Metodologia para dimensionamento de filtros para mitigação de harmônicas em sistemas elétricos da indústria de celulose e papel

Abstract

Em indústrias de grande porte, onde há uma alta demanda de energia e uma grande variedade de equipamentos sensíveis, a presença de distúrbios da qualidade de energia elétrica (QEE) pode resultar em falhas operacionais, danos à equipamentos e perda de produtividade. Portanto, garantir a QEE é fundamental para manter a operação contínua e eficiente nestes sistemas. Neste sentido filtros são componentes essenciais, principalmente para mitigar distorções harmônicas e corrigir o fator de potência, efeitos indesejados no sistema elétrico que geralmente tem origem em acionamentos oriundos de dispositivos com chaveamento em alta frequência. Os filtros passivos são os mais comuns e eficazes para a maioria das aplicações, mas podem apresentar limitações em termos de eficiência e capacidade de ajuste em tempo real. Sendo assim, este trabalho apresenta avaliação das principais cargas não lineares conectadas em diferentes níveis de tensão e suas respectivas contribuições para a distorção harmônica em uma planta industrial e propõe uma metodologia para dimensionamento otimizado de filtros em sistemas elétricos na indústria de papel celulose, visando melhorar a QEE de forma sistêmica com o menor custo possível enquanto mantém as distorções harmônicas e fator de potência dentro de limites aceitáveis por norma. A metodologia proposta considera a interação entre dois softwares: a modelagem e simulação do SEP é realizada no ATP Draw enquanto o Matlab© coleta os dados para calcular o T HDv e FP e obter os parâmetros dos filtros através de um algoritmo de otimização por enxame de partículas (PSO). Ao final, obteve-se um conjunto de filtros com custo reduzido em 5,37 % se comparado a métodos tradicionais de dimensionamento, que proporcionou T HDv e FP médio entre todos os nós de 3,68% e 0,94, respectivamente, trazendo como benefício adjacente a redução no carregamento dos transformadores, em média de 5,28 %.

In large industries, where there is high energy demand and a wide variety of sensitive equipment, the presence of power quality (PQ) disturbances can result in operational failures, equipment damage, and loss of productivity. Therefore, ensuring PQ is essential to maintain continuous and efficient operation of these systems. In this sense, filters are essential components, especially to mitigate harmonic distortions and correct the power factor, unwanted effects in the electrical system that generally originate from activations from high-frequency switching devices. Passive filters are the most common and effective for most applications, but they can have limitations in terms of efficiency and realtime adjustment. Therefore, this work presents an evaluation of the main nonlinear loads connected at different voltage levels and their respective contributions to harmonic distortion in an industrial plant and proposes a methodology for optimized filter sizing in electrical systems in the pulp and paper industry, aiming to improve EQ systemically at the lowest possible cost while maintaining harmonic distortions and power factor within standardly acceptable limits. The proposed methodology considers the interaction between two software programs: the SEP modeling and simulation is performed in ATP Draw, while Matlab© collects data to calculate THDv and FP and obtain filter parameters through a particle swarm optimization (PSO) algorithm. In the end, a set of filters was obtained with a cost reduction of 5.37% compared to traditional sizing methods, which provided average THDv and PF across all nodes of 3.68% and 0.94, respectively, bringing with it the added benefit of a reduction in transformer loading of an average of 5.28%.