Armazenagem de Energia

Desenvolvimento de Conversores com Fator de Potência Unitário Verdadeiro para Sistemas de Armazenagem de Energia

Conversores estáticos para conexão de sistemas de armazenamento de energia à rede elétrica podem contar ou não com transformador elevador, sendo o primeiro tipo o mais convencional, normalmente baseado em estruturas 2-níveis ou 3-níveis de baixa tensão. Quando se usam métodos convencionais de modulação, a topologia 3-níveis apresenta melhores resultados em termos de emissão de harmônicos, com a desvantagem de necessitar de mais chaves estáticas. Aumentando-se o número de níveis da estrutura é possível eliminar completamente o transformador de conexão, geralmente volumoso e caro. O maior número de níveis pode ser obtido utilizando-se a conexão em série de dispositivos semicondutores de média tensão, com as dificuldades inerente de balanceamento das tensão e sincronismo no disparo e desligamento. A frequência de chaveamento precisa ser reduzida, o que causa um aumento no custo dos filtros harmônicos de saída. Outra alternativa é a conexão de conversores modulares em cascata, o que tem a vantagem, nesta aplicação específica, de conectar conjuntos de baterias separados a cada conversor, permitindo inclusive o fluxo de potência entre eles. É necessário o uso de algoritmos específicos para manter balanceado estado de carga dentro de um mesmo conjunto de baterias. No entanto, uma das principais desvantagens da transferência de energia entre os bancos de baterias é o aumento das perdas de condução e chaveamento, reduzindo a eficiência do sistema. Outras desvantagens são a possível injeção de corrente contínua na rede e circulação de correntes harmônicas de baixa frequência nas baterias.

Quando comparado às outras alternativas multiníveis, o conversor 2L convencional demonstra ter menor eficiência em função da frequência de chaveamento e do nível de potência entregue. Também apresenta desvantagens do ponto de vista de emissão de harmônicos. O conversor TUPF (True Unity Power Factor), ao utilizar a modulação SHE-PWM, contorna este obstáculo, pois em operação equilibrada não emite harmônicos ímpares abaixo da 50º ordem. Desta forma é possível eliminar o filtro de harmônicos de saída, reduzindo custo e aumentando a eficiência. Também se aumenta a eficiência ao se reduzir consideravelmente a frequência de chaveamento (1140Hz para SHE-PWM de 9 ângulos). A manutenção do transformador permite o uso de semicondutores de potência de baixa tensão, ainda considerados mais custo-efetivos em aplicações até 2MW. Ao utilizar conversores convencionais de 2 níveis, com a possibilidade de conexão do barramento DC em série ou paralelo ganha-se flexibilidade na forma de conexão das células de baterias ou a possibilidade de operar o conversor em potência reduzida em caso de falha de uma das pontes, respectivamente. Com o uso de menos chaves estáticas e gate-drivers do que as outras tecnologias há um ganho em confiabilidade do sistema como um todo.

O projeto está inserido no projeto de P&D do grupo Neoenergia denominado “Otimização multiobjetivo de recursos energéticos distribuídos visando sustentabilidade e confiabilidade em microrredes isoladas incluindo sistema de armazenamento de energia com baterias”, que tem por objetivo contribuir para a sustentabilidade e confiabilidade de microrredes isoladas. Está prevista a implementação de uma planta piloto na Ilha de Fernando de Noronha (PE), utilizando-se duas tecnologias de armazenamento. A contribuição do laboratório será o desenvolvimento de um conversor de fator de potência unitário verdadeiro para esta aplicação. Será consolidada a topologia do conversor TUPF, detalhando-se seu projeto e implementação. A construção de um protótipo em pequena escala (30 kW) e em potência plena (400 kW) estão previstos para a avaliação do desempenho do conversor em termos de sua eficiência, índices de emissão de harmônicos, suportabilidade a afundamentos de tensão e outros requisitos de qualidade de energia e dos procedimentos de rede, comparando-o ao de conversores 2-níveis convencionais.

As contribuições deste projeto para o setor elétrico são o desenvolvimento de uma configuração para conversão de energia baseada em equipamentos convencionais (conversores de baixa tensão dois níveis e transformador de três enrolamentos), mas com desempenho superior em termos de emissão de correntes harmônicas, redução da possibilidade de ocorrência de ressonâncias, e consequente desconexão da rede, e maior disponibilidade do sistema de armazenamento de energia. Estas são características de crescente importância à medida que o número e a potência dos conversores estáticos ligados diretamente à rede crescem, pois não ocasionam problemas adicionais de estabilidade. O estudo desta topologia e desenvolvimento de seu controle permite a fabricação destes equipamentos nacionalmente, dispensando a importação de conversores dedicados à armazenagem de energia..