Publicada em

16/04/2013

Sergio Souza Prestes

95 – Metodologia para projeto e alocação de filtros passivos em instalações industriais

Resumo

O Produto Interno Bruto brasileiro vem apresentando um crescimento devido ao crescimento da indústria e do setor de serviços no Brasil, este crescimento gera um incremento na demanda energética do país. O Operador Nacional do Sistema publicou no PEN 2012 que se for considerado um crescimento de 4% do PIB entre os anos de 2012 e 2016 a carga de energia no sistema elétrico nacional chegará a 71 GW médios em 2016, neste mesmo momento a capacidade instalada deverá chegar em 145 GW, mas o subsistema sul apresenta uma deficiência energética durante todo o período analisado. Uma das formas de reduzir o impacto no Sistema Integrado Nacional é elevar a eficiência energética dos consumidores. O presente trabalho tem como objetivo apresentar uma metodologia para o projeto ótimo de filtro harmônico passivo sintonizado simples para um sistema industrial com a finalidade de melhorar a eficiência e qualidade deste consumidor. A metodologia foi desenvolvida levando em consideração as informações disponíveis em unidades industriais típicas. Este tipo de sistema industrial possui normalmente a entrada de energia em 13,8 kV e cargas trifásicas lineares e não lineares distribuídas em diversos barramentos com tensão nominal de 220 V à 13,8 kV. O levantamento de dados foi realizado a partir do diagrama unifilar da unidade e foram estimados os níveis de corrente harmônica individual com base na bibliografia existente e catálogo dos fabricantes dos equipamentos elétricos. Para a análise da influência que a inserção do filtro de harmônica terá no sistema é necessário representar eletricamente o sistema e encontrar o equivalente de Thevenin no ponto de conexão do filtro. Portanto, foi necessário um bom detalhamento dos modelos dos componentes elétricos utilizados na simulação do sistema. Com os modelos definidos, a formulação do problema considera como variáveis a posição de instalação dos filtros e parâmetros dos filtros para cada frequência harmônica. As limitações técnicas de operação dos filtros também foram consideradas no cálculo. Para a solução do problema do projeto ótimo do filtro foram utilizados os algoritmos genéticos do Matlab que fornece a solução quase-ótima para o problema proposto em termos de local e parâmetros operacionais já com os custos de aquisição, instalação e manutenção. Na simulação, a distorção harmônica total de corrente (DHTI) no ponto de acoplamento comum (PAC) da instalação industrial foi reduzida de 71% para 8%, mostrando que a metodologia proposta fornece soluções de boa qualidade para atender aos requisitos de distorções harmônicas das normas IEEE 519 (1992) e PRODIST.  A análise de viabilidade econômica para o sistema em estudo mostrou um retorno do investimento de 2,3 anos para a instalação de filtros em média tensão, atendendo desta maneira à premissa imposta pela indústria estudada de retorno máximo de três anos.

Abstract

The Brazilian gross domestic product has increased due to the growth of the industry and services sectors in Brazil. This growth causes an increase in the country’s electricity demand. The electric system national operator published in the PEN 2012 that, if a 4% growth is considered in GDP between 2012 and 2016, the energy load on the national power system will reach 71 GW on average in 2016, at this point the installed capacity should reach 145 GW. The south subsystem has an energy deficiency throughout this whole period. One way to reduce the impact on the electrical national integrated system is to increase the consumer’s efficiency. This dissertation’s target is to present an optimal design methodology for the single-tuned passive harmornic filter for typical industrial systems in order to improve the consumer’s efficiency and quality. The methodology was developed using information available on typical industrial units. This kind of industrial system usually has a 13.8 kV power input and linear and nonlinear three-phase loads distributed in several buses with nominal voltage of 220 V to 13.8 kV. The basis for the survey was the industry’s one-line diagram and the individual harmonic current was estimated based on existing literature and catalogs of electrical equipment manufacturers. In order to analyze the influences of the harmonic filter insertion in the system, it is necessary to represent electrically the system and then find the Thevenin equivalent at the filter’s connection point. Therefore, good electrical components models used in the system simulation are needed. With the defined model, the problem formulation considers as variables the filter installation position and filter parameters for each harmonic frequency. The technical limitations of the filter operation were also considered in the problem formulation. A Matlab’s genetic algorithm that provides a near-optimal solution in terms of location and operational parameters, such as the acquisition, installation and maintenance cost, is used to solve the filter optimal design problem. In the simulation, the total current harmonic distortion (THDI) at the point of common coupling (PCC) was reduced from 71% to 8%, showing that the proposed methodology meets the harmonic distortions’ requirements of the IEEE 519 (1992) and PRODIST standards. The economic viability analysis in this study shows a payback of 2.3 years when filters are installed on high voltage bus, attending the maximal payback required (3 years) by studied industry.

Data da defesa: 16/04/2013

Banca Examinadora

Orientador(a): Cresencio Silvio Segura Salas (Lactec)
Membro da Banca: Lúcio de Medeiros (Lactec)
Membro da Banca: Jair Urbanetz Junior (UTFPR)

Palavra(s)-Chave: Distorção harmônica. Compensação reativa. Modelagem do sistema elétrico.

Keywords: Filter, harmonic distortion, reactive compensation, total harmonic distortion, modeling of electrical system.

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