Modelagem, análise de estabilidade e controle de microrredes de energia elétrica

Abstract

Este trabalho de dissertação aborda os problemas de modelagem, análise de estabilidade e controle de microrredes de energia elétrica em corrente alternada. É proposta uma metodologia para a obtenção de um modelo linearizado de microrredes considerando os modelos dinâmicos da rede elétrica, de alguns tipos de cargas e de inversores de fonte de tensão (VSIs) com seus respectivos filtros de saída do tipo LCL e controladores. Os modelos desenvolvidos permitem a análise de microrredes operando em modo interligado e em modo isolado. Estes são posteriormente utilizados para o ajuste das malhas de controle dos VSIs e também para a análise de estabilidade a pequenas perturbações de microrredes. A estratégia de modelagem proposta requer a utilização do cálculo de fluxo de potência para a determinação das condições iniciais dos modelos. Para microrredes operando em modo interligado, é utilizado um algoritmo de fluxo de potência via método de Newton-Raphson convencional. Entretanto, em modo isolado, microrredes apresentam algumas peculiaridades que requerem a utilização de um algoritmo de fluxo de potência modificado, o qual também é apresentado. A proposição de estruturas de controle de VSIs para aplicação em microrredes operando em modo interligado e em modo isolado constitui também um objetivo deste trabalho. Adicionalmente, são apresentados resultados de análise de fluxo de potência, análise de estabilidade a pequenas perturbações e metodologias de ajuste dos controladores dos VSIs. Estes resultados são validados mediante simulações não lineares no domínio do tempo utilizando o programa computacional PSCAD/EMTDC. Uma microrrede-teste, também descrita nesta dissertação, é utilizada na avaliação do desempenho das metodologias propostas.

This thesis investigates the microgrid modeling, small-signal stability analysis, and control problems. A methodology is proposed for the development of a linearized model of microgrids considering the dynamic behavior of the network, typical classes of loads, voltage source inverters (VSIs) equiped with LCL-type filters, and VSI controllers. The developed models are suitable for both VSI controller design and small-signal stability analysis of microgrids. The proposed modeling technique requires load flow calculations in order to derive the models' initial conditions. A classic load flow algorithm based on the Newton-Raphson method is used for microgrids operating in grid-connected mode. In islanded mode, however, microgrids exhibit some peculiarities that require the use of a modified load flow algorithm, which is also presented. The proposition of VSI controller structures for microgrid applications (in both grid-connected and islanded modes) is also an objective of this thesis. In addition, results of load flow analysis, small-signal stability analysis, and the methodologies used for the VSI controllers design are presented. These results are validated through nonlinear time-domain simulations performed with the PSCAD/EMTDC software package. A microgrid test system, which is also described in this thesis, is used to evaluate the performance of the proposed methodologies.