eixo em quadratura) é livre para o usuário de acordo com a necessidade ou não de suporte de reativos (serviços ancilares).

[051] A saída dos controladores de corrente, tensões de eixo direto e quadratura, são propriamente convertidas para índice de modulação e ângulo entre o vetor de tensão da rede e o vetor de tensão de referência para o conversor. Estes sinais são enviados para o FPGA (Etapa 3) através de um protocolo de comunicação adequado (série ou paralelo). [052] Etapa 3: O índice de modulação e o ângulo de referência do vetor de tensão do conversor em eixo síncrono são recebidos no segundo controlador que compõe a tecnologia proposta (um FPGA). Neste controlador, estão implementadas as tabelas de consulta (look-up tables) para a modulação por eliminação seletiva de harmônicos dos dois conversores e o segundo PLL, do mesmo tipo que o mencionado no passo 2, que faz com que essa tecnologia seja denominada dual PLL. Dessa forma, tanto as tabelas de consulta do SHE PWM quanto o sinal de ângulo da rede (que define também a frequência) podem ser processados numa taxa substancialmente maior (por exemplo, 250 kHz) o que é essencial para o correto funcionamento dinâmico e em regime estacionário do controle de corrente em malha fechada conectado à rede elétrica com SHE PWM.

[053] As saídas desse FPGA (GPIOs) são utilizadas para envio de pulsos aos dispositivos de disparos das chaves semicondutoras dos conversores (após a correta adequação dos níveis de tensão/corrente dos sinais, conforme a necessidade de cada aplicação em específico).

EXEMPLO

[054] Um protótipo em pequena escala (30 kVA / 440 V) da tecnologia apresentada no estado da técnica foi montado, conforme Figura 5, onde foi implementada a tecnologia proposta para controle do seu funcionamento. O conversor foi ligado à rede do laboratório, conforme esquema apresentado na Figura 6, de forma a permitir circulação de plena corrente no conversor enquanto a rede é responsável por suprir apenas as perdas do circuito.

[055] A invenção permite a implementação satisfatória de controle de corrente em malha fechada de conversores eletrônicos de potência trifásicos conectados à rede elétrica que se baseiam na modulação por eliminação seletiva de harmônicos (SHE PWM, do inglês Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation) a partir de correntes medidas com alto conteúdo de distorção harmônica de baixa ordem.

[056] O sistema de filtragem digital de harmônicos parte da tecnologia proposta pode ser aplicado em qualquer local onde se necessite filtrar, em tempo real ou não, harmônicos de baixa ordem (mais notadamente o quinto e o sétimo) sem atenuar a componente fundamental. Esse é o caso, por exemplo, de filtros ativos de potência como os do tipo shunt, onde é preciso obter a forma de onda fundamental da corrente na carga não-linear para que, subtraindo essa da corrente total, obtenha-se a referência de corrente harmônica a ser injetada pelo filtro.

[057] O sistema realiza o controle em dois controladores distintos, um microcontrolador em baixa frequência de processamento e um FPGA em alta frequência de processamento. O controle em malha fechada é implementado no microcontrolador e o SHE PWM no FPGA. Existe um sistema de rastreamento do ângulo do vetor de tensão da rede em cada um dos controladores, o que melhora o comportamento dinâmico do sistema e reduz a quantidade de informação a ser trocada entre controladores.

[058] A extração da componente fundamental da corrente distorcida é realizada através da emulação do cancelamento de harmônicos presente em transformadores trifásicos de multienrolamentos, o que permite atenuar os harmônicos de baixa ordem sem distorções apreciáveis de módulo e fase na componente fundamental, permitindo, assim, o uso do sinal resultante na malha de realimentação do controle de corrente.

[059] A tecnologia da presente invenção utiliza um sistema Dual PLL, onde o sistema de rastreamento do ângulo da rede está implementado tanto no sistema de controle de corrente (implementando em DSP em frequência de processamento da ordem de alguns kHz, e.g. 6 kHz) quanto no sistema de PLL + SHE PWM (implementado em FPGA com frequência de processamento na ordem de centenas de kHz, e.g. 250 kHz), o que elimina a necessidade de comunicação do ângulo/frequência da rede entre os dois sistemas existentes no estado da técnica.

[060] A estratégia utilizada para o rastreamento de ângulo, em ambos controladores que compõe a estrutura proposta, é baseada no rastreamento do ângulo da componente fundamental da sequência positiva (onde a transferência de potência é efetivamente realizada) o que, diferentemente do estado da técnica, que utiliza apenas o ângulo da transformada para eixos estacionários, é a adequada para sistemas reais onde distorções e desbalanços podem ser encontrados na rede. Além disso, a escolha pelo PLL de duplo sistema de referência síncrona desacoplados faz com que o sistema seja ainda mais robusto a redes distorcidas e desequilibradas do que as soluções apresentadas no estado da técnica.

[061] A técnica proposta de filtragem digital do sinal de corrente é capaz capturar a fundamental eliminando os harmônicos característicos de baixa ordem (como 5 ^o e 7 ^o ) sem distorção de fase da fundamental (atrasos no sinal) como o provocado por filtros digitais de alta ordem ou outras técnicas encontradas no estado da técnica, o que torna possível o uso desse sinal fundamental no caminho de realimentação do controle de corrente em malha fechada.

[062] A técnica de filtragem digital proposta não necessita de transformações e suas inversas em eixos de coordenadas síncronas, nem faz uso de transformadas de Fourier ou outras transformações matemáticas complexas, o que simplifica em muito a implementação e reduz o custo computacional.

[063] A aplicação da tecnologia aqui proposta em combinação com o conversor de fator de potência verdadeiramente unitário proposto no estado da técnica, permite a utilização dos dois estágios de conversão que compõe aquela estrutura com suas interfaces de potência em corrente contínua, ligadas em série, paralelo ou mesmo individualizadas, diferentemente de soluções adotadas anteriormente, onde somente a ligação em paralelo poderia ser aplicada.

[064] A aplicação da tecnologia aqui proposta em combinação com o conversor de fator de potência verdadeiramente unitário, permite uma maior faixa de passagem no ajuste do controlador de corrente, uma vez que tal controlador deve ser ajustado em uma frequência suficientemente menor (por exemplo, 10 vezes) que os primeiros harmônicos eliminados pelo modulador SHE PWM e, em outras tecnologias propostas atualmente, esses são de 11 ^a e 13 ^a ordem, enquanto que em abordagens convencionais, esses são de 5 ^a e 7 ^a ordem para sistema trifásico e de terceira ordem para sistema monofásico.

[065] Algumas características da presente invenção foram apresentadas, entretanto, a invenção não é limitada pelos exemplos aqui mostrados. Deve ser entendido que omissões, substituições, mudanças na forma e detalhes do sistema e método podem ser feitas por uma pessoa versada na técnica, sem sair do espírito e escopo da invenção.