Effects of the voltage unbalance on power factors considering the fairness perspective for billing purposes

Abstract

O esperado crescimento de geradores fotovoltaicos distribuídos e veículos elétricos nos próximos anos traz desafios para a qualidade da energia em redes de distribuição, como o aumento potencial da distorção harmônica e desequilíbrio de tensão. Esses fenômenos têm vários efeitos indesejados nos equipamentos conectados à rede, especialmente motores de indução. No entanto, ainda não há um consenso sobre as definições corretas relacionadas à potência, como potência reativa e fator de potência (FP), bem como seus métodos de medição apropriados quando a tensão é desequilibrada ou não senoidal. Como resultado, medidores comerciais podem fornecer medidas diferentes para a mesma carga e condições de fornecimento, potencialmente levando a cobranças injustas de FP. Este trabalho avalia definições de FP existentes e seus métodos de medição, considerando a perspectiva de justiça para fins de faturamento em condições de tensão não senoidal e desequilibrada. Aqui, a noção de justiça é no sentido de que o medidor (construído com base em uma definição e método de medição específicos) sob um fornecimento não ideal deve levar a valores muito próximos aos obtidos caso estivesse submetido a tensões senoidais equilibradas ideais. Em outras palavras, uma definição justa de FP deve depender exclusivamente dos parâmetros da carga, não da qualidade do fornecimento. A investigação de justiça considerou simulações computacionais com a aplicação de diferentes condições de tensão no ponto de conexão de duas cargas de impedância constante, um motor de indução trifásico (MIT) e um conjunto desequilibrado de lâmpadas de diodo emissor de luz (LED). Em seguida, os resultados das simulações foram examinados experimentalmente usando uma fonte de tensão controlada, um motor de indução trifásico, uma carga mecânica (gerador DC e um resistor configurável), um computador e um sensor de velocidade. Por fim, uma investigação analítica foi realizada com uma carga de impedância constante. Os resultados das simulações e experimentos mostram que uma definição de FP que leva a uma cobrança justa para uma impedância constante equilibrada pode não proporcionar uma cobrança justa para um MIT ou um conjunto de lâmpadas LED quando alimentado com tensões de qualidade inferior. Além disso, este trabalho determinou as definições mais justas de FP e caracterizou a classe de seus algoritmos de medição correspondentes para medir o FP de uma impedância constante equilibrada e um MIT submetido a uma ampla gama de tensões desequilibradas não senoidais. Para as lâmpadas LED, nenhuma das definições existentes mostrou-se independente do fornecimento de tensão. Notavelmente, apesar de ser recomendado pelo IEEE Standard 1459-2010, o fator de potência efetivo não foi uma definição adequada para as condições de fornecimento investigadas aplicadas ao MIT. Os resultados da investigação analítica revelam que todas as definições investigadas são, na verdade, funções não lineares do fator de desequilíbrio de tensão (VUF) e das admitâncias da carga. Em outras palavras, utilizar essas cinco definições de FP na presença de desequilíbrios de tensão e carga pode levar a cenários de cobrança injusta tanto para a concessionária quanto para o cliente. Também são propostos novos fatores de admitância que podem ser utilizados para fins de faturamento, pois não dependem do desequilíbrio de tensão, mas apenas das características da carga.