Filtro ativo de potência paralelo monofásico com conversor CC-CC bidirecional para operação como UPS

Abstract

Atualmente, a utilização de cargas não-lineares na rede elétrica é uma constante. Este tipo de cargas leva a uma degradação da Qualidade de Energia Elétrica, uma vez que consome harmónicos de corrente, prejudicando o transporte e a distribuição de energia e o funcionamento da maioria dos equipamentos ligados à rede elétrica. Para além disso, em determinados sistemas há cargas que necessitam de ser alimentadas ininterruptamente, tais como controladores de processos industriais, computadores, equipamentos médico e sistemas de comunicação de dados, pelo que estas cargas não podem depender exclusivamente da rede elétrica, uma vez que, sendo esta suscetível a falhas, terá de ser complementada por geradores de emergência ou UPSs (Uninterruptible Power Supplies – fontes de alimentação ininterruptas). Deste modo, torna-se necessário o desenvolvimento e a utilização de equipamentos capazes de mitigar os problemas acima referidos. No Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho têm sido desenvolvidos Filtros Ativos de Potência para compensar problemas de Qualidade de Energia. Assim sendo, neste trabalho de Mestrado foi proposto o desenvolvimento de um Filtro Ativo Paralelo Monofásico com operação como UPS. Este equipamento é capaz de compensar o fator de potência e os harmónicos de corrente em condições normais de funcionamento da rede elétrica e é também capaz de alimentar, de forma isolada, um conjunto de cargas prioritárias perante eventuais falhas na rede. Para além disso, foi também desenvolvido um conversor CC-CC bidirecional isolado com o intuito de carregar as baterias a partir da rede elétrica, através do barramento CC do Filtro Ativo Paralelo, bem como injetar energia na rede elétrica isolada proveniente das mesmas. Pretendeu-se que o equipamento desenvolvido fosse leve, compacto e com operação silenciosa, de modo a poder ser instalado no quadro elétrico de uma habitação. Deste modo, alguns procedimentos foram tomados aquando do projeto da solução apresentada, tais como a escolha dos semicondutores de potência e dos elementos magnéticos a utilizar. No final, foi efetuado um levantamento de custos da solução obtida de modo a analisar a sua viabilidade comercial.

Nowadays, the use of nonlinear loads connected to the electrical power grid is unceasing. This kind of electrical loads leads to Power Quality declining, since it consumes harmonic currents, worsening power transmission and distribution and the proper operation of a vast amount of power grid connected equipment. Furthermore, there are loads connected to several power systems that need incessant power supplying, such as industrial process controllers, computers, medical equipment and datacenters, whereby these loads cannot depend exclusively upon the power grid, since it is vulnerable to power outages, and therefore must be complemented by emergency generators or UPSs (Uninterruptible Power Supplies). Therefore, the development and use of equipment capable of mitigating these issues is needed. The Group of Energy and Power Electronics (GEPE) of the University of Minho has been developing Active Power Filters to compensate for Power Quality problems. Thus, the development of a Single-Phase Shunt Active Power Filter with UPS operation was proposed in this Master's thesis work. This equipment is capable of compensating for power factor and harmonic currents during normal operation of the power grid, and is also able to supply with isolation a set of priority electrical loads towards eventual power outages. Besides that, a bidirectional isolated DC-DC converter was developed in order to charge the battery pack from the power grid, through the Shunt Active Power Filter DC-link, as well as to provide energy stored in the batteries to the isolated electrical power grid. It was intended for the equipment to be weightless, compact and silent in order to be installed in a domestic electrical switchboard. Consequently, several procedures were taken during the solution’s development, such as the power semiconductors and the magnetic elements selection. In the end, it was performed the costing of the obtained solution with the purpose of evaluating its commercial feasibility.