Controle Descentralizado e Hierárquico

Nota 02 — a partir de Guerrero et al. (2013), Parte I

Prof. Dr. Raphael Teixeira

Universidade Federal do Pará

Papéis dos conversores

• Formador, alimentador, suporte

Três papéis para um conversor

Papel	Modelo equivalente	Controla	Exemplo
Formador (grid-forming)	fonte de tensão, baixa impedância	\(V\) e \(f\)	UPS, bateria no modo ilhado
Alimentador (grid-feeding)	fonte de corrente, alta impedância	\(P\) e \(Q\)	FV com MPPT
Suporte (grid-supporting)	tensão ou corrente com droop	contribui para \(V\) e \(f\)	unidades com droop

Classificação de Rocabert et al. (2012), adotada por Guerrero et al. (2013).

Formador e seguidor, lado a lado

Controle descentralizado

• Droop geral
• Impedância virtual
• Droop transitório

Droop para qualquer linha

\[ \begin{bmatrix} \eq{a}{P'} \\ \eq{b}{Q'} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \sin\eq{c}{\theta} & -\cos\eq{c}{\theta} \\ \cos\eq{c}{\theta} & \sin\eq{c}{\theta} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} P \\ Q \end{bmatrix}, \qquad \eq{c}{\theta} = \arctan\frac{X}{R} \]

\[ \omega = \omega^\ast - m_p\,\eq{a}{P'} \qquad\qquad E = E^\ast - n_q\,\eq{b}{Q'} \]

Linha	\(\theta\)	Droop resultante
indutiva (AT, MT)	\(90°\)	\(P\)–\(\omega\), \(Q\)–\(E\)
resistiva (BT)	\(0°\)	\(Q\)–\(\omega\), \(P\)–\(E\)

Impedância virtual

O controle impõe a impedância de saída: torna a linha “indutiva”, desacopla \(P\) e \(Q\), melhora a partilha de \(Q\) e limita a corrente.

Droop transitório

\[ \eq{a}{\omega} = \omega^\ast - \eq{b}{m_p}\,P - \eq{c}{m_d}\,\frac{dP}{dt} \]

Além da inclinação que divide a carga em regime, um termo derivativo reage às variações de potência e acrescenta amortecimento sem alterar a partilha em regime.

Estabilidade

• Pequenos sinais
• Lugar das raízes

Modelo de pequenos sinais

\(\Delta P\) \(= \eq{a}{K}\,\Delta\delta,\quad \eq{a}{K} = \frac{E V\cos\delta_0}{X}\) linearização de \(P\) em \(\delta_0\)

\(\Delta P_f\) \(= \frac{1}{\eq{b}{\tau} s + 1}\,\Delta P\) filtro de medição, \(\tau = 1/\omega_c\)

\(\Delta\omega\) \(= -(\eq{c}{m_p} + \eq{d}{m_d}\,s)\,\Delta P_f\) droop (+ termo transitório)

\(s\,\Delta\delta\) \(= \Delta\omega\) o ângulo integra a frequência

\(0\) \(= \eq{b}{\tau}\,s^2 + (1 + \eq{d}{m_d}\eq{a}{K})\,s + \eq{c}{m_p}\eq{a}{K}\) equação característica

\(\omega_n = \sqrt{m_p K/\tau} \qquad \zeta = \dfrac{1 + m_d K}{2\sqrt{\tau\, m_p K}}\)

Lugar das raízes do droop

Modelo de uma unidade ligada a um barramento rígido, com \(P\) e \(Q\) desacoplados. \(m_p\) grande dá partilha mais firme, mas menos amortecimento; \(m_d\) devolve o amortecimento.

Controle hierárquico

• Primário
• Secundário e sincronização
• Terciário

Visão geral

Primário: malhas internas

Secundário: restauração e sincronização

\[ \begin{aligned} \delta\omega &= k_{p\omega}\,(\omega^\ast_{MG} - \omega_{MG}) + k_{i\omega}\!\int(\omega^\ast_{MG} - \omega_{MG})\,dt + \eq{a}{\Delta\omega_S} \\ \delta E &= k_{pE}\,(E^\ast_{MG} - E_{MG}) + k_{iE}\!\int(E^\ast_{MG} - E_{MG})\,dt \end{aligned} \]

\(\Delta\omega_S\): laço de sincronização que alinha a fase da microrrede à da rede antes de fechar o PCC (Guerrero et al., 2013).

Terciário: fluxo com a rede

\[ \begin{aligned} \omega^\ast_{MG} &= k_{pP}\,(P^\ast_G - P_G) + k_{iP}\!\int(P^\ast_G - P_G)\,dt \\ E^\ast_{MG} &= k_{pQ}\,(Q^\ast_G - Q_G) + k_{iQ}\!\int(Q^\ast_G - Q_G)\,dt \end{aligned} \]

Transições

• Detecção de ilhamento
• Reconexão

Detecção de ilhamento

Método	Como funciona	Limitação
Passivo	sub/sobretensão e frequência, ROCOF, salto de fase	zona de não detecção
Ativo	injeta pequena perturbação e observa a resposta	degrada a qualidade de energia
Comunicação	sinal de abertura vindo da concessionária	custo e dependência do canal

Reconexão à rede

• 1 Ilhada: secundário restaura \(\omega\) e \(E\)
• 2 Sincroniza: \(\Delta\omega_S\) alinha a fase com a rede
• 3 Verifica: \(|\Delta f|\), \(|\Delta V|\), \(|\Delta\varphi|\) dentro dos limites
• 4 Fecha o PCC: terciário assume \(P_G\), \(Q_G\)

Próximos passos

• Controle distribuído (consenso): secundário sem controlador central
• MPC e controle baseado em dados nos níveis 0 e 1
• Simulação MATLAB/Simulink: duas unidades com droop e impedância virtual

Referências

Guerrero, J. M., Chandorkar, M., Lee, T.-L., & Loh, P. C. (2013). Advanced Control Architectures for Intelligent Microgrids—Part I: Decentralized and Hierarchical Control. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 60(4), 1254–1262. https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2194969

Rocabert, J., Luna, A., Blaabjerg, F., & Rodrı́guez, P. (2012). Control of Power Converters in AC Microgrids. IEEE Transactions on Power Electronics, 27(11), 4734–4749. https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2199334

Encerramento

Prof. Dr. Raphael Teixeira

Universidade Federal do Pará

Campus Universitário de Tucuruí

Faculdade de Engenharia Elétrica

raphaelbt@ufpa.br