Estudo de filtros LCL para inversores trifásicos conectados à rede para atender normas de conteúdo harmônico

Abstract

Este trabalho apresenta o estudo e o projeto de um filtro LCL para a saída de um inversor trifásico de dois níveis utilizado em um sistema de geração eólica offshore de 2,5 MW conectado à uma rede de 690 V, com o objetivo de atender à norma técnica de conteúdo harmônico German Electricity Association (VDEW). As harmônicas são indesejáveis na rede pois distorcem as formas de onda da tensão e da corrente, reduzem a vida útil dos equipamentos e degradam o nível de isolação dos materiais. Diferentemente dos projetos de filtros LCL tradicionais, os sistemas de alta potência e baixa frequência de comutação, como a geração eólica, requerem ajustes específicos. A metodologia de projeto do filtro baseou-se no ajuste da frequência de ressonância por meio do valor do capacitor, afim de posicioná-la em uma das harmônicas geradas pelo processo de comutação, de forma a não impor novas componentes no espectro harmônico e se beneficiar do amortecimento da frequência de ressonância por meio da realimentação da corrente do capacitor para melhorar o desempenho do filtro. Também foram revisados os conceitos de modulação com injeção de terceira harmônica, os métodos de amortecimento ativo e passivo, os critérios de estabilidade de sistemas de fase não-mínima e o modelo Π de um cabo umbilical de 50 km para destacar a influência no projeto do filtro LCL quando comparado somente com a conexão à rede. Com a metodologia utilizada foi possível atender os critérios da norma VDEW para ambos os casos simulados com uma THD abaixo de 5%. Devido ao alto teor capacitivo, a conexão via cabo se diferenciou pela geração de 3,33 MVAr de potência reativa, degradação do fator de potência para 0,57 e pela inserção de novas frequências de ressonância que podem exigir novos métodos de amortecimento para garantir a estabilidade do sistema.

This work presents the study and design of an LCL filter for the output of a three-phase two-level inverter used in a 2.5 MW offshore wind farm connected to a 690 V network, aiming to meet the German Electricity Association (VDEW) harmonic content technical standard. Harmonics are undesirable in the network because they distort the voltage and current waveforms, reduce the equipment lifetime and degrade materials insulation. Unlike traditional LCL filter designs, high power and low switching frequency systems, such as wind generation, require specific adjustments. The filter design methodology was based on adjusting the resonant frequency through the value of the capacitor to position it in one of the harmonics generated by the switching process, in order not to impose new components on the harmonic spectrum and benefit from damping of the resonant frequency through capacitor current feedback to improve filter performance. The modulation with third harmonic injection concept, the active and passive damping methods, the stability criteria of non-minimum phase systems and the Π model of a 50 km umbilical cable were also reviewed to highlight the influence on the design of the LCL filter when compared to connecting to the network only. With the methodology used, it was possible to meet the criteria of the VDEW standard for both simulated cases with a THD below 5%. Due to the high capacitive content, the cable connection was distinguished by the generation of 3.33 MVAr of reactive power, degradation of the power factor to 0.57 and the insertion of new resonant frequencies that may require new damping methods to guarantee the system stability.