Modelagem, análise de estabilidade e controle de microrredes autônomas considerando inércia sintética via inversores

Abstract

Esta dissertação aborda a operação de microrredes de corrente alternada em modo isolado, com ênfase em tópicos relacionados ao controle, modelagem e análise de estabilidade. Considera-se que as fontes de geração são não-convencionais e que inversores do tipo fonte de tensão (VSIs) são utilizados para sua conexão à microrrede. Estas interfaces de eletrônica de potência desacoplam dinamicamente a fonte primária de energia e a rede elétrica, contribuindo para que microrredes alimentadas prioritariamente por fontes não-convencionais de energia apresentem inércia baixa ou até mesmo nula. Com o objetivo de aprimorar o controle de frequência dessas microrredes de baixa inércia, são apresentados, avaliados qualitativamente e classificados, diferentes métodos de implementação de inércia sintética em inversores. No modo de operação ilhado uma microrrede deve ser autônoma, sendo capaz de controlar simultaneamente sua frequência, tensão e divisão de potência entre fontes de geração. Para controlar a operação de uma microrrede autônoma, neste trabalho é proposta uma estrutura de controladores contendo três malhas de controle em cascata: uma malha externa de controle de potência, uma malha intermediária de controle de tensão e uma malha interna de controle de corrente. A síntese da malha de controle de potência mimetiza o comportamento dinâmico de máquinas síncronas baseada no controle via estatismo (droop), o qual permite que os VSIs emulem inércia, contribuindo para o controle de frequência da microrrede. As malhas de controle de tensão e corrente têm o intuito de assegurar o controle de tensão e melhorar o desempenho dinâmico da microrrede. Estes controladores de tensão e corrente são implementados em coordenadas dq0 a partir de controladores proporcional-integral (PI), e incluem ramos em feedforward para desacoplamento das variáveis associadas aos eixos direto e em quadratura. Um modelo linearizado completo da microrrede no espaço de estados é desenvolvido de forma modular, partindo de modelos dinâmicos individuais da rede elétrica, cargas, e VSIs, estes equipados com seus respectivos filtros de saída do tipo LCL e controladores. O modelo no espaço de estados é validado a partir de simulações não-lineares no tempo e utilizado para o projeto dos controladores e análise de estabilidade a pequenas perturbações da microrrede. Simulações não-lineares no tempo realizadas em ambiente Matlab/Simulink são também utilizadas para avaliar o comportamento dinâmico da microrrede e a efetividade do método proposto de emulação de inércia via máquina síncrona virtual frente a grandes perturbações, como variações abruptas de carga, abertura intempestiva de linhas e perdas de geração.

Abstract: This dissertation addresses the operation of alternating current microgrids in isladed mode, focusing on issues related to control, modeling and stability analysis. It is assumed that the microgrids of interest contain only non-conventional generation sources, which are connected to the electrical network by voltage source inverters (VSIs). These power electronics interfaces decouple the dynamics of the primary energy source and the electrical network. For this reason, such microgrids have low or even null inertia. Aiming at improving frequency control of low inertia microgrids, in this work several methods for implementing virtual synchronous machines (VSM) on inverters are presented, qualitatively evaluated and classified. At islanded operating mode, a microgrid must be autonomous, which means that the microgrid must be capable of simultaneously controlling its frequency, voltage and power division between its generation sources. In order to control the operation of an autonomous microgrid, this work proposes a multiloop control strategy, whose components are: an external power control loop, an in-between voltage control loop and an inner current control loop. The synthesis of the power control loop mimics the dynamic behavior of synchronous machines based on the droop control, which allows the VSIs to emulate inertia, assisting in the microgrid frequency control. Voltage and current control loops are intended to ensure voltage control and improve the dynamic performance of the microgrid. The voltage and current controllers are implemented on a synchronous reference frame (dq0) from proportional-integral (PI) controllers. A complete linearized state-space model of the microgrid based on a modular strategy is presented, starting from individual dynamic models of the eletric network, loads and VSIs with their respective LCL filters and controllers. The state-space model is validated by nonlinear time simulations and used for controller tuning and small-signals stability analysis of the microgrid. Nonlinear time simulations conducted in Matlab/Simulink are also performed to evaluate the dynamic behavior of the microgrid and to assess the effectiveness of the proposed VSM method when the microgrid is subjected to large-disturbances, such as substantial load variations, circuit contingencies and loss of generation.