Controle ótimo de frequência sob restrições estruturais em microrredes de corrente alternada

Abstract

A modernização do setor elétrico permite que fontes de pequeno porte sejam conectadas em sistemas de distribuição, colaborando com a descentralização e o uso mais eficiente da energia elétrica. Nesse contexto, novas estratégias de controle são propostas a fim de garantir uma operação segura e confiável para aglomerados destas pequenas fontes, também conhecidos como microrredes. Este trabalho explora o conceito de Controle Ótimo com o objetivo de controlar a frequência de microrredes de corrente alternada, trifásicas e que operam temporaria ou permanentemente de forma autônoma, ou seja, sem conexão com a rede de média tensão. Em geral, problemas de controle de microrredes estão sujeitos a limitações impostas pela própria topologia das microrredes e também por limitações de acesso à variáveis de estado. Para contornar estas dificuldades, este trabalho também considera a imposição de restrições estruturais às estratégias baseadas em Controle Ótimo. Neste contexto, duas estruturas de microrredes são propostas: a primeira delas, em razão da proximidade geográfica das fontes, é considerada como um único subsistema e portanto, apenas a restrição estrutural de realimentação das saídas é aplicável. A segunda microrrede simboliza um sistema de maior porte, representado por duas sub-redes conectadas através de uma interligação, permitindo a imposição de restrições estruturais de realimentação descentralizada dos estados e realimentação das saídas (centralizada e descentralizada). Além do controle de frequência, este trabalho também concentra esforços na racionalização da operação dos sistemas armazenadores de energia em baterias (BESS, da sigla em Inglês), presentes nas microrredes propostas. A imposição das restrições estruturais é realizada via algoritmo implementado através da ferramenta computacional Matlab e as simulações necessárias são realizadas através do Simulink.

Abstract: The electricity sector modernization allowing the connection of small sources to distribution systems has contributed to the decentralization and a more efficient use of electricity. In this context, new control strategies are proposed in order to ensure a safe and reliable operation for clusters of these small sources, also known as microgrids. This work addresses the concept of Optimal Control with the objective of establishing frequency control of three-phase and alternating current microgrids that operate temporarily or permanently in an autonomous mode, in other words, disconnected from the medium voltage network. In general, microgrid control problems are susceptible to limitations imposed by its own topology and also by the limited access to state variables. In order to overcome those difficulties, this work also proposes the enforcement of structural constraints on the Optimal Control based strategies. In this context, two microgrid structures are considered: the first one due to the geographical proximity of the sources, is assumed as a single, compact system; therefore, only the structural constraint of output feedback is applicable. The second microgrid represents a larger system, composed of two subgrids connected through an interconnection. This allows the imposition of structural constraints as decentralized state feedback and centralized and decentralized output feedback. Besides frequency control, this work also concentrates efforts on rationalizing the operation of battery energy storage systems (BESS), that are present in the proposed microgrids. The enforcement of structural constraints is performed by an algorithm implemented in Matlab, while the required simulations are performed through Simulink.