Projeto multicritério de filtros harmônicos passivos para instalações industriais utilizando técnicas de inteligência computacional

Devido ao auge do crescimento industrial na Região Norte e, em especial, o Pólo Industrial de Manaus (PIM), são necessários obter ferramentas matemáticas que facilitem ao especialista tomar decisões sobre a seleção e dimensionamento dos filtros harmônicos que proporcionam neutralizar os efeitos prejudiciais dos harmônicos gerados pelas cargas não lineares da indústria e alcançar conformidade com os padrões das normas de qualidade de energia correspondentes. Além disso, como os filtros harmônicos passivos têm a capacidade de gerar potência reativa à rede, estes meios são eficazes compensadores de potência reativa e, portanto, podem conseguir uma economia significativa no faturamento de energia elétrica consumida por essas instalações industriais. Esta tese tem como objetivo geral desenvolver um método matemático e uma ferramenta computacional para a seleção da configuração e parâmetros do projeto de um conjunto de filtros harmônicos passivos para sistemas elétricos industriais. Nesta ótica, o problema de otimização da compensação de harmônicos por meio de filtros passivos foi formulado como um problema multiobjetivo que considera tanto os objetivos da redução da distorção harmônica como da efetividade econômica do projeto considerando as características das tarifas brasileiras. Todavia, a formulação apresentada considera as restrições relevantes impostas pelas normas brasileiras e estrangeiras. A solução computacional para este problema foi conseguida, usando o algoritmo genético NSGA-II que determina um conjunto de soluções ótimas de Pareto (Fronteira) que permitem ao projetista escolher as soluções mais adequadas para o problema. Por conseguinte, a ferramenta computacional desenvolvida tem várias novidades como: não só calcula os parâmetros que caracterizam os filtros, como também seleciona o tipo de configuração e o número de ramos do filtro em cada barra candidata de acordo com um conjunto de configurações pré-estabelecidas; têm implementada duas normas para a avaliação das restrições de qualidade de energia (Prodist-Módulo 8 e IEEE 519-92) que podem ser selecionadas pelo usuário; determina soluções com bons indicadores de desempenho para vários cenários característicos e não característicos do sistema que permitem a representação das as variações diárias da carga; das variações dos parâmetros do sistema e dos filtros; avalia o custo das contas de energia numa rede elétrica industrial que tem diferentes condições de operação (cenários característicos); e avalia o efeito econômico de filtros de harmônicos como compensadores de potência reativa. Para desenvolver a ferramenta computacional adequada desta tese, foi empregado um modelo trifásico em coordenadas de fase para redes de energia elétrica industriais e de serviços onde foram feitos vários programas utilizando várias ferramentas computacionais adicionais. Estas ferramentas compreendem um programa de varredura de freqüência, um programa do fluxo de harmônicos por injeção de correntes e um programa de fluxo de potência à freqüência fundamental. Os resultados positivos desta tese, a partir da análise de vários exemplos práticos, mostram as vantagens do método desenvolvido.

ABSTRACT: Due to the importance of the industrial growth in the North and in particular the Industrial Pole of Manaus (PIM), it is important to have mathematical tools that facilitate the expert decisions on the selection and sizing of harmonic filters needed to neutralize the harmful effects of harmonics generated by nonlinear loads of industry and achieve compliance with the power quality standards. Moreover, as the passive harmonic filters have the capacity to generate reactive power to the network, they are effective compensating reactive power means and therefore can achieve significant savings in sales of electric energy consumed by these industrial facilities. This thesis aims to develop a mathematical method and a computational tool for the selection of the configuration and the design parameters of a set of passive harmonic filters for industrial electrical systems. In this direction, the optimization problem of compensation of harmonics through passive filters is formulated as a multi-objective problem that considers both the goals of reducing harmonic distortion as the economic effectiveness of the project considering the characteristics of the Brazilian system of tariffs. Moreover, the presented formulation considers relevant restrictions imposed by the national and foreign standards. A computational solution to this problem was achieved using the NSGA-II genetic algorithm which determines a set of Pareto optimal solutions (Frontier) that enable the designer to choose the most appropriate solutions to the problem. Furthermore, the computational tool developed has several new features as: not only calculates the parameters that characterize the filters, but also selects the type of configuration and the number of branches of the filter in each candidate bus according to a set of predetermined settings; has implemented two standards for assessing the constraints of power quality (Prodist Modulo-8 and IEEE 519-92) that can be selected by the user; determines solutions with good performance indicators for various characteristic and non-characteristic scenarios of the system that allow to represent: the daily variations of the load as well as the variations of system parameters and filters; evaluates the cost of energy bills in a grid that has different industrial operating conditions (characteristic scenarios) and assesses the economic effect of harmonic filters as reactive power compensators. To develop the computational tool of this thesis, it was used a phase-coordinates model for the electric power grids of industrial and services installations to program additional computational tools. These tools comprise a frequency scan program, a harmonic power flow program for the harmonic current injection method and a fundamental frequency power flow program. The positive results of this thesis, from the analysis of several practical examples show the advantages of the developed method.