Introdução às Microrredes

Nota 01 — da rede convencional ao controle hierárquico

Prof. Dr. Raphael Teixeira

Universidade Federal do Pará

Da rede à microrrede

  • Rede convencional
  • Geração distribuída
  • Microrrede

A rede elétrica convencional

Geração distribuída

A microrrede

Fontes, armazenamento e cargas numa fronteira elétrica definida, controlados como uma única entidade, conectada à rede ou ilhada (Lasseter, 2002).

Conceitos-chave

  • PCC
  • Conversores
  • Estruturas de controle

Ponto de conexão comum (PCC)

O PCC é o único ponto de troca de energia com a rede. A chave estática abre e fecha.

O conversor como interface

Sem máquina girante, quem define o comportamento é o controle.

Centralizado, descentralizado, distribuído

O droop, visto adiante, é o exemplo clássico de controle descentralizado.

Componentes

  • Geração
  • Armazenamento
  • Conversores
  • Cargas

Componentes da microrrede

Modos de operação

  • Conectada
  • Ilhada

Conectada à rede

A rede é a referência: os conversores seguem sua tensão e frequência.

Ilhada

Transições

Detecção de ilhamento e ressincronização com a rede ficam para a Nota 02.

Arquiteturas

  • CA
  • CC
  • Híbrida

Microrrede CA

Microrrede CC

Microrrede híbrida

CA, CC ou híbrida?

CA CC Híbrida
Conexão com a rede e cargas existentes direta via conversor direta no lado CA
Conversões para FV e baterias 1–2 1 1
Frequência e reativo a controlar sim não só no lado CA
Proteção madura difícil (sem zero de corrente) mista
Ponto crítico sincronismo padronização conversor de interligação

A arquitetura define quais variáveis o controle precisa regular.

Formadores e seguidores

  • Grid-following
  • Grid-forming

Seguidor × formador de rede

Sem gerador síncrono, quem dá inércia e amortecimento à frequência?

Fluxo de potência

  • Circuito
  • Dedução
  • Fasores

Duas fontes ligadas por uma linha

Como \(P\) e \(Q\) dependem de \(E\), \(V\) e do ângulo \(\delta\)?

Dedução de \(P\) e \(Q\)

\(S\) \(= V\,I^{\ast}\) potência complexa no nó \(V\)

\(I\) \(= \frac{E\,e^{j\delta} - V}{jX}\) lei de Ohm na linha

\(S\) \(= V\,\frac{E\,e^{-j\delta} - V}{-jX}\) conjugando \(I\)

\(S\) \(= \frac{j\,V\,(E\cos\delta - jE\sin\delta - V)}{X}\) \(1/(-j) = j\) e Euler

\(S\) \(= \eq{a}{\frac{E\,V}{X}\sin\delta} + j\,\eq{b}{\frac{E\,V\cos\delta - V^2}{X}}\) separando parte real e imaginária

\(P\) = parte real · \(Q\) = parte imaginária

\(P\) e \(Q\) numa linha indutiva

\[ \begin{aligned} \eq{a}{P} &= \frac{\eq{c}{E}\,V}{\eq{d}{X}}\,\sin\eq{e}{\delta} && \approx\; \frac{E\,V}{X}\,\delta \\[6pt] \eq{b}{Q} &= \frac{\eq{c}{E}\,V\cos\eq{e}{\delta} - V^2}{\eq{d}{X}} && \approx\; \frac{V\,(E - V)}{X} \end{aligned} \]

Para ângulos pequenos (\(\sin\delta \approx \delta\), \(\cos\delta \approx 1\)), a potência ativa depende do ângulo e a potência reativa depende da diferença entre a amplitude gerada e a tensão da rede.

\(P \leftrightarrow \delta\) (frequência) \(\qquad Q \leftrightarrow E\) (amplitude)

Em baixa tensão, onde \(R \gg X\), os papéis se invertem. É o assunto da Nota 02 (impedância virtual).

Fasores da linha indutiva

Controle por droop

  • Estatismo
  • Equações
  • Partilha de carga
  • Diagrama

De onde vem o droop?

Droop (estatismo): a frequência cai linearmente com a potência entregue, como no regulador de velocidade de um gerador síncrono.

Equações do droop

\[ \eq{a}{\omega} = \eq{b}{\omega^\ast} - \eq{c}{m_p}\,\eq{d}{P} \qquad\qquad \eq{e}{E} = \eq{f}{E^\ast} - \eq{g}{n_q}\,\eq{h}{Q} \]

  • \(\omega\) frequência imposta pelo conversor
  • \(\omega^\ast\) frequência a vazio
  • \(m_p\) coeficiente \(P\)–\(\omega\)
  • \(P\) potência ativa medida (filtrada)
  • \(E\) amplitude da tensão gerada
  • \(E^\ast\) amplitude a vazio
  • \(n_q\) coeficiente \(Q\)–\(E\)
  • \(Q\) potência reativa medida (filtrada)

\(m_{p,i}\,P_{i}^{\max}\) iguais ⇒ cada fonte assume carga proporcional à sua capacidade

Partilha de carga

Droop em diagrama de blocos

Controle hierárquico

  • Visão geral
  • Níveis 0 a 3

Controle hierárquico: visão geral

Estrutura de Guerrero et al. (2011); ver também Olivares et al. (2014).

Nível 0: malhas internas

É o controle do conversor isolado, como no inversor trifásico.

Primário: droop local

Secundário: restauração

Secundário em ação

Terciário: intercâmbio com a rede

Onde entram nossos temas

Limitações do droop clássico

  • Desvio de \(\omega\) e \(E\) (exige o secundário)
  • Partilha de \(Q\) imprecisa
  • Acoplamento \(P\)–\(Q\) em linhas resistivas
  • Pouca inércia

Linhas de pesquisa

  • MPC nas malhas internas e no primário
  • Identificação da rede (ARX/RLS)
  • Controle baseado em dados (DeePC, Koopman)
  • Máquina síncrona virtual

Próximo passo (Nota 02): controle descentralizado e hierárquico em detalhe

Referências

Guerrero, J. M., Vasquez, J. C., Matas, J., Vicuña, L. G. de, & Castilla, M. (2011). Hierarchical Control of Droop-Controlled AC and DC Microgrids—A General Approach Toward Standardization. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 58(1), 158–172. https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2066534
Lasseter, R. H. (2002). MicroGrids. IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 1, 305–308. https://doi.org/10.1109/PESW.2002.985003
Olivares, D. E. et al. (2014). Trends in Microgrid Control. IEEE Transactions on Smart Grid, 5(4), 1905–1919. https://doi.org/10.1109/TSG.2013.2295514

Encerramento

Prof. Dr. Raphael Teixeira

Universidade Federal do Pará

Campus Universitário de Tucuruí

Faculdade de Engenharia Elétrica

raphaelbt@ufpa.br