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ANÁLISE E SIMULAÇÃO DA APLICAÇÃO DE UM CONVERSOR BUCK-RESSONANTE
TRIFÁSICO EM AEROGERADORES SÍNCRONOS DE BAIXA POTÊNCIA A ÍMÃ PERMANENTE
TIARA R. S. FREITAS, DOMINGOS S. L. SIMONETTI, PAULO J. M. MENEGAZ
Laboratório de Eletrônica de Potência e Acionamento Elétrico, Departamento de Engenharia Elétrica,
Universidade Federal do Espírito Santo
Av. Fernando Ferrari, 540, Goiabeiras
E-mails: tiara@ele.ufes.br;d.simonetti@ele.ufes.br;pmello@ele.ufes.br
Abstract This paper presents a rectifier topology (three-phase buck-resonant converter) for low power wind energy conversion
systems based on permanent magnet synchronous generators. The converter is suitable to operate in wind energy conversion
systems with variable wind speed over a wide range, presenting, however, a simple implementation and control. Using it, the PMSG currents present high power factor and low harmonic distortion, making its application indicated to distributed generation
or DC-microgrids where a low-voltage DC-bus is required. The operation of the converter, the design equations that define it and
simulation results of the conversion system in MATLAB/SIMULINK ® platform are presented.
Keywords Wind Energy Conversion System, Permanent Magnet Synchronous Generator, three-phase buck-resonant
converter, distributed generation.
Resumo Este artigo apresenta uma topologia retificadora (o conversor buck-ressonante trifásico) para aplicação em sistemas de conversão de energia eólica a geradores síncronos de ímãs permanentes de baixa potência. O conversor é adequado para
operar em sistemas de conversão de energia eólica a velocidade rotacional variável em uma ampla faixa. Apresenta
implementação e controle de simples execução, operando com alto fator de potência e baixo conteúdo harmônico. Sua aplicação é indicada na geração distribuída ou microgrids CC em que uma tensão de saída baixa é necessária. O funcionamento do
conversor é apresentado, bem como equações de projeto que o definem. Os resultados de simulação do sistema de conversão na
plataforma MATLAB/SIMULINK® confirmam o bom desempenho do conversor nesta aplicação.
Palavras-chave Sistema de Conversão de Energia Eólica, Gerador Síncrono a Imã Permanente, conversor buck-ressonante trifásico, geração distribuída, microgrid CC
1 Introdução
Dentro de um sistema de conversão de energia eólica
(WECS), os conversores eletrônicos de potência
desempenham um papel essencial, principalmente na
geração a partir de turbinas de velocidade variável.
Além de propiciar a adequação do sistema mesmo
com a velocidade variável do vento, os conversores
permitem o controle das potências ativa e reativa e a
operação do sistema no ponto de máxima potência.
Frente às oscilações do vento e à capacidade do
gerador operar em velocidade variável, os
conversores eletrônicos de potência operam com o
papel de manter a tensão e a frequência na rede
constantes, no caso de uma conversão CA-CC-CA ou
somente manter a tensão constante na conversão CA-
CC. O papel do conversor é, portanto, imprescindível
para o adequado fornecimento de energia ao sistema
receptor.
À medida que os níveis de potência das turbinas
cresceram e surgiu a necessidade de que os níveis de
tensão se tornassem mais elevados, foi necessário
desenvolver conversores eletrônicos de potência que
se adequassem a esses novos níveis, e neste contexto,
diversas topologias de conversores têm sido
exploradas para fazer essa conversão com baixo
custo e alta eficiência, como o caso dos conversores
multiníveis.
Entretanto, com o recente crescimento da gera-
ção distribuída, onde é possível compor microgrids,
geralmente associando a geração eólica a painéis
fotovoltaicos (Ahmed et al., 2006), (Ribeiro et al.,
2010), (Carrasco et al., 2006), formando sistemas
híbridos que são mais robustos que sistemas
baseados em uma única fonte (Liserre et al., 2010)
faz-se necessário investigar topologias que realizem
a retificação adequadamente para sistemas de baixa
potência, com menos complexidade que as
desenvolvidas para alta potência. Tais topologias
devem aliar simplicidade e eficiência, utilizando por
exemplo um controle mais simples no disparo nos
semicondutores, apresentando ao mesmo tempo
qualidade de energia satisfatória.
Microgrids CC podem apresentar um único
barramento, ou múçtiplos barramentos (Dragicevic et
al., 2014). O barramento CC pode apreentar um valor
tão baixo como 24V (Liu et al., 2011) ou alto como
3,5kV (Majumder, 2014). Valores típicos situam-se
entre 48V e 450V.
Algumas topologias aplicadas a baixa potência
operando em modo de condução descontínuo foram
apresentadas na literatura por (Oliveira Jr et al.,
2010), (Ni et al., 2009) e (Kazmi et al., 2011) onde a
retificação é realizada por uma ponte retificadora a
diodos, ou como em (Oliveira et al., 2009), onde um
retificador a diodos com um nível intermediário CC é
utilizado para que o conversor possa atuar em um
sistema a velocidade variável. Outra topologia muito
utilizada em baixa potência é o conversor boost,
tanto na configuração a uma chave (Ahmed et al.,
2010), (Carranza et al., 2009), (Tonkoski et al., 2009)
(dos Reis et al., 2004) quanto a três chaves (Reis et
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
547
al., 2008), (Oliveira Jr et al., 2010), (Oliveira et al.,
2009) e (Yu-lin, 2011).
No que se refere à qualidade de energia, para
obter um uso efetivo da energia eólica disponível, as
correntes extraídas do gerador devem ser uma
imagem da tensão gerada. Neste contexto, essas
topologias citadas no parágrafo anterior não atendem
com eficiência a este requisito (Freitas, 2014), pois
apresentam correntes extremamente deformadas em
relação à tensão e consequente conteúdo harmônico
significativo, originando uma potência pulsante de
baixa frequência, causando oscilações de torque.
Este trabalho apresenta o conversor buck-
ressonante aplicado à geração eólica, uma topologia
que proporciona retificação com um alto fator de
potência, baixo conteúdo harmônico e baixas perdas
de comutação – quando comparado aos conversores
convencionais citados. A estrutura mostra-se
indicada em sistemas eólicos de geração distribuída
ou microgeração CC, em que a tensão do barramento
é inferior ao valor de pico da tensão de linha na
condição de menor frequência de operação (cut-in
wind speed).
2 O conversor buck-ressonante trifásico
A Figura 1 apresenta a topologia apresentada com-
pondo um sistema de conversão de energia eólica
CA-CC. Pode-se visualizar que possui apenas uma
chave semicondutora.
Figura 1 - Topologia retificadora trifásica proposta: buck-
ressonante.
Esta é uma topologia, conforme já citado, que
proporciona retificação com qualidade à medida que
operando em estágio multiressonante a chave semi-
condutora é chaveada com corrente nula (ZCS zero-
current switching) e os diodos operam com tensão
nula (ZVS zero-voltage switching). Além disso, dife-
rente dos conversores buck de uma chave apresenta-
dos por (Ismail et al., 1992) cujas correntes de
entrada são pulsantes, neste conversor as correntes de
entrada e saída são contínuas, reduzindo
significativamente o conteúdo harmônico.
Mas a grande vantagem da estrutura é operar
com baixos valores de tensão de saída (desde que
abaixo do menor valor de pico senoidal), o que en-
contra vasto campo de aplicação para sistemas híbri-
dos (por exemplo, solar-eólico). Além disso, na
aplicação em um WECS não há restrição de operação
do conversor em relação à velocidade do vento: a
operação é satisfatória para baixas ou altas
velocidades do vento (Freitas, 2014).
Observa-se também que se a frequência de cha-
veamento for muito maior que a frequência de en-
trada, então a forma de onda da corrente de entrada
seguirá a forma de onda da tensão de entrada natu-
ralmente, mesmo para valores instantâneos inferiores
à tensão de saída, resultando num alto fator de
potência e menor distorção harmônica.
Esta condição de multiressonância ocorre natu-
ralmente se o intervalo de tempo A, mostrado na
Figura 2, for maior que a soma dos intervalos B e C
(Jang et al., 1998)
Figura 2 – Forma de onda no capacitor de ressonância durante o chaveamento.
Nesta figura, observa-se a forma de onda do ca-
pacitor ressonante Cr. No primeiro período, A, a
tensão no capacitor cresce proporcional à corrente de
entrada. Corresponde ao tempo em que a chave S1
permanece desligada. No segundo intervalo, o capa-
citor opera em ressonância com o indutor Lr até que a
tensão sobre ele seja nula. No último intervalo, a
tensão sobre o capacitor permanece nula. Quando o
intervalo A é maior que a soma de B e C, a caracte-
rística de entrada é mais linear, a corrente segue a
forma da tensão, e como consequência o índice de
distorção harmônica é reduzido.
No item a seguir serão apresentadas as etapas de
operação deste conversor.
2.1 Etapas de Operação
As formas de onda da tensão VS1 e da corrente iS1
demonstram a operação do conversor com chavea-
mento sob corrente nula (ZCS).
Para o funcionamento do conversor em modo
multiressonante é fundamental que o tempo que a
chave permanece ligada, o tempo ligado (ton), seja
mantido constante, independente das variações de
carga. O ajuste é feito na frequência de chaveamento
e na razão cíclica, mantendo, entretanto o tempo
ligado (ton) fixo.
As etapas de operação podem ser divididas em 6
e serão explicadas a seguir. Será analisado para a
operação de 0 a 30° onde neste intervalo a corrente ia
é positiva, ib e ic são negativas e ib é a menor delas.
2.1.1Etapa 1
Nesta etapa de operação nenhum dos semicondutores
conduz com exceção do diodo Dd. Os capacitores de
entrada Cr são carregados até que a chave S1 seja
ligada. A carga é suprida pelo indutor Lr. A Figura 3
esquematiza a operação desta etapa.
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548
(a)
(b)
Figura 3 – Primeira etapa de operação: (a) formas de onda; (b) circuito equivalente.
Ao fim desta etapa, quando a chave S1 for
ligada, será imposta à ponte retificadora a máxima
tensão de linha da entrada, e desta forma os diodos
D1 e D5 passam a conduzir.
2.1.2 Etapa 2
A etapa 2 inicia-se quando os diodos D1 e D5 são
ligados (Figura 4). A chave S1 e o diodo Dd
permanecem ativos. Os capacitores Cr1 e Cr2 estão
em ressonância com o indutor Lr, enquanto o
capacitor Cr3 continua a carregar. A corrente no
indutor Lr aumenta até zero, até que o diodo Dd
bloqueie, iniciando a próxima etapa.
(a)
(b)
Figura 4 - Segunda etapa de operação: (a) formas de onda; (b)
circuito equivalente.
2.1.3 Etapa 3
A Figura 5 apresenta o esquema de funcionamento
desta etapa de operação. O diodo Dd agora está
bloqueado, mas S1 ainda está ligada. Os capacitores
Cr1 e Cr2 continuam em ressonância com o indutor Lr
e o capacitor Cr3 continua a carregar até que sua
tensão iguale a tensão do capacitor Cr2. No final desta
etapa o diodo D6 passa a conduzir.
(a)
(b)
Figura 5 - Terceira etapa de operação: (a) formas de onda; (b)
circuito equivalente.
2.1.4 Etapa 4
Os diodos D1, D5 e D6 conduzem, S1 está ligada, e Lr
em ressonância com os capacitores de entrada e o de
saída Cd (Figura 6). A etapa dura até que os
capacitores Cr1,Cr2,Cr3 tenham suas tensões nulas.
(a)
(b)
Figura 6 - Quarta etapa de operação: (a) formas de onda; (b) circuito equivalente.
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
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2.1.5 Etapa 5
Com exceção do diodo Dd, todos os dispositivos
semicondutores estão conduzindo (Figura 7). O
capacitor Cd e o indutor Lr operam em ressonância
até que a corrente no indutor seja negativa. Neste
ponto a ponte retificadora fica polarizada
reversamente e assim a corrente na chave S1 se anula.
(a)
(b)
Figura 7 - Quinta etapa de operação: (a) formas de onda; (b) circuito equivalente.
2.1.6 Etapa 6
Esta etapa (Figura 8) é o início da etapa 1, já
apresentada. Com a corrente nula na chave S1
(iniciada no fim da quinta etapa) pode-se desligar a
mesma com corrente zero. Nesta fase a carga é
suprida pelo capacitor Cd, e sua tensão decresce até
zero, quando então o diodo Dd entra em condução.
(a)
(b)
Figura 8 - Sexta etapa de operação: (a) formas de onda; (b) circuito equivalente.
2.2 Projeto do conversor
As equações que definem o projeto do conversor em
função das tensões de entrada e saída e da potência
suprida foram desenvolvidas por (Jang et al., 1998).
Para facilitar o desenvolvimento das equações, foi
proposto neste artigo um equivalente monofásico do
conversor trifásico e a partir dele as variáveis foram
normalizadas em função da tensão de saída do
conversor.
Assim, para uma dada frequência de
chaveamento fs, tensão de entrada Ventrada, e tensão de
saída Vsaída:
(1)
E a frequência de ressonância é dada por:
(2)
Onde, fs é a frequência de chaveamento e α o
tempo normalizado ligado da chave.
A partir do gráfico apresentado por (Jang et al.,
1998) definindo-se a variável Jg em função de Mg e α escolhido e a corrente de saída Ig – definida pela
relação entre a potência e a tensão de saída, calcula-
se a resistência de ressonância R0, dada pela equação
(3):
g
saídag0
I
VJR (3)
A partir de (3) calcula-se os valores de Lr, Cd e
Cr, baseado nas equações (4), (5) e (6) apresentadas a
seguir. Determina-se também a frequência de
ressonância f0 do conversor.
(4)
(5)
(6)
O valor do tempo em que a chave permanece li-
gada é dada pela equação (7):
0
onf2
1t (7)
Utilizando as equações apresentadas e realizando
os cálculos devidos os valores dos dispositivos são
conhecidos.
saída
pico)-(fase entrada
gV
V2
3
M
2
)(ff s
0
dr
0CL2
1f
d
r0
C
LR
dr C2
3C
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3 Simulação do conversor buck-ressonante
trifásico
3.1 Diagrama de Blocos da Simulação
Para validar o funcionamento do conversor buck-
ressonante trifásico com aplicação direta na geração
eólica, foi implementando na plataforma de simula-
ção MATLAB/SIMULINK® um WECS como apre-
sentado na Figura 9. Foi desenvolvido um diagrama
de blocos para a simulação do conversor apresen-
tado.
Figura 9 - Diagrama de blocos de simulação do sistema de
conversão de energia eólica com controle MPPT.
O diagrama de blocos apresenta o sistema de
conversão de energia eólica com o controle mppt,
desenvolvido na simulação no bloco “controle mppt”,
atuando para garantir a operação no ponto de
máxima potência. Este controle utiliza a técnica
perturba e observa (P&O), onde perturba-se a razão
cíclica e observa-se o resultado na variável contro-
lada – neste caso a potência. Como para garantir a
operação ZCS o tempo ton é mantido constante, a
razão cíclica é variada variando o tempo toff.
O bloco turbina-gerador simula as tensões trifá-
sicas geradas em um sistema eólico a partir da velo-
cidade do vento e inclinação das pás da turbina. A
velocidade do vento para operação nominal do sis-
tema turbina-gerador é de 12m/s.
Um gerador de sinais (bloco “gerador de sinais”)
foi implementado na simulação. A saída, um sinal
pwm com duas variáveis a serem ajustadas
(frequência de chaveamento e a razão cíclica para um
ton constante), efetua o disparo do semicondutor
controlado.
A carga utilizada na simulação, bloco “carga”, é
uma carga resistiva em paralelo com um capacitor.
Seu valor depende da tensão de saída do barramento
CC e da potência nominal de saída.
O bloco “conversor” simula o conversor
propriamente dito, apresentado anteriormente na
Figura 1 (parte pontilhada).
Utilizando as equações apresentadas, foi proje-
tado um conversor de 3kW cuja tensão eficaz de
entrada de linha varia de 220V a 55V (acompa-
nhando as variações de velocidade do vento) com
frequências de 40Hz (nominal) e 10Hz respectiva-
mente. A tensão de saída escolhida foi de 60V; pode-
se escolher a tensão de saída de acordo com o
barramento a que deseja-se conectar o conversor,
desde que Mg seja menor que 1, caso contrário o
conversor buck-ressonante não funciona. A
frequência de chaveamento para este conversor varia
em função das tensões de entrada/saída, mantendo,
entretanto o tempo ligado da chave (ton) constante.
Para a velocidade de vento nominal (12m/s
equivalendo a 40Hz) a frequência de chaveamento
escolhida foi de 20kHz, e baseado nas equações que
definem o projeto a frequência de chaveamento para
a velocidade mínima de operação (3m/s – 10Hz) é de
8kHz.
Tabela 1 - Especificações do conversor buck-ressonante.
ton fo Lr Cd Cr
12µs 42kHz 20,52µH 0,704µF 1,056µF
3.2 Resultados de Simulação
A seguir são apresentados os resultados de simulação
do conversor em análise, havendo nestes casos a
atuação do controle mppt, impondo o valor da razão
cíclica e da frequência de chaveamento para um
tempo ligado (ton) constante definido em projeto.
A Figura 10 apresenta o comportamento da
tensão interna e da corrente no gerador, para veloci-
dade nominal do vento (12m/s), quando o sistema de
conversão de energia é feito utilizando o conversor
buck-ressonante. Já a Figura 11 apresenta a tensão de
saída na carga.
Figura 10 – Tensão e corrente no gerador para vvento=12m/s.
Figura 11 – Tensão de saída no barramento CC.
pitch angle beta
v elocidade do v ento
VA
VB
VC
turbina-gerador
Discrete,Ts = 1e-006 s.
Ideal Switch
powergui
controledisparos
gerador de disparos
degrau1
PsaídaSinal Controle
Controle Mppt
0
12
Psaída
1
2
Carga
Disparo
CONVERSOR
0.5 0.52 0.54 0.56 0.58-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
tempo(s)
corrente 5x (A)
tensão (V)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 130
35
40
45
50
55
60
tempo(s)
ten
sã
o n
a c
arg
a(V
)
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551
Pode-se observar que a forma de onda da corrente é
uma imagem da tensão, apresentando alto fator de
potência e baixo conteúdo harmônico. Os valores
apresentados foram de 4,6% de THD e fator de
potência de 0,96. Como comparação, a topologia
apresentada por (Oliveira Jr et al., 2010), para o
boost trifásico semi-controlado o fator de potência
vale 0,982 e o THD é cerca de 18%. Em (Tonkoski et
al., 2009) o THD para o boost como estágio CC
intermediário é de 11,06%, enquanto para a ponte
retificadora a diodos é de aproximadamente 27%.
A seguir, na Figura 12 é apresentada a potência
de saída para operação do conversor buck-ressonante
para operação em 40Hz. A Figura 13 exibe como se
comportam a tensão e a corrente na chave controlada,
bem como o sinal de disparo da mesma.
Figura 12 – Potência de saída para vvento=12m/s.
Figura 13 – Esforços na chave (IGBT) para vvento=12m/s.
Observando os esforços na chave controlada,
observa-se que o seu desligamento ocorre com cor-
rente nula, como apresentado anteriormente nas eta-
pas de operação do conversor.
Para validar a aplicação do conversor em baixas
velocidades de vento, o WECS foi simulado para essa
condição (vento de 3m/s), e os resultados são
apresentados nas figuras a seguir. A Figura 14 apre-
senta o resultado da tensão e da corrente para esta
situação, enquanto na Figura 15 é mostrada a
potência de saída como resultado de simulação.
Figura 14 - Tensão e corrente no gerador para vvento=3m/s.
Figura 15 - Potência de saída para vvento=3m/s.
Para validar o funcionamento do conversor sob
efeito da variação do vento foram feitas simulações
considerando variações na velocidade entre 12m/s e
10,8m/s.
A Figura 16 apresenta a variação da tensão ge-
rada, bem como da corrente, para uma variação do
vento de 12m/s a 10,8m/s no instante de tempo igual
a 0,3 segundos (t=0,3s). Já a Figura 17 expõe o com-
portamento da potência de saída com a atuação do
controle mppt.
Figura 16 - Variação da tensão e da corrente na entrada em função
da variação da velocidade do vento.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
tempo(s)
po
tên
cia
(W)
0.5525 0.5525 0.55260
100
200
300
400
500
600
700
tempo(s)
corrente (A)
tensão (V)
10x pulso
1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2
-50
0
50
tempo(s)
corrente 5x (A)
tensão (V)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-200
0
200
400
600
800
1000
tempo(s)
po
tên
cia
(W)
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
tempo(s)
corrente 5x (A)
tensão (V)
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Figura 17 - Comportamento da potência em função da variação da
velocidade do vento.
4 Conclusão
Foi apresentado uma topologia retificadora (buck-
ressonante trifásico) aplicada à geração de energia
eólica de baixa potência que traz simplicidade na sua
implementação e projeto, à medida que a utilização
de chaves controladas na topologia analisada é
reduzida, 1 (uma) chave, ao invés da aplicação usual
de 6 chaves. Tal redução no número de dispositivos
controlados mostrou ser eficiente trazendo facilidade
de controle e baixo custo.
A partir dos resultados de simulação foi com-
provado que a topologia selecionada apresentou as
correntes de entrada no gerador como uma imagem
quase idêntica da tensão gerada, alcançando
conteúdo harmônico reduzido comparado com as
topologias para baixa potência citadas na literatura
(as quais apresentam correntes extremamente defor-
madas em relação à tensão).
Em relação à potência gerada, também houve
melhora significativa, pois as oscilações de baixa
frequência foram reduzidas, o que também pôde ser
visto por meio da simulação apresentada.
Os resultados foram satisfatórios para as condi-
ções de velocidade de vento extremas - 3m/s e
12m/s, não havendo restrição de operação do mesmo
para toda a faixa de velocidade de operação do
conjunto turbina-gerador. Ainda, o conversor
analisado foi testado para pequenas variações de
velocidade do vento, entre os valores extremos de
velocidade, respondendo de forma adequada através
de um controle mppt convencional e de simples
desenvolvimento.
Assim, validou-se que o conversor buck-
ressonante trifásico é de grande aplicação em
sistemas híbridos - em especial em sistemas que haja
a conversão de energia eólica - cujo barramento CC
apresente tensão inferior ao pico da tensão da
condição de mínima velocidade do vento.
Agradecimentos
À FAPES/CNPq (PRONEX 48508675/2009) e à
CAPES pelo apoio financeiro concedido, sem o qual
esta pesquisa não teria sido possível.
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20
500
1000
1500
2000
2500
3000
tempo(s)
po
tên
cia
(W)
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