Implementação de inércia virtual como técnica de controle de um inversor fotovoltaico de 3kW

Abstract

Este trabalho apresenta a implementação de inércia virtual como técnica de controle aplicada a um inversor fotovoltaico de 3 kW. O objetivo principal é mitigar os impactos das variações abruptas de potência causadas pela intermitência da geração solar fotovoltaica, melhorando a estabilidade dinâmica do sistema elétrico. O controle proposto foi derivado a partir da Equação de Swing dos geradores síncronos, caracterizando a resposta inercial desse tipo de sistema. O sistema inclui um arranjo solar fotovoltaico conectado a um conversor Boost para elevação de tensão, um banco de baterias acoplado por um conversor Boost bidirecional e um inversor monofásico com controle em malhas de tensão e corrente, seguido por um filtro LCL+RC. O controle de inércia virtual foi implementado no conversor Boost bidirecional, permitindo que o banco de baterias absorva ou forneça potência em resposta às flutuações de potência decorrentes de eventos sobre a radiação solar incidente no arranjo fotovoltaico. A modelagem e a simulação do sistema foram realizadas no software PSIM, e os resultados demonstraram que o controle implementado suaviza as oscilações de potência do inversor, contribuindo para a qualidade da energia injetada na rede elétrica. Além disso, o controle do inversor monofásico foi analisado e validado, evidenciando que a corrente injetada na rede possui baixa componente harmônica e está em fase com a referência sinusoidal fornecida pelo PLL. A tensão no barramento CC foi mantida sob controle, com seu valor médio regulado conforme especificações. A pesquisa evidencia o potencial da inércia virtual como solução para os desafios da integração de fontes renováveis, promovendo maior confiabilidade e eficiência no sistema elétrico de potência.

This work presents the implementation of virtual inertia as a control technique applied to a 3 kW photovoltaic inverter. The main objective is to mitigate the impacts of abrupt power variations caused by the intermittency of solar photovoltaic generation, improving the dynamic stability of the electrical system. The proposed control was derived from the Swing Equation of synchronous generators, characterizing the inertial response of such systems. The studied system includes a photovoltaic solar array connected to a Boost converter for voltage elevation, a battery bank coupled through a bidirectional Boost converter, and a single-phase inverter with voltage and current control loops, followed by an LCL+RC filter. The virtual inertia control was implemented in the bidirectional Boost converter, enabling the battery bank to absorb or supply power in response to power fluctuations caused by variations in solar radiation incident on the photovoltaic array. System modeling and simulation were conducted using the PSIM software, and results showed that the implemented control smooths the inverter’s power oscillations, contributing to the quality of energy injected into the grid. Furthermore, the developed control for the single-phase inverter was validated, demonstrating that the current injected into the grid has a low harmonic component and is in phase with the sinusoidal reference provided by the PLL. The DC bus voltage was maintained under control, with its average value regulated according to specifications. This research highlights the potential of virtual inertia as a solution to renewable energy integration challenges, promoting greater reliability and efficiency in power systems.