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ANÁLISE E MODELAGEM DE CONTROLE DESCENTRALIZADO DE CONVERSORES EM MICRORREDES DE BAIXA TENSÃO Gustavo Cezimbra Borges Leal Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Maurício Aredes Rio de Janeiro Março de 2019

Análise e modelagem de controle descentralizado de ...monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028438.pdf · Análise e modelagem de controle descentralizado de conversores

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ANÁLISE E MODELAGEM DE CONTROLE DESCENTRALIZADO DECONVERSORES EM MICRORREDES DE BAIXA TENSÃO

Gustavo Cezimbra Borges Leal

Projeto de Graduação apresentado ao Cursode Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,Universidade Federal do Rio de Janeiro, comoparte dos requisitos necessários à obtenção dotítulo de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Maurício Aredes

Rio de JaneiroMarço de 2019

ANÁLISE E MODELAGEM DE CONTROLE DESCENTRALIZADO DECONVERSORES EM MICRORREDES DE BAIXA TENSÃO

Gustavo Cezimbra Borges Leal

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DOCURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICADA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTEDOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DEENGENHEIRO ELETRICISTA.

Examinado por:

Prof. Maurício Aredes, D.-Ing

Prof. Oumar Diene, D.Sc.

Eng. Diego de Souza de Oliveira, M.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASILMARÇO DE 2019

Leal, Gustavo Cezimbra BorgesAnálise e modelagem de controle descentralizado de

conversores em microrredes de baixa tensão/GustavoCezimbra Borges Leal. – Rio de Janeiro: UFRJ/ EscolaPolitécnica, 2019.

XII, 91 p.: il.; 29, 7cm.Orientador: Maurício AredesProjeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/

Curso de Engenharia Elétrica, 2019.Referências Bibliográficas: p. 89 – 91.1. Microrrede. 2. Geração distribuída. 3. Controle

primário. 4. Eletrônica de Potência. I. Aredes,Maurício. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III.Título.

iii

Agradecimentos

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer a todos meus familiares. Agradecermeu pai Gil, minha mãe Vania e meu irmão Bernardo por todo o amor, carinho eapoio. Por estarem presentes ao longo de toda minha vida, me incentivando, meorientando e me educando, formando a pessoa que sou e tornando possível essaconquista.

A minha namorada Júlia de Aquino, pelo amor, amizade e por estar sempre aomeu lado, me dando confiança e força para superar os obstáculos que surgem pelocaminho. Essa conquista também é sua.

Ao meu professor e orientador Maurício Aredes, pelos ensinamentos durantea graduação, por acreditar no meu potencial e pelas oportunidades que me deu.Agradeço também a todos do Laboratório de Eletrônica de Potência e Média Tensão(LEMT), pelos ensinamentos diários e ajuda na vida universitária. Em especial,agradeço ao Marcello Neves pela paciência e ajuda com esse e outros trabalhos.

Aos amigos e companheiros que fiz durante a universidade, que compartilharamcomigo os momentos bons e inesquecíveis nesses anos, assim como os momentosdificeis.

Agradeço também a todos os professores que me ajudaram a subir os degraus daminha formação, me tornando um melhor cidadão e profissional.

Por fim, a todos meus amigos, os de infância e os recentes, sem os quais a vidanão teria razão.

iv

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ comoparte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

ANÁLISE E MODELAGEM DE CONTROLE DESCENTRALIZADO DECONVERSORES EM MICRORREDES DE BAIXA TENSÃO

Gustavo Cezimbra Borges Leal

Março/2019

Orientador: Maurício Aredes

Curso: Engenharia Elétrica

O interesse em novas formas de geração de energia vem crescendo nos últimosanos, motivado pelos problemas ambientais e a diminuição das reservas de recursosfósseis. Nesse contexto, o desenvolvimento dos conversores da eletrônica de potênciapermitiu que as fontes renováveis de energia fossem inseridas na rede de distribuiçãoperto dos centros consumidores.

No entanto, o futuro promissor das energias renováveis precisa lidar com certosproblemas. Além dos custos de investimento, o novo comportamento da rede tornanecessário que se pesquise aspectos de compartilhamento de carga, estabilidade detensão e de frequência.

Neste contexto, este trabalho tem como objetivo a modelagem e simulaçãode um modelo de microrrede com armazenamento e conectada à rede de baixatensão. Serão implementados os controles por droop nos conversores para estudaro comportamento dos conversores no compartilhamento de carga em situações demudanças de demanda e geração.

v

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillmentof the requirements for the degree of Engineer.

ANALYSIS AND MODELLING OF DECENTRALIZED CONTROL INCONVERTERS APPLIED TO A LOW VOLTAGE MICROGRID

Gustavo Cezimbra Borges Leal

March/2019

Advisor: Maurício Aredes

Course: Electrical Engineering

The interest in new generation sources has been growing in the last years,motivated by environmental issues and the reduction of fossil fuel’s reserves. In thisscenario, the development of power electronics converters allowed that the renewableresources were introduced in the power systems in the distribution net close to theconsumers.

However, the promising future of the renewable resources still needs to deal withsome problems. In addition to the high cost of investment, the new behaviour ofthe utility grid makes necessary more investigation about power sharing controls,voltage regulation and frequency stability.

The aim of this work is the modelling and simulation of a microgrid systemconnected to the utility grid and with energy storage systems. The droop controltechnique will be use to control the power sharing between the converters in severalsituations of variation of demand and generation.

vi

Sumário

Lista de Figuras ix

Lista de Tabelas xii

1 Introdução 11.1 Apresentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Fundamentos Teóricos 42.1 Contextualização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Conversores Estáticos de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.1 Conversores CC-CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.2 Conversores CC-CA - Inversores Trifásicos . . . . . . . . . . . 12

2.3 Geração Distribuída e Microrrede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.1 Geração fotovoltaica em sistemas distribuídos . . . . . . . . . 162.3.2 Sistemas de Armazenamento de Energia - ESS . . . . . . . . . 19

2.4 Controle Droop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4.1 Controle Droop em sistemas de potência convencionais . . . . 222.4.2 Controle por Droop em Conversores estáticos . . . . . . . . . 27

2.5 Controle hierárquico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.5.1 Controle Primário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.5.2 Controle Secundário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.5.3 Controle Terciário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3 Controle dos conversores conectados à microrrede 363.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.2 Sistemas de controle em inversores trifásicos controlados por corrente 38

3.2.1 Teoria de Potência Ativa e Reativa Instantânea - Teoria pq . . 383.2.2 Phase Locked Loop - PLL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.2.3 Controle de Corrente baseado na teoria pq . . . . . . . . . . . 44

3.3 Conversores aplicados à geração fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . 45

vii

3.3.1 Conversor CC/CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.2 Inversor - Controle Droop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.4 Controle droop em sistemas de armazenamento . . . . . . . . . . . . 533.5 Interface da Microrrede com à rede de distribuição . . . . . . . . . . . 54

4 Modelagem e Simulação da Microrrede 564.1 Projetos dos filtros LCL+RC e dos controle locais dos inversores . . . 58

4.1.1 Detecção de sequência positiva qPLL . . . . . . . . . . . . . . 584.1.2 Projeto dos filtros LCL+RC dos inversores . . . . . . . . . . . 604.1.3 Projeto do Controlador de corrente . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.2 Geração Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.2.1 Modelo da geração fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.2.2 Projeto do Conversor CC-CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.2.3 Projeto do Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.2.4 Controle Droop implementado à geração fotovoltaica . . . . . 73

4.3 Modelagem do Sistema de Armazenamento e controle droop . . . . . 744.4 Modelagem da Rede e das variáveis sistêmicas . . . . . . . . . . . . . 754.5 Simulação e Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.5.1 Caso 1 - Aumento da demanda de potência ativa . . . . . . . 754.5.2 Caso 2 - Redução da demanda de potência ativa . . . . . . . . 774.5.3 Caso 3 - Redução de reativo demandado . . . . . . . . . . . . 794.5.4 Caso 4 - Aumento do reativo demandado . . . . . . . . . . . . 814.5.5 Caso 5 - Variaçõão sistêmica e comportamento do MPPT . . . 834.5.6 Análise dos Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

5 Considerações finais 87

Referências Bibliográficas 89

viii

Lista de Figuras

2.1 Representação do Sistema de Geração Centralizada. . . . . . . . . . . 42.2 Crescimento do Produto Mundial Bruto (GDP), Emissão de CO2 e

Demanda Energética no século XXI.[7] . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Sinal Triangular, em azul, comparado a um sinal de referência, em

vermelho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4 Circuito do Buck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.5 Circuito do Boost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.6 Circuito do conversor Buck-Boost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.7 Representação do Inversor Trifásico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.8 Sinal triangular de alta frequência e os sinais de controle desejados. . 132.9 Exemplo de filtro LCL implementado na saída do inversor. . . . . . . 142.10 Esquema dos componentes de uma microrrede ilhada. . . . . . . . . . 152.11 Esquema dos componentes de uma microrrede conectada à rede da

concessionária. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.12 Circuito equivalente do painel fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . 172.13 Modelo de uma curva I-V de painéis fotovoltaicos. . . . . . . . . . . . 182.14 Modelo de uma curva P-V de painéis fotovoltaicos. . . . . . . . . . . 192.15 Representação do modelo simplificado da bateria. . . . . . . . . . . . 212.16 Sistema de conversores na interface da bateria com a MR. . . . . . . 222.17 Curva de Droop de Potência ativa demandada e frequência. . . . . . 242.18 Circuito equivalente de um gerador síncrono. . . . . . . . . . . . . . . 242.19 Diagrama fasorial de um gerador síncrono. . . . . . . . . . . . . . . . 252.20 Diagrama fasorial de um gerador síncrono redimensionado. . . . . . . 252.21 Curva de Tensão por potência reativa demandada. . . . . . . . . . . . 272.22 Fluxograma modelo do Controle Hierárquico. . . . . . . . . . . . . . . 322.23 Ação do controle primário no compartilhamento de potência ativa. . . 332.24 Ação do controle primário no compartilhamento de reativo. . . . . . . 332.25 Atuação dos controles primário e secundário no droop de potência ativa. 342.26 Atuação dos controles primário e secundário no droop de potência

reativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

ix

3.1 Representação do conversor modelo fonte de tensão (VSC). . . . . . . 373.2 Representação do conversor modelo fonte de corrente (CSC). . . . . . 373.3 Diagrama de blocos do controle de corrente em inversores trifásicos. . 383.4 Eixos abc e αβ para transformada de clarke. . . . . . . . . . . . . . . 403.5 Detecção de fase e frequência das tensões medidas. . . . . . . . . . . 433.6 Detecção da amplitude da sequência positiva da fundamental. . . . . 443.7 Modelo de conexão de painéis fotovoltaicos em redes elétricas. . . . . 463.8 Malha fechada do MPPT implementado em conversores CC-CC. . . . 473.9 Comportamento do Perturb & Observe para variações positivas de

tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.10 Comportamento do Perturb & Observe para variações negativas de

tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.11 Fluxograma do MPPT por Condutância Incremental. . . . . . . . . . 503.12 Curva de Potência × Frequência segundo às normas da concessionária

Light. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.13 Curva de Q×U segundo às normas da concessionária Light. . . . . . 523.14 Representação da curva de droop de potência ativa em sistemas de

armazenamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.15 Sistema back-to-back na interface entre MR e a rede elétrica de

distribuição. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.1 Sistema geral modelado e controles dos conversores. . . . . . . . . . . 574.2 Transformações da tensão de linha para coordenadas de clarke. . . . . 584.3 Circuito de detecção de amplitude, fase e frequência do sinal de

entrada em coordenadas αβ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.4 Transformada Inversa de clarke para gerar sinais por unidade

idênticos às tensões da rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.5 Rastreamento da sequência do sinal de entrada. . . . . . . . . . . . . 604.6 Comparação entre as tensões medidas e as geradas pelo qPLL. . . . . 604.7 Porcentagem de THD total na corrente do inversor da geração. . . . . 624.8 Corrente nominal do sistema fotovoltaico após implementação do filtro. 624.9 Porcentagem de THD total na corrente de saída da bateria. . . . . . . 634.10 Corrente nominal do inversor da bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . 644.11 Diagrama de blocos do controle de corrente do Inversor. . . . . . . . . 644.12 Transformada de park dos valores de corrente da medição. . . . . . . 654.13 Obtenção dos ganhos do controlador PI na malha de corrente da

geração fotovoltaica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.14 Interface gráfica para ajustar os ganhos do PI na malha de corrente

da geração fotovoltaica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

x

4.15 Interface gráfica para ajustar os ganhos do PI na malha de correnteda bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.16 Controle das correntes no eixos d e q no PSCAD. . . . . . . . . . . . 684.17 Implementação do PWM no PSCAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.18 Curva I×V do arranjo fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.19 Conversor CC-CC em ambiente PSCAD. . . . . . . . . . . . . . . . . 714.20 Gráficos de Tensão (Vpv, em V), corrente (Ipv, em A) e Potência (Ppv,

em kW) de saída dos painéis controlados por MPPT. . . . . . . . . . 724.21 Controle escalar para regulação do elo CC. . . . . . . . . . . . . . . . 734.22 Redução da frequência na rede emulando o aumento de potência ativa

demandada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.23 Amplitude da tensão constante em 179.6 V. . . . . . . . . . . . . . . 764.24 Variação da potência ativa fornecida pela bateria, em azul, e pelo

arranjo fotovoltaico, em verde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.25 Aumento da frequência da rede emulando redução de demanda de

potência ativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.26 Nível de tensão na rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.27 Variação da potência ativa fornecida pela bateria, em azul, e pela

planta fotovoltaica, em verde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.28 Aumento do nível de tensão na rede, simulando a redução de demanda

reativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.29 Frequência constante em 60 Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.30 Reativo fornecido pela bateria, em azul, e pela geração fotovoltaica,

em vermelho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.31 Redução do nivel de tensão na rede, simulando a elevação da demanda

de potência reativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.32 Frequência constante em 60 Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.33 Variação da potência reativa fornecida pela bateria, em verde, e pela

fotovoltaica, em azul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.34 Nível de tensão e frequência na rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.35 Irradiação Solar no painel fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.36 Variação da potência ativa fornecida pela bateria, em azul, e pela

planta fotovoltaica, em vermelho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.37 Variação da potência reativa fornecida pela bateria, em vermelho, e

pela planta fotovoltaica, em azul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

xi

Lista de Tabelas

2.1 Tabela das grandezas usuais de impedância pelos níveis de tensão.[17] 28

4.1 Limites de distorção harmônica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.2 Parâmetros obtidos para os ganhos do PI no controle de corrente. . . 674.3 Dados da placa fotovoltaica fornecidos pelo fabricante. . . . . . . . . 69

xii

Capítulo 1

Introdução

1.1 Apresentação

A revolução tecnológica do século XX mudou o mundo moderno. A energia setornou um dos pilares do atual sistema econômico, de tal forma que os índices deconsumo de energia de um país indicam o nível de seu desenvolvimento técnico [3].Durante todo o último século, a energia obtida a partir dos combustíveis fósseis,como petróleo e carvão mineral, deu suporte a esse crescimento e às transformaçõesna economia mundial [1].

A crescente demanda por energia estimulou os sistemas de potência a seexpandirem cada vez mais [2] [3]. Enquanto a matriz energética mundial lançoumão dos combustíveis fósseis, o Brasil aproveitou seus vastos recursos hídricos paraconstrução de hidrelétricas. Como resultado, para muitos especialistas, o modeloirrefreado de desenvolvimento provocou mudanças drásticas no planeta.

Desde o fim do século passado, ambientalistas e cientistas alertavam para osefeitos do aquecimento global. Esse fenômeno é provocado pelo aumento dasemissões dos gases causadores do efeito estufa, particularmente o dióxido de carbono(CO2), liberado em larga escala na queima de combustíveis fósseis [1].

Além dos problemas ambientais, o esgotamento das reservas naturais citadasé um problema a ser considerado [1]. O petróleo e carvão mineral, principaisfontes primárias, são recursos naturais não-renováveis, pois consistem de matériaorgânica resultante de processo secular de decomposição. Como o consumo dessafonte é mais rápido que seu processo de formação, as reservas existentes vemdiminuindo nos últimos anos. No cenário brasileiro, ainda que as hidrelétricasutilizem recursos renováveis, a reserva hídrica nacional não é infinita, tendendotambém ao esgotamento, além do impacto ambiental resultante da construção dereservatórios.

As motivações citadas, tanto as econômicas quanto as ambientais, estimularam

1

a busca pela diversificação da matriz energética. As fontes alternativas, em especialas gerações fotovoltaica e eólica, cresceram em detrimento das tradicionais. Alémdisso, o desenvolvimento de chaves semicondutoras serviu como aliado a essa causa.Desenvolvidos nos últimos cinquenta anos, os dispositivos de eletrônica de potênciapermitem um controle flexível de tensão e corrente [18] pelo uso de conversores, oque possibilitou o surgimento de novas topologias de rede e o melhor controle dasfontes alternativas.

Em março de 2019, as usinas eólicas atingiram 14,737 MW (megawatt) emoperação centralizada, representando 9, 02% da matriz brasileira, além de mais 1,186MW em construção [4]. Na geração distribuída, a potência instalada também vemcrescendo nos últimos anos e, no Brasil, gerou 359,15 GWh (gigawatt-hora) comuma potência instalada de 246,1 MW em 2017. Nesse setor, destaca-se a geraçãofotovoltaica, que cresceu em média 40% na última década [5] e gerou, também em2017, 165,87 GWh com 174,5 MW de potência instalada.

No entanto, as novas tecnologias ainda enfrentam o problema do altoinvestimento. Apesar do crescente avanço e do cenário promissor para um futuropróximo, esses novos sistemas necessitam de investigação para atingir maioreseficiências com menor custo. Em especial, é necessário um aprofundamentonas pesquisas quanto ao controle da geração e armazenamento em sistemasdescentralizados.

1.2 Objetivos

Este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo estudar técnicas decontrole para conversores de eletrônica de potência em microrredes de correntealternada. Desse modo, o estudo consiste primeiro em uma revisão da literatura,quanto às características das microrredes, assim como os elementos presentes nessesistema e os controles aplicados nas principais topologias de conversores.

Após o aprofundamento das técnicas já desenvolvidas, um cenário de microrredeé projetado e simulado. O modelo realizado considera a presença de geração,armazenamento e conexão com a rede, controladas de maneira descentralizada. Osresultados obtidos serão utilizados para estudar o comportamento de conversoresna interface de geração e armazenamento com microrredes CA e, assim, validar arevisão realizada.

1.3 Organização do Trabalho

O presente trabalho está organizado em cinco capítulos. A divisão dos temas emcada capítulo tem como objetivo explicar gradativamente os conceitos necessários

2

para a realização do projeto final.No capítulo 2 serão discutidos os fundandamentos teóricos necessários para

o estudo e implementação dos controles de conversores em microrredes. Apósapresentar o leitor a uma contextualização do cenário de microrredes, será feitauma revisão de algumas topologias de conversores, bem como das aplicações dessesequipamentos em gerações distribuídas e sistemas de armazenamento. Uma revisãoda técnica de controle por curvas de droop e controle hierárquico concluirá o capítulo.O capítulo 3 explicará detalhes quanto à topologia de conversores de eletrônicade potência presentes em microrredes, e a implementação do droop em controlehierárquico tanto em geração fotovoltaica quanto em sistema de armazenamento.

O capítulo 4 apresenta o desenvolvimento de uma simulação para validaro sistema de controle proposto, desde o estudo e projeto de parâmetros dosequipamentos até resultados da rede em testes de desempenho. Por fim, o capítulo 5discutirá os resultados obtidos para, com eles, apresentar a conclusão desse trabalho.

3

Capítulo 2

Fundamentos Teóricos

2.1 Contextualização

Os sistemas de potência em corrente alternada podem ser divididos em trêsprincipais partes: geração, transmissão e distribuição. Esse modelo de geraçãocentralizada, como representado na figura 2.1, foi viabilizado com a invenção dostransformadores e outros acontecimentos no fim do século XIX.

A geração de energia, advinda das usinas elétricas, é pautada pela conversão deuma fonte primária (térmica, hidráulica, nuclear, vento etc.) em energia elétrica.A transmissão da energia por grandes distâncias é feita por um sistema de linhasmalhado, interconectando as diversas usinas aos centros consumidores, onde estãoos sistemas de distribuição [2]. Embora a transmissão possa ocorrer a qualquer nívelde tensão, é preferível que seja em alta tensão por reduzir as perdas na linha. Nadistribuição, por sua vez, a tensão é reduzida e alimenta um ramo principal, ao qualse conectam as cargas a serem alimentadas.[6]

Usina Elétrica Rede de Distribuição

Subestação

Elevadora

Subestação

Redutora

Figura 2.1: Representação do Sistema de Geração Centralizada.

Esse modelo teve seu crescimento impulsionado por uma série de acontecimentosna década de 1880. A lâmpada incandescente, inventada por Thomas Edison em1879, propiciou um grande aumento na demanda por energia elétrica, levando ànecessidade de construir centrais geradoras. Em 1882 foi construída por Edisona primeira usina elétrica pública, a Pearl Street Station, feita para iluminação

4

pública e para alimentar parte dos motores da cidade de Nova York [2]. Após essaprimeira central em 1882, surgiram por todo mundo tanto os primeiros sistemascomerciais de energia quanto os problemas com a sua transmissão.

A energia elétrica gerada, assim como as cargas da época, eram em correntecontínua. A transmissão a largas distâncias era inviável e, mesmo a curtas distâncias,apresentava grandes perdas por efeito joule e quedas de tensão. Não obstante, ainvenção dos transformadores em 1885 permitiu, em sistemas de corrente alternada,elevar a tensão antes de transportar a energia, reduzindo as perdas elétricas naslinhas. Essa enorme vantagem da geração em corrente alternada, impulsionadaainda mais pela invenção da máquina de indução em 1888, fez com que essa fossepreferida em detrimento dos sistemas de corrente contínua.[2]

Desde então, as diversas transformações sociais fizeram da energia a base dasociedade moderna, estimulando a expansão dos sistemas elétricos. A partirde Pearl Street Station, usinas de alta potência foram sendo construídas cadavez mais, primordialmente grandes hidrelétricas ou usinas térmicas dependentesde combustíveis fosséis, alcançando uma demanda energética de 14050 Mtoe(Mega Tonelada equivalente de petróleo) em 2017 [7]. Desse modo, foi adotadamundialmente uma política energética de crescimento ilimitado, sem levar em contanenhum dos efeitos ao planeta como a emissão de dióxido de carbono (CO2) naatmosfera, seja pela queima de combustíveis ou pela decomposição de hectaresflorestais alagados. O gráfico 2.2, obtido do Global Energy & CO2 Status Report [7]da International Energy Agency (IEA), mostra a relação do crescimento econômicomundial com a demanda energética e o nível de emissão de CO2 na atmosfera.

Figura 2.2: Crescimento do Produto Mundial Bruto (GDP), Emissão de CO2 eDemanda Energética no século XXI.[7]

Segundo inúmeros especialistas, as práticas não-sustentáveis resultaram emum alto índice de gases poluentes na atmosfera. O uso de combustíveis fósseispara geração de energia emite gases como o CO2 antes fora do ciclo de carbono,aumentando a concentração dos mesmos na atmosfera. Por sua vez, a maior

5

concentração desses gases acarreta no processo do aumento do aquecimento global[1], resultando no derretimento de calotas polares, elevação do nível do mar entreoutras tantas consequências drásticas.

A necessidade de preservar o meio ambiente obrigou a sociedade a buscar umdesenvolvimento econômico mais sustentável. No setor de geração de energia, seapresentam como alternativas as fontes renováveis, que utilizam recursos ilimitadose não-poluentes, como sol, vento, onda etc. para gerar eletricidade. Em 2017, ascentrais elétricas no Brasil participaram com 83,5 % da geração nacional, em que asnovas fontes limpas correspondem a 15,14% .[8].

Somada à energia limpa produzida por usinas, o desenvolvimento da eletrônicade potência permitiu alavancar novos sistemas de geração distribuída (GD), cujageração está localizada na rede de distribuição e utiliza de fontes não-convencionais[10]. Pelo uso dos conversores eletrônicos, a geração na rede de distribuição permiteaproveitar as vantagens do controle dos conversores para otimizar o despacho, bemcomo eliminar as perdas e custos pela transmissão.

As vantagens das GD levaram ao desenvolvimento de microrredes (MR), redes dedistribuição ativas que, além das demandas a serem atendidas, permitem a inserçãodireta de geradores controlados por conversores. A capacidade de medição e controledesses conversores permite um controle mais eficiente do sistema, melhorando aestabilidade e possibilitando que o mesmo funcione no caso de contingências na rede.Dessa forma, as MR despontam como um modelo eficiente, uma vez que propiciama operação das GD e cargas interconectados à rede de distribuição de energia deforma controlada e despachável. [11]

No Brasil, o setor vem recebendo incentivos por ações regulatórias, tais comoa REN 482 de 2012 [20]. A partir de 2012, quando foi estabelecido o sistemade compensação de energia excedente produzida por sistemas de menor porte, omercado das GDs cresceu exponencialmente. Em 2017, a micro e mini geraçãodistribuída no Brasil atingiu 359,15 GWh (gigawatt-hora) com uma potênciainstalada de 246,1 MW (megawatt), com destaque para a fonte solar fotovoltaica,que gerou 165,87 GWh com 174,5 MW de potência instalada. [8].

Contudo, MR em corrente alternada estão ainda nos estágios de pesquisa, enecessitam de investigação quanto a armazenamento e controle [12]. É imperativo,para garantir um melhor desempenho da microrrede, um controle eficiente eintegrado entre os conversores estáticos. Esse objetivo é possível pela otimizaçãodas gerações, dos sistemas de armazenamentos e da conexão com a rede, temasabordados nesse trabalho e tratado pelos próximos capítulos.

6

2.2 Conversores Estáticos de Potência

A invenção dos dispositivos semicondutores de potência abriu espaço para ocampo da eletrônica de potência. Esses dispositivos levaram ao desenvolvimentode diversas topologias de conversores estáticos, com aplicações dos mesmos emáreas como: transmissão em corrente contínua, equipamentos FACTS (FlexibleAlternative Current Transmision Systems), filtros ativos, controle e acionamentode máquinas, fontes renováveis etc.

Os conversores podem ser definidos, de maneira geral, como equipamentosutilizados para controle do fluxo de potência e interfaceamento de sistemasde potência. O funcionamento dos conversores é baseado no uso das chavessemicondutoras de potência, que podem ser dividas em três grupos: os nãocontroláveis (diodos); as semicontroláveis (tiristores), e as chaves controláveis(MOSFET, IGBT, etc.)[13]. Enquanto no primeiro grupo a condução se dáem decorrência da polarização pelo circuito de potência, sem capacidade de sercontrolada pelo usuário, as chaves controláveis permitem o pleno comando de seucomportamento por sinais aplicados no terminal do Gate. A condução dos tiristorespode ser determinada pelo controle correto do terminal do Gate da chave, mas suadescondução ocorre apenas pela despolarização de corrente do circuito de potência.

O controle desse dispositivo, também chamado chaveamento, pode ser feito pelalógica PWM (Pulse Width Modulation). A lógica PWM impõe o chaveamentocomparando o sinal de referência, comumente um sinal periódico em forma de umaonda triangular como mostrado na figura 2.3, com um sinal de controle. Quandoo sinal de controle for maior que a triangular, a chave conduz atuando como umcurto e, caso contrário, irá atuar como um circuito aberto. Por essa metodologia, édefinido o sentido de duty-cycle D mostrado na equação (2.1), razão entre o tempoda chave em condução (Ton) por período de chaveamento (Ts) [13].

D =TonTs

(2.1)

7

Boost : Graphs

x 0.0198 0.0200 0.0202 0.0204 0.0206 0.0208 0.0210 0.0212 0.0214 0.0216 %

&%&

-1.00

-0.75

-0.50

-0.25

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00 %Triangular %Vcontrol

Figura 2.3: Sinal Triangular, em azul, comparado a um sinal de referência, emvermelho.

No tocante à interconexão de sistemas de potência em corrente contínuae alternada, quatro aplicações se destacam: conversores CC-CC, conhecidoscomo choppers; conversores CC-CA, chamados de inversores; conversores CA-CC,notadamente conhecidos como retificadores; e conversores CA-CA, chamados deconversores de frequência.

A versatilidade do PWM, por permitir o chaveamento em alta frequência e umcontrole mais amplo, tanto da amplitude como da frequência, permitiu consolidaros choppers e inversores na literatura. Os retificadores e os conversores CA-CAfogem do escopo desse trabalho e não serão abordados, enquanto que os demaisserão detalhados nas próximas seções.

2.2.1 Conversores CC-CC

Os conversores CC-CC são circuitos em corrente contínua análogos aofuncionamento do transformador. O chaveamento em alta frequência permite,usando a topologia correta, mudar os níveis de tensão e corrente da entrada paraoutros níveis na saída.

Essas topologias são formadas por quatro principais componentes: um capacitorpara controlar a variação de tensão na carga; um indutor que visa alisar acorrente; um diodo para garantir continuidade de corrente no indutor e umachave semicondutora controlável, cujo chaveamento controlará a relação de tensão ecorrente entre entrada e saída.

A maneira como esses componentes são alocados no circuito resulta nos três

8

principais modelos de conversor CC-CC: o conversor Buck ou abaixador, que reduzos valores de tensão; o Boost, que aumenta os valores de tensão; e o Buck − boost,que pode tanto aumentar quanto abaixar os valores de tensão.

Conversor Buck ou abaixador

O conversor abaixador está representado na figura 2.4. Essa topologia é nomeadadessa forma pois a tensão de saída será sempre menor que a de entrada, secomportando como um transformador abaixador em corrente contínua.

Ve

Vs

Figura 2.4: Circuito do Buck.

De maneira análoga ao transformador e as relações de espiras, as tensões deentrada e saída podem ser relacionadas em função do duty-cycle. Em regimepermamente, o aumento por ciclo da energia armazenada nos componentes doconversor é nulo. Em outras palavras, tanto o valor médio da tensão no indutor(VL) quanto da corrente no capacitor apresentam valor nulo. Analisando o circuitoda figura 2.4, é possível calcular a razão entre as tensões no buck.

VL =

∫ Ts0vl(t)dt

Ts= 0

∫ Ts0vl(t)dt

Ts=

(Ve − Vs)Ton − VsToffTs

(2.2)

Substituindo a equação (2.1) na (2.2), é possível obter a relação entre as tensões(2.3):

VL = (Ve − Vs)D − Vs(1−D) = 0

9

VsVe

= D (2.3)

Pela definição do Duty-Cycle D, a equação (2.3) mostra que a tensão de saídaserá sempre menor que a de entrada, pois D pode variar de zero a um.

Conversor Boost ou elevador

O conversor boost ou elevador é chamado assim pois, diferente do buck, a tensãode saída será sempre maior. Esse conversor se comporta como um transformadorelevador em corrente contínua e sua topologia tradicional está representada na figura2.5.

Ve

Vs

Figura 2.5: Circuito do Boost.

Analogamente à seção anterior, as tensões de entrada e saída podem serrelacionadas em função da relação de duty-cycle do (2.1) pela análise da tensãono indutor, que terá valor médio nulo (VL) em regime permanente.∫ Ts

0vl(t)dt

Ts=VeTon + (Ve − Vs)Toff

Ts(2.4)

Substituindo a equação (2.1) na (2.4), é possível obter a relação entre as tensõesdesse conversor (2.5):

VL = VeD + (Ve − Vs)(1−D) = 0

VsVe

=1

1−D(2.5)

Pela definição de D, a equação (2.5) mostra que a tensão de saída será sempremaior que a de entrada, pois D pode variar de zero a um.

10

Conversor Buck−Boost ou abaixador-elevador

O conversor Buck-Boost é um conversor CC-CC capaz tanto de aumentar quantoreduzir a tensão de entrada. Por essa característica, é usado predominantemente naregulação de cargas que, em regime permamente, tem seu valor flutuando em tornodo valor de entrada. O circuito dessa topologia está ilustrado na figura 2.6.

Vs

Ve

Figura 2.6: Circuito do conversor Buck-Boost.

Diferente dos demais conversores CC-CC citados, essa topologia permiteestabelecer qualquer valor de tensão na saída em função do valor de D. Conformeexplicado anteriormente, em regime permanente o valor médio na tensão do indutorVL é nulo, o que permite equacionar a relação entre a tensão de entrada e de saída.∫ Ts

0vl(t)dt

Ts=VeTon − VsToff

Ts(2.6)

Substituindo a equação (2.1) na (2.6), é possível obter a relação entre as tensõesdesse conversor (2.7):

VL = VeD − Vs(1−D) = 0

VsVe

=D

1−D(2.7)

A razão entre as tensões em (2.7) demonstra a capacidade de alterar a entradapara qualquer valor de saída em função do D estabelecido pelo chaveamento. Casoo tempo de condução seja menor que a metade do período chaveamento (D<0.5),a tensão de saída é menor que a de entrada e o conversor atua como se fosse umconversor buck. Para D maiores que 0.5, o circuito se comportará como boost e a

11

tensão de saída será elevada. Por fim, para duty-cycle igual a 0.5, o sistema não iráalterar o valor da tensão.

2.2.2 Conversores CC-CA - Inversores Trifásicos

Os conversores CC/CA, conhecidos como inversores, são capazes de receber umatensão de entrada em corrente contínua e gerar sinais senoidais de tensão na saída,com amplitude e frequência desejáveis. Existem diversas topologias de inversores,mas somente os inversores trifásicos serão detalhados por serem um dos focos dessetrabalho. A figura 2.7 mostra a representação desse conversor.

Figura 2.7: Representação do Inversor Trifásico.

Embora ambos funcionem em virtude do chaveamento em alta frequência, oinversor se diferencia dos choppers pelo sinal de controle a ser comparado coma triangular. Nos inversores trifásicos, os ramos de chaves semicondutoras sãoresponsáveis por produzir as fases das tensões e possuem, cada um deles, um sinalde controle equivalente à saída desejada.

O chaveamento de cada ramo é feito de maneira independente, mas com o mesmoprincípio lógico. Quando o sinal de controle for maior em módulo que a triangular,a chave de cima no ramo ilustrado na figura 2.7 entra em condução; caso contrário,a chave de baixo conduz. O gráfico 2.8 mostra a triangular em alta frequência e ostrês sinais de controle desejados.

12

PWM : Graphs

x 1.7900 1.7950 1.8000 1.8050 1.8100 1.8150 1.8200 1.8250 1.8300 %

&%&

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50 %a %b %c %TRI

Figura 2.8: Sinal triangular de alta frequência e os sinais de controle desejados.

Esse controle fornece duas variáveis importantes: a modulação de amplitudema ea de frequência mf , determinadas pelas razões (2.8) e (2.9), respectivamente. Sendoftriangular a frequência do sinal triangular, fsaida a frequência do sinal de referência,Vsaida a amplitude do sinal CA desejado, Ventrada a amplitude CC de entrada eVtriangular de valor unitário, ma e mf são definidas a seguir:

ma =Vsaida

Ventrada

2× Vtriangular

=2Vsaida

Ventrada × Vtriangular(2.8)

mf =ftriangularfsaida

(2.9)

Além de fornecerem informações quanto à relação da saída com os demais sinais,as modulações permitem analisar quantitativamente os harmônicos produzidos nasaída do inversor. Os harmônicos, parte indesejada da variável de saída do inversor,são influenciados pela ação da chave e se relacionam com as modulações provenientesdo chaveamento. Em [13], é mostrada uma tabela relacionando os piores harmônicospara as combinações possíveis de modulações de amplitude e frequência.

Filtros passivos aplicados à inversores trifásicos

Apesar de possibilitar o controle e a operação de GDs e MRs, os conversores deeletrônica de potência são extremamente não lineares, fazendo com que a propagaçãode harmônicos seja uma das principais consequências em suas aplicações [9]. Paratratar esse resultado colateral indesejado e se adequar às normas de qualidade de

13

energia, filtros passa-baixa são utilizados na interface entre os conversores e à redeelétrica [9].

As topologias de filtros variam principalmente em função do preço, da quantidadede fases do sistema e da carga em questão. Segundo [9], em inversores trifásicosconectados com a rede, o filtro LCL garante melhor atenuação por ser um sistemade terceira ordem, sendo por isso o mais utilizado, ainda podendo apresentar umresistor no ramo capacitivo para melhor amortecimento na frequência de ressonância.A topologia em questão está ilustrada no inversor trifásicos da figura 2.9.

Figura 2.9: Exemplo de filtro LCL implementado na saída do inversor.

Os valores dos indutores e capacitores são determinados em função de limites queo projestista estabelece para os harmônicos indesejados, como: quedas de tensãono filtro, ripple de corrente, variação de tensão, THD de corrente, etc. Essesrequisitos dependem dos conversores, sendo normalmente limitados por porcentagensdos valores nominais do conversor.

2.3 Geração Distribuída e Microrrede

A diminuição de recursos fósseis, a baixa eficiência dessa fonte na conversãoem eletricidade e a alta emissão de poluentes possibilitaram o surgimento de novosmodelos de geração, localizados na rede de distribuição [10]. As GD normalmentesão pautadas pelo uso de fontes renováveis como gás natural, célula combustível,painéis solares, turbinas eólicas etc.

Atrelado ao crescimento das GD, surge o conceito de minirede ou microrrede:uma rede de distribuição de eletricidade, com o consumo atendido por um ou maisgeradores distribuídos, que pode operar isoladamente do sistema de distribuição da

14

concessionária. As MRs podem ser classificadas segundo duas características: comou sem sistema de armazenamento e com ou sem conexão com a rede de transmissãodo modelo centralizado.

O modelo sem conexão com a rede, também conhecido como modo ilhado, écomumente aplicado em regiões remotas e de difícil acesso. No Brasil, minirredesde distribuição para o sistema ilhado são mais frequentes pelo uso de geradoresmovidos à diesel [14]. Para superar as desvantagens desse modelo - como alto custooperacional, geração poluente, transporte do combustível - e garantir eletricidadede forma confiável e independente de recursos externos, as minirredes híbridas comfontes renováveis são aplicáveis como solução. Nesse modelo são essencias os sistemasde armazenamento, como banco de baterias, que possibilitam manter a rede elétricaestável sob requisitos das normas vigentes, bem como compensar as intermitênciasde gerações solares e eólicas, diminuindo consumo de fontes poluentes e caras comoas de diesel. A figura 2.10 ilustra um modelo de MR, com diversas cargas e geraçõesconectadas a um barramento comum.

Carga I

Carga II

Geração

Fotovoltaica II

Geração

Fotovoltaica II

Geração

Eólica

Armazenamento

Barramento da

Microrrede

Figura 2.10: Esquema dos componentes de uma microrrede ilhada.

Nas microrredes conectadas, o uso dos armazenadores se torna opcional, pois adiferença entre a potência gerada e a demandada pode ser tanto injetada quantofornecida pela rede, sendo cobrado do usuário somente essa diferença. Aindaassim, como normalmente existe diferença no preço do quilowatt-hora (kwH) tantoentre injeção e fornecimento pela rede quanto entre as horas do dia, os sistemasde armazenamento (do inglês ESS, Energy Storage Systems) são, muitas vezes,implementados para maximizar o uso da energia produzida no local. Devido apresença de baterias, a energia armazenada em picos de produção é utilizada quandoa demanda está alta, aumentando o percentual do uso das energias limpas, ereduzindo o uso da rede e o custo financeiro ao consumidor. A ilustração dessemodelo está demonstrada na figura 2.11.

15

Geração

Fotovoltaica I

Carga I

Carga II

Geração

Fotovoltaica IIGeração Eólica

Armazenamento

Back-to-back

Figura 2.11: Esquema dos componentes de uma microrrede conectada à rede daconcessionária.

Sobre as fontes utilizadas, destacam-se a fotovoltaica e eólica, tecnologiasintermitentes mas com fonte primária gratuita. Devido ao menor rendimentoda geração eólica em baixas alturas, onde o vento perde velocidade, os modelosfotovoltaicos são os mais utilizados em GDs em sistemas residenciais [15]. No cenáriobrasileiro, a fotovoltaica lidera esse setor com ampla diferença, atingindo 174,5 MWde potência instalada.

2.3.1 Geração fotovoltaica em sistemas distribuídos

A geração fotovoltaica consiste na conversão direta da energia incidente dos raiossolares em energia elétrica pelo efeito fotoelétrico. Conforme foi observado por Hertze Hallwachs, mas somente explicado em 1905 por Einstein, a incidência de energialuminosa em superfície metálica faz com que elétrons sejam emitidos pelo metal,pois a energia incidente permite excitá-los e rompê-los da ligação covalente com onúcleo, liberando-os para se movimentarem.[16]

Os painéis fotovoltaicos são placas metálicas feitas de material semicondutordopado, normalmente silícios. Os fótons dos raios solares incidentes fornecemenergia para os elétrons do semicondutor se desprenderem e se movimentarem peloscaptadores do painel, produzindo, assim, corrente elétrica.

Esse comportamento do painel permite sua modelagem como uma fonte decorrente variável em função da irradiação, cuja corrente de saída é expressa pelaequação (2.10). A resistência em série representa as quedas de tensão nos terminaisda geração, o diodo a recombinação de elétrons nos painéis e a resistência em paralelomodela as correntes de fuga. A figura do circuito equivalente do painel está ilustradaem 2.12.

I =Ipv − ID − V

Rp

1 + Rs

Rp

(2.10)

16

Figura 2.12: Circuito equivalente do painel fotovoltaico.

ID = Is(eVdnVt − 1) (2.11)

Sendo Is a corrente de saturação, n o fator de idealidade do diodo e Vt a tensãotérmica de 25mV , a equação da corrente do diodo depende somente da tensão emseus terminais, conforme (2.11). Substituindo-a em (2.10), é possível constatar que acorrente de saída do painel I dependerá somente da tensão nos terminais do arranjo.Pelo fato de depender unicamente desse valor de tensão, quando temperatura eirradiação são constantes, é possível levantar a curva de variação da corrente pelatensão nos terminais do sistema. Esse gráfico é chamado de curva I-V e estárepresentado na figura 2.13.

17

Figura 2.13: Modelo de uma curva I-V de painéis fotovoltaicos.

Sendo a potência gerada igual ao produto entre tensão e corrente, o produtodas coordenadas do gráfico 2.13 permite plotar a curva de variação de potênciapela tensão (curva P-V) do painel, conforme equação (2.12). A curva P-V estárepresentada na figura 2.14 e é a base do algoritmo de seguidor de máxima potência(MPPT, do inglês Maximum Power Point Tracker), que possibilita a máximaextração de energia do painel.

P = V × I (2.12)

18

Figura 2.14: Modelo de uma curva P-V de painéis fotovoltaicos.

Como a energia é gerada na forma de corrente contínua, conversores estáticos depotência são necessários para conexão com a rede elétrica, que funciona em correntealternada com frequências e amplitude fixadas pelas normas. Esse intermédio é feitoatravés de dois conversores, conectados por um elo CC capacitivo em comum.

O primeiro conversor é de topologia CC-CC, conectando os painéis ao elo CCe no qual se implementa o MPPT, enquanto o segundo é um inversor trifásico quefornece três sinais em CA compatíveis com a rede elétrica. Sendo o elo CC comnível estabelecido, o chaveamento do chopper estabelecerá as tensões nos terminaisda geração, de modo a extrair dos painéis o máximo de potência possível.

Já os inversores são conversores controlados por corrente (CCC). Conhecida atensão de saída do sistema, a ordem de potência a ser injetada na rede determina acorrente de referência para a saída do equipamento. No capítulo 3 serão abordadosde maneira detalhada a lógica e implementação desses controles.

2.3.2 Sistemas de Armazenamento de Energia - ESS

Os ESS são capazes de transformar energia elétrica em uma nova forma deenergia (mecânica, potencial, química etc.) e armazená-la de maneira altamenteeficiente. Alguns exemplos de ESS são reservas girantes, supercapacitores,reservatórios de armazenamentos em hidrelétricas, baterias etc. Nesses dispositivos,a energia que foi armazenada pode, pelo processo reverso, ser convertida novamente

19

em energia elétrica e fornecida de volta ao sistema inicial.Esses armazenamentos são bidirecionais quanto ao fluxo de energia. Por esse

motivo, podem compensar o desbalanço entre a demanda e a geração em sistemasde potência. Essa virtude faz dos ESS elementos de vital importância para aestabilidade das microrredes sem conexão com a rede elétrica, assim como facilitama inserção de energias renováveis no sistema centralizado, já que podem compensara intermitência das fontes de geração [15].

Dentre os diversos tipos de ESS, se destacam as baterias e pilhas comfuncionamento em corrente contínua [15]. As baterias são equipamentosarmazenadores baseados na conversão de energia na forma elétrica para química. Oprocesso de conversão acontece pelas reações de oxirredução nos elementos internosda bateria, onde o sentido da corrente de saída determina se a energia se transformade química em elétrica ou ao revés. As baterias apresentam maior densidade de carga[21] e são comumente aplicados à GDs, em especial à bateria de chumbo-ácido, emvirtude do menor custo financeiro e ao maior número de modelos disponíveis nomercado [15] [17].

A bateria tem diversas propriedades que pautam seu funcionamento: estado decarga, densidade de energia, capacidade de armazenamento, autonomia, tempo devida útil etc. Esses fatores influenciam a tensão terminal e a eficiência do processo deconversão, fazendo com que esse sistema se comporte de maneira diferente quandodescarregando e quando em carregamento. A figura 2.15 mostra o esquema dabateria e a relação do fluxo de potência (setas grossas) e a polaridade da corrente(setas finas).

20

Figura 2.15: Representação do modelo simplificado da bateria.

Pela figura 2.15, conclui-se que a bateria pode ser modelada como uma fonte detensão dependente de suas variáveis internas e da corrente. Considerando positiva acorrente I no descarregamento, é possível equacionar a tensão nos terminais Vterminalpor (2.13), onde Voc é a tensão em aberto e R a resistencia de thévenin da bateria.

Vterminal = Voc −RI (2.13)

O controle da bateria consiste em estabelecer a tensão no terminal do sistemaconforme resultado do controle de corrente. É fácil perceber, pela equação (2.13),que a sintetização da tensão nos terminais da bateria permite controlar a corrente emmódulo e sentido, ou seja, controlar o estado do equipamento e o fluxo de potência.Contudo, por se comportarem de maneira diferente em cada um dos dois estados,as baterias são componentes não lineares, e a eficiência e algumas propriedadesdependem de muitos fatores como temperatura, tensão terminal, estado de carga,capacidade de armazenamento etc. Não obstante, diversas simplificações foramdesenvolvidas na literatura para modelar a bateria em função das variáveis maispredominantes em um determinado projeto.

21

- - - -

+ ++ +

Rede ElétricaConversor CC-CCBateria Inversor Trifásico

Figura 2.16: Sistema de conversores na interface da bateria com a MR.

O sistema de conversores, como mostra a figura 2.16, é semelhante ao aplicado àgeração fotovoltaica. Como a bateria tem seu funcionamento em corrente contínua,o primeiro conversor apresenta topologia CC-CC, enquanto o segundo trata-se deum trifásico, interfaceando o elo à microrrede CA.

O inversor nesse sistema é idêntico ao descrito e utilizado em geraçõesfotovoltaicas, funcionando sob os mesmos princípios. Entretanto, é necessário levarem conta que potência agora é bidirecional, o que modificará a modelagem docontrole. De maneira próxima ao controle na geração fotovoltaica, o conversorCC-CC nesse sistema estabelece a tensão no terminal da bateria de forma a atendero controle de corrente. Como é conhecida a tensão de saída na rede, a ordem depotência que deve entrar ou sair da bateria é atendida pela corrente adequada. Adiferença entre esse caso e o aplicado à geração fotovoltaica é a necessidade dacorrente da bateria poder fluir em dois sentidos. No capítulo 3 serão abordados demaneira detalhada a lógica e implementação desses controles.

2.4 Controle Droop

2.4.1 Controle Droop em sistemas de potência convencionais

Nas máquinas síncronas, o rotor se comporta como um eletroímã passível degiro, produzindo o campo magnético interno da máquina. O rotor é formadopor um cilindro com pólos (lisos ou salientes) formados por ímãs permanentes oueletroímãs. Nesse último caso, uma fonte CC externa fornecerá corrente contínua aorotor. Quando a máquina trabalha como gerador, uma fonte motriz primária acionamecanicamente o rotor que, ao girar, produz uma variação de fluxo magnético nointerior da máquina, induzindo um conjunto de tensões trifásicas nos terminais doestator.

Sendo conhecido o número de pólos da máquina, a velocidade angular do rotore a frequência das tensões induzidas no estator se relacionam por (2.14):

22

ω =120× fP

(2.14)

onde ω é a velocidade angular do rotor em rotações por minuto (rpm), f afrequência elétrica do estator e P o número total de pólos da máquina. A equação(2.14) mostra que um decréscimo na velocidade gera um decréscimo na frequênciaelétrica. A equação dinâmica que rege o comportamento do rotor é obtida pelaaplicação da lei de newton a corpos rotativos:

Jd2δ

dt2= Tm − Te (2.15)

em que J é o momento de inércia do rotor, δ a diferença de fase do mesmo parao campo girante, Tm o torque mecânico e Te o torque elétrico. Como a potência é oproduto do torque pela velocidade, é possível reescrever a equação de oscilação damáquina como (2.16).

Jωd2δ

dt2= Pm − Pe (2.16)

Dessa forma, uma variação da potência elétrica demandada varia a velocidade damáquina, como mostra (2.16). Consequentemente, um desvio na velocidade varia afrequência no estator pela dependência da equação (2.14). A oscilação pela equação(2.16) garante o equilíbrio entre carga e geração.

O comportamento descrito baseia o controle por droop em sistemas de potência.Sendo Pe a potência elétrica fornecida pelo gerador, um aumento da potênciademandada aplica um torque visando freiar a máquina, reduzindo sua velocidade e,por consequência, a frequência da rede. Analogamente, um decréscimo de demandafaz com que Tm seja maior que Te, acelerando a máquina e aumentando a frequênciada rede. A figura 2.17 mostra a variação de frequência por mudanças na potênciaelétrica.

23

Figura 2.17: Curva de Droop de Potência ativa demandada e frequência.

A figura 2.18 mostra o equivalente thévenin de um gerador síncrono.Considerando X>>R, o diagrama fasorial do circuito é simplificado como ilustradona figura 2.19. Multiplicando todos os vetores do diagrama por uma grandeza escalar

igual a 3VtX

, o diagrama é redimensionado na figura 2.20.

Z X

Ea Vt

/

Figura 2.18: Circuito equivalente de um gerador síncrono.

24

Figura 2.19: Diagrama fasorial de um gerador síncrono.

Figura 2.20: Diagrama fasorial de um gerador síncrono redimensionado.

O diagrama da figura 2.20 é a base do gráfico conhecido como curva de capacidadede um gerador. Como explícito na equação (2.17), o vetor que antes representava aqueda de tensão na reatância de armadura tem o módulo da potência aparente desaída do gerador. Por semelhança de triângulo, resulta do ângulo entre o vetor S eo eixo vertical ser igual ao ângulo do fator de potência. Pela definição de potência

25

ativa (2.18) e reativa (2.19), nota-se que P e Q são numericamente iguais à projeçãodo vetor S no eixo vertical e horizontal, respectivamente.

S = 3V I (2.17)

P = S × cosθ (2.18)

Q = S × senθ (2.19)

A análise do diagrama mostra que o vetor S faz parte de dois triângulos.Sendo as projeções no eixo vertical e horizontal iguais as potências ativa e reativa,respectivamente, ambas podem ser reescritas também em função do ângulo depotência δ. Enquanto a equação (2.20) corrobora a conclusão feita quanto a relaçãoda potência ativa e a frequência, a (2.21) indica uma outra relação de comportamentoanálogo: o droop de potência reativa demandada e amplitude de tensão da rede.

P =3EaVtX

senδ (2.20)

Q =3EaVtX

cosδ − 3V 2t

X=

3VtX

[Eacosδ − Vt] (2.21)

Como Ea depende unicamente de variáveis internas da máquina, pode serconsiderada constante, assim como a reatância X. Logo, um aumento na tensãoVt faz com que o ângulo de potência diminua, visto que a potência ativa em 2.20

deverá permanecer constante. Dessa forma, pela equação (2.21), o aumento de Vtresulta no aumento da injeção de reativo na saída do gerador. Como a convençãode sinal para potência imaginária é o oposto entre geração e carga, o droop U ×Q estabelece comportamento inversamente proporcional entre a tensão de saída dogerador e o reativo demandado pela carga. A figura 2.21 mostra a curva mencionada.

26

Figura 2.21: Curva de Tensão por potência reativa demandada.

2.4.2 Controle por Droop em Conversores estáticos

O controle droop para conversores de potência tem como objetivo adotar ocontrole aplicado nos sistemas de potência comuns, como explicado na última seção.O comportamento da tensão e da frequência dependem das características da redee da presença ou ausência de geradores.

A potência aparente injetada em um barramento é dada pelo produto entrea tensão do barramento e o conjugado da corrente, conforme equação (2.22).Considerando a impedância Z entre as barras de tensão U1 e a referência U2, adefasagem de δ entre as mesmas, bem como uma defasagem de θ com a corrente,calcula-se a corrente pela equação (2.25).

S = U × I∗ = P + jQ (2.22)

U1 = U1 × (cosδ + jsenδ); (2.23)

Z = R + jX = |Z|(cosθ + jsenθ) (2.24)

I =U1 − U2

Z(2.25)

27

Substituindo a equação (2.23) e (2.24) em (2.25), obtêm-se a expressão dacorrente em função dos ângulos de potência e da impedância em (2.26).

I =[U1cosδ − U2] + jU1senδ

Z=

[U1cosδ − U2] + jU1senδ

|Z|(cosθ + jsenθ)

[U1cosδ − U2] + jU1senδ

|Z|(cosθ + jsenθ)×(cosθ − jsenθ)

(cosθ − jsenθ)=

[(U1cosδ − U2) + jU1senδ](cosθ − jsenθ)|Z|

I =[(U1cosθ − U2)cosθ + U1senδsenθ] + j[(U2 − U1cosδ)senθ + U1senδcosθ]

|Z|(2.26)

A substituição do conjugado de (2.26) na equação da potência aparente (2.22)resulta, após desenvolvimento matemático, na potência aparente em função dosvalores de tensão e ângulos do sistema em (2.27). Definidas como a potência ativaque flui entre as barras e a reativa que é trocada entre as fases do circuito, as parcelassão calculadas pelas equações (2.28) e (2.29), respectivamente.

S = U1×(cosδ+jsenδ)[(U1cosθ − U2)cosθ + U1senδsenθ]− j[(U2 − U1cosδ)senθ + U1senδcosθ]

|Z|(2.27)

P =U1 × [(U1cosθ − U2cosδ)cosθ + U2senδsenθ]

|Z|(2.28)

Q =U1 × [(U1 − U2cosδ)senθ − U2senδcosθ]

|Z|(2.29)

Caso seja conhecido o nível de tensão e a relação entre R e X da impedância Z,as equações (2.28) e (2.29) podem ser simplificadas. Segundo [17], a tabela mostravalores típicos da relação entre R e X em função do nível de tensão:

Nível de Tensão R (Ω/km) X (Ω/km) R/XBaixa Tensão 0,642 0,083 7,7Média Tensão 0,161 0,190 0,85Alta Tensão 0,06 0,191 0,31

Tabela 2.1: Tabela das grandezas usuais de impedância pelos níveis de tensão.[17]

Em alta tensão, a parcela reativa de (2.24) é consideravelmente maior que aresistiva, ou seja, sinθ tende ao valor unitário e cosθ, a zero. O cáculo da potênciaativa e reativa em um barramento se reduzem à equação (2.30) e (2.31).

28

PAT =U1 × U2senδ

X(2.30)

QAT =U1 × (U1 − U2cosδ)

X(2.31)

De maneira análoga, em redes de baixa tensão a parcela resistiva éconsideravelmente maior que a imaginária, fazendo com que sin θ tenda a zero ecosθ a um. As equações originais são reescritas, nesse caso, na forma de (2.32) e(2.33).

PBT =U1 × (U1 − U2cosδ)

R(2.32)

QBT =U1U2senδcosθ

R(2.33)

As simplificações não podem ser feitas em média tensão, pois como, mostra atabela (2.4.2), a ordem de grandeza de R e X é a mesma. Entretanto, como oângulo de potência δ está diretamente relacionado à posição do rotor em máquinassíncronas, se relaciona direta e exclusivamente à frequência da rede ([17]). Dessaforma, δ se relaciona também, no caso de alta tensão, à potência P e à frequência.

Essas simplificações pautam o funcionamento da técnica de controle por Droop,implementando o mesmo controle que em sistemas de potência suportados pormáquinas síncronas. Como utilizam técnicas já conhecidas, o droop desponta comosolução para o controle de microrredes com conversores em paralelo. Os conversoresde potência não possuem tais relações como as máquinas síncronas e, por isso, énecessário que sejam criadas pelo sistema de controle, a fim de manter uma operaçãoestável [17].

Visando imitar o comportamento dos geradores síncronos e manter ocomportamento dos cabos do sistema, nos casos em alta tensão impõe-se no ambientedo conversor a variação de potência demandada afetando a frequência de saída. Emcasos de baixa tensão, no entanto, são comumente implementadas as relações dodroop inverso, relacionando P×U e Q×U, se adequando ao comportamento doscabos.

Apesar de o comportamento natural do sistema mostrar que é mais convenienteutilizar a relação P×V e Q×U para redes em baixa tensão, a relação P× ω e Q×Vtambém é efetiva. Isso se deve ao fato de que a relação imposta pelo controladordo conversor força o sistema a se comportar como determinado pelas curvas [17].Em especial, para o caso de MR com a conexão de geradores síncronos, o droopinverso não pode ser aplicado nos conversores presentes, pois estaria em conflitocom o comportamento natural da máquina.

29

Para emular o comportamento descrito, são impostas as equações (2.34) e (2.35)no controle, em que as inclinações das curvas são dadas pelos valores nominais doconversor, conforme (2.36) e (2.37):

ω = ω′ − kp × (P − P ′) (2.34)

U = U ′ − kq × (Q−Q′) (2.35)

kp =ωmax − ωminPmax − Pmin

=∆ω

∆P(2.36)

kq =Umax − UminQmax −Qmin

=∆U

2×Qmax

(2.37)

As equações acima informam as referências para o PWM dos conversores, comoexplicado nas seções 2.2. O controle droop permite a divisão proporcional devariações de carga, e é implementado no âmbito do nível primário da hierarquiade controle dos conversores. Possibilita, portanto, um atendimento adequado aotransitório e a distribuição correta de variações de potência.

2.5 Controle hierárquico

As regulações de tensão e corrente, controle do fluxo de potência e demais funçõesde controle podem ser efetuadas pela correta operação dos conversores responsáveispela interface da geração, armazenamento e a conexão do sistema com a rede dedistribuição [12][18]. Com objetivo de garantir que o sistema opere de maneiraótima e estável, tem sido crescente o interesse pela coordenação dos controles eintegração desse sistema com o antigo modelo centralizado.

As variáveis controladas pelos conversores obrigam abordar o problema commétodos de controle multi-nível. Conforme [18], são diversas as estruturas decontrole:

• Centralizado: Esse modelo consiste em um único controle para toda a rede. Ocontrole central recebe as informações necessárias de todos os conversores e,com elas, determina cada um dos modos de operação, com intuito de atender àsexigências. Pela conexão com todos os conversores, possui alta observalidadee controlabilidade do sistema, mas com alto custo computacional, poucaflexibilidade, pouca capacidade de expansão e pouco confiável. Esse modelotem como grande problema a dependência da comunicação, visto que umasimples falha de comunicação faz com que se perca o controle do sistema.

30

• Descentralizado: No modelo descentralizado, o controle de cada conversoratua individualmente no equipamento, sem informação nem comunicaçãodos demais conversores da rede. Pelo fato de não possuir comunicaçãoem tempo real, diminui-se o custo global, mas limita assim a exatidão dosresultados. No entanto, técnicas como o controle por Droop permitem estimaro comportamento da rede e servir de comunicação entre os conversores, pelamedição de tensão, frequência e potência ativa e reativa injetada.

• Distribuído: Possui estrutura semelhante ao descentralizado, porém contandocom comunicação entre os conversores, o que proporciona um controle maisexato. Essa comunicação pode ocorrer por diversas formas: WiFi, Zigbee,P2P, gossip e demais tecnologias de trocas de informação. Entretanto, se porum lado o controle se torna mais preciso pela comunicação, a dependênciade mais fatores torna-o também menos confiável. Com todos os conversoresutilizando as informações intercambiadas por rede, uma queda no sinal doWiFi, por exemplo, faria com que as informações não fossem transmitidas.Dessa forma, as entradas dos sistemas de controle não seriam fornecidas paraos conversores que, consequetemente, não iriam funcionar.

• A crescente complexidade dos sistemas de potência dificulta que certasexigências sejam atendidas por controles locais. Dessa forma, a estruturado controle hierárquico vem sendo mais utilizada. Enquanto controleslocais podem ser implementados no conversor para garantir a estabilidadedo sistemas, controle avançado e métodos de otimização do sistemas sãoimplementados em controles superiores, que fornecem os valores de referênciapara o funcionamento das camadas inferiores do controle multi-nível. Essaconfiguração vem se tornando comum nos sistemas de microrrede.

No tocante a aplicações em sistemas elétricos, o controle hierárquico é conhecido eaplicado em diversas situações, como o controle de geradores em usinas nos sistemascentralizados e em parques eólicos. Nos últimos anos, esse tipo de controle vem setornando uma configuração padrão em MR, mas conhecimentos quanto ao controlee armazenamento de energia necessitam ser ainda aprofundados [12] [18].

Para aplicá-lo corretamente em sistemas de potência, o controle hierárquico écomposto em três principais camadas: o controle primário, responsável pelos diversoscontroles locais e operação física dos conversores; o controle secundário, pelo ajuste,regulação e sincronização do conversor controlado e, por fim, o controle terciário,responsável pela otimização do sistema global em que o conversor está aplicado. Naspróximas subseções, esses elementos serão aprofundados.

31

Controle Terciário

Controle Secundário

Controle Primário

Figura 2.22: Fluxograma modelo do Controle Hierárquico.

2.5.1 Controle Primário

Todos os conversores aplicados ao sistema são chaveados seguindo referênciasde tensão e frequência. Entretanto, referências diferentes para conversoreseletricamente próximos na microrrede podem produzir correntes circulando entreas fontes, aumentando perdas ôhmicas e potência reativa armazenada nos cabos.Em outras palavras, energia gerada pelas gerações distribuídas que não foi entregueàs cargas ou sistemas de armazenamento. A técnica do droop permite estabeleceressas referências para conversores sem comunicação, eliminando os problemasmencionados e permitindo a distribuição proporcional de corrente entre cadaelemento da microrrede.

A primeira camada do controle hiérarquico é responsável pelo controle local,garantindo a estabilidade de operação [18]. O controle por droop é comumenteutilizado por emular comportamentos físicos de sistemas elétricos de potênciaclássicos, pautados em conceitos já consolidados. Garante, desse modo, uma maiorestabilidade de tensão e frequência. [12]

Implementando as equações (2.34) e (2.35), o controle primário atua permitindo avariação de tensão e frequência em um certo intervalo, limitando o efeito de correntescirculantes e garantindo o compartilhamento proporcional de potência. Ao detectarvariações na frequência, o controle primário as interpreta como variações de potênciano sistema, impondo nova ordem de potência de saída para sanar essa diferença. Omesmo procedimento ocorre ao detectar variações na amplitude da tensão da rede,mudando o ponto de operação quanto à injeção de reativo. Os gráficos 2.23 e 2.24

32

ilustram a mudança dos pontos de operação realizados pelo controle primário.

Figura 2.23: Ação do controle primário no compartilhamento de potência ativa.

Figura 2.24: Ação do controle primário no compartilhamento de reativo.

2.5.2 Controle Secundário

O controle secundário, intermediário no controle multi-nível aplicado à rede, éresponsável por reajustar os valores de referência para todas as grandezas a seremcontroladas pela camada primária. Dessa forma, visa anular o erro de tensão efrequência para cada mudança na geração ou de carga.

33

Após a atuação do comando primário, os conversores atuam em novos pontos defrequência e amplitude de tensão causados pela curva de droop, como ilustram asfiguras 2.23 e 2.24. Apesar de ainda operarem em pontos permitidos pela norma, édesejável que o sistema opere em frequência e amplitude exatas, como operava antesda primeira ação do controle.

O secundário atua corrigindo esse desvio, implementando uma correção ao valorde referência das curvas. Ao comparar os valores de referência de frequência eamplitude com os valores medidos no ponto de conexão, caso perceba algum desvio,as referências são modificadas para que o droop entenda que a potência injetadanaquele momento ocorre com os valores de referência inicial. Chamando-os deωsecundario e Usecundario, as equações (2.38) e (2.39) mostram a implementação detais correções, ilustradas nas figuras 2.25 e 2.26.

ω = ω′ + ωsecundario −Gp(s)× (P − P ′) (2.38)

U = U ′ + Usecundario −Gq(s)× (Q−Q′) (2.39)

Figura 2.25: Atuação dos controles primário e secundário no droop de potência ativa.

34

Figura 2.26: Atuação dos controles primário e secundário no droop de potênciareativa.

2.5.3 Controle Terciário

O controle terciário, como um controlador central da planta, atua na supervisãoda rede buscando a otimização da mesma. Tem como função cumprir determinadasespecificações, como manter o balanço de energia, minimização dos custos degeração, de perdas de potência na transmissão etc. [18]

As técnicas de controle de conversores, aplicadas nos níveis primários esecundários, estão presentes na literatura e são foco de diversas linhas de pesquisa.No entanto, os métodos de otimização aplicados ao terciário em microrredes sãolimitados devido à altíssima complexidade e necessiddade de armazenamento dedados para o cálculo do fluxo de potência. [18]

35

Capítulo 3

Controle dos conversores conectadosà microrrede

3.1 Introdução

A necessidade de controle local dos elementos da micrrorede obriga a utilização deconversores estáticos de potência. Para o funcionamento de baterias, por exemplo, énecessário o controle do fluxo de potência, enquanto as gerações distribuídas lançammão de conversores para adequação das grandezas de saída. Essas interfaces sãofeitas por um sistema de dois conversores interligados por um barramento CC. [15][19]

Esse elo CC permite que se implemente um controle distinto para cada conversor,dividindo as ações de controle e, assim, eliminando a necessidade de comunicá-los[19]. No caso de GD, por exemplo, enquanto o conversor conectado à micrroredecontrola o nível de tensão e frequência pelas curvas de droop, o outro controla ageração em si. No caso de turbinas eólicas, é utilizado um retificador trifásicopara estabelecer o elo, enquanto na fotovoltaica, por outro lado, é utilizado umconversor CC-CC para ajustar os valores de tensão. As topologias utilizadas variamconforme as características da planta a ser controlada, e serão debatidas, junto comos respectivos controles, nos casos abordados nas próximas seções.

A literatura apresenta diversas topologias de conversores pelo uso de chavessemicondutoras, seja para qualquer conversão CC-CA, CC-CC, CA-CA e CA-CCpor PWM [15]. Para conversão CC-CA, os inversores podem ser classificados comoconversores fonte de tensão (VSC, do inglês V oltage Source Converter) ou fontede corrente (CSC, do inglês Current Source Converter). No primeiro modelo, atensão é mantida constante e o fluxo de potência depende da polaridade da correnteenquanto que, no segundo, a corrente é constante e a potência é determinada pelapolaridade da tensão sintetizada [17]. Respectivamente, essas configurações estão

36

ilustradas nas imagens 3.1 e 3.2.

v

Figura 3.1: Representação do conversor modelo fonte de tensão (VSC).

Figura 3.2: Representação do conversor modelo fonte de corrente (CSC).

Esse trabalho aborda todos os inversores trifásicos com topologia do tipo VSC.Por se comportar como uma fonte de tensão que deve sincronizar com a rede, o VSCatua por controle de corrente.

As medições dos conversores permitem, através de um sistema conhecido comoPhase Locked Loop (PLL), obter a frequência da rede e amplitude de sequênciapositiva da componente fundamental. Em posse dessas grandezas, o nível primário

37

da hierarquia de controle define cada parcela da potência aparente. Conhecidas aspotências desejadas e a tensão de saída, é possível determinar diretamente a correntedesejada na saída do conversor. Essa referência é controlada comparando-a com acorrente de saída medida, disponibilizando, assim, a modulação de amplitude aochaveamento. O chaveamento pelo controle da corrente, como mostra o diagramade blocos 3.3, faz com que esse modelo seja chamado de Conversor Controlado porCorrente (CCC).

Figura 3.3: Diagrama de blocos do controle de corrente em inversores trifásicos.

No entanto, ainda que o modelo geral desse controle seja o mesmo, a suaimplementação varia conforme o sistema e seu comportamento. A diferença quantoao fluxo de potência em cada elemento da MR obriga estabelecer limites distintose detalhes específicos para cada planta. Dessa forma, o controle implementadoapresentará particularidades em cada caso.

3.2 Sistemas de controle em inversores trifásicos

controlados por corrente

3.2.1 Teoria de Potência Ativa e Reativa Instantânea - Teoria

pq

Em circuitos elétricos equilibrados e sem distorção, os conceitos de potência ativae reativa estão consolidados na literatura, sendo um consenso entre engenheiroseletricistas [22][23]. A teoria convencional deriva do estudo de circuitos monofásicosem regime permanente e sem distorção, e foi expandida para trifásicos tratando-os

38

como três monofásicos independentes [23]. Nos casos de redes trifásicas em regimepermanente, equilibradas e sem distorções, a teoria se mantém válida. Como amaioria das redes presentes atendiam a esses requisitos, durante anos essa teoria foiutilizada.

Contudo, o desenvolvimento da eletrônica de potência levou a uma maior inserçãode conversores na rede elétrica, aumentando a quantidade harmônicos presente. Apresença dos dispositivos semicondutores aumentou também o desbalanço entreas fases em redes trifásicas. Nesse novo cenário, a teoria convencional perde suacoerência e outra abordagem deve ser considerada.

Com intuito de estabelecer novos conceitos, que fossem válidos de maneirageneralizada para sistemas trifásicos, foi desenvolvida a teoria de potência ativae reativa instantânea. Conhecida também como teoria pq, foi proposta inicialmentepor Akagi, Kanazawa e Nabae em 1983 em Tóquio, e expandida por outros cientistasnos anos seguintes [24]. A teoria p-q trata o problema de maneira generalizada porseparar, em função das coordenadas αβ, a potência instantânea em parcelas médiase oscilantes.

Em sistemas trifásicos distorcidos e desbalanceados, as tensões e correntes de fasesão sinais periódicos compostos por várias frequências. Dessa forma, pela série defourier, podem ser descritas pelo somatório dos seus harmônicos. Sendo Vkn e Ikn osvalores em RMS, θkn e δkn as fases e ωkn a frequência das componentes harmônicasn na fase k, os valores instantâneos por fase são descritas pelas equações (3.1) e(3.2) como mostrado em [23].

vk(t) =∞∑n=1

√2Vknsin(ωnt+ θkn); k = (a, b, c); (3.1)

ik(t) =∞∑n=1

√2Iknsin(ωnt+ δkn); k = (a, b, c); (3.2)

A transformada de clarke permite calcular as grandezas de fase mencionadasem componentes αβ, iguais ao somatório das projeções dos valores de fase nos eixosestacionários αβ. A figura 3.4 mostra os eixos abc e αβ, que pautam a transformaçãodescrita e equacionada em (3.3). A equação (3.4) corresponde a transformada inversade clarke, para conversão de αβ para abc.

39

Figura 3.4: Eixos abc e αβ para transformada de clarke.

vo(t)vα(t)

vβ(t)

=

√2

3

1√2

1√2

1√2

1 −12−1

2

0√32−√32

va(t)vb(t)

vc(t)

;

io(t)iα(t)

iβ(t)

=

√2

3

1√2

1√2

1√2

1 −12−1

2

0√32−√32

Ia(t)Ib(t)

Ic(t)

(3.3)

va(t)vb(t)

vc(t)

=

√2

3

1√2

1 01√2−1

2

√32

1√2−1

2−√32

vo(t)vα(t)

vβ(t)

;

ia(t)ib(t)

ic(t)

=

√2

3

1√2

1 01√2−1

2

√32

1√2−1

2−√32

vo(t)vα(t)

vβ(t)

(3.4)

A potência ativa instantânea que flui pelas três fases é calculada por (3.5).Substituindo (3.4) em (3.5) e após algumas manipulações matriciais, é possívelreescrever a potência trifásica em função das componentes de clarke.

p3φ(t) = va(t)ia(t) + vb(t)ib(t) + vc(t)ic(t) =∣∣∣va vb vc

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣ia

ib

ic

∣∣∣∣∣∣∣ (3.5)

40

p3φ =[vo vα vβ

]√2

3

1√2

1√2

1√2

1 −12−1

2

0√32−√32

√2

3

1√2

1 01√2−1

2

√32

1√2−1

2−√32

ioiαiβ

p3φ =[vo vα vβ

]vovαvβ

= voio + vαvα + vβiβ = po + p (3.6)

p = vαiα + vβiβ (3.7)

po = voio (3.8)

Na equação (3.6), a potência trifásica nas novas componentes são divididas emp e po, definidas em (3.7) e (3.8), respectivamente. Como explicado em [23], pelateoria pq, a potência real p representa a parcela da potência ativa que flui pelasfases, enquanto po é a parcela da potência ativa oriunda da sequência zero presenteem sistemas com quatro fios. A soma das duas equivale a potência ativa instantâneap3φ, correspondente ao fluxo de potência instantâneo por unidade de tempo em todoo sistema [23].

Considerando um sistema trifiliar, a sequência zero pode ser desprezada. Comoilustrado na figura 3.4, os valores em β estão sempre adiantados 90o de α. Dessaforma, é possível definir o vetor v de tensão e i de corrente como soma vetorial dascomponentes de clarke, como mostra as equações (3.9) e (3.10), respectivamente.

~e = vα + jvβ (3.9)

~i = iα + jiβ (3.10)

Em posse desses vetores e os substituindo na definição de potência aparente,é definida a potência aparente pela teoria instantânea em (3.11) e sua parcelaimaginária.

~s = ~e ·~i∗ = (vα + jvβ) · (iα − jiβ)

~s = vαiα + vβiβ + j(vβiα − vαiβ) = p+ jq (3.11)

Como era de se esperar, a parcela real é equivalente à potência ativa realequacionada em (3.7), enquanto a parcela imaginária permite definir um novoconceito: a potência imaginária. A potência q representa a energia trocada entreas fases do sistema, e não contribui para a transferência de energia em nenhum

41

instante [23]. As três potências instantâneas p, q e po definidas pela teoria pq podemser descritas de forma matricial em função das tensões e correntes nas componentesαβ0 como mostra (3.12)[24].pop

q

=

vo 0 0

0 vα vβ

0 vβ −vα

ioiαiβ

(3.12)

3.2.2 Phase Locked Loop - PLL

Os circuitos PLL são sistemas de controle que produzem um sinal de saída em fasecom a componente fundamental da entrada [6]. A detecção rápida da amplitude,frequência e fase é de grande interesse para inversores CCC, por dois principaismotivos:

• Sincronizar rapidamente as fases entre as senóides de referência do PWM e astensões medidas na conexão com à rede, permitindo, com isso, o chaveamento;

• Com os valores obtidos da amplitude e frequência, indicar ao controle de droopa ordem de potência a ser despachada [17];

Na literatura, estão presentes diversos algoritmos de sincronismo, cada umcom suas vantagens e desvantagens. Para aplicação em sinais trifásicos gerais, énecessário um controle mais complexo e robusto [25]. Nos casos de PLL trifásicospara sistemas elétricos, recebendo como entrada os três sinais da rede, esse controledeve produzir um sinal em fase com a fundamental da sequência positiva. Dessamaneira, o circuito é capaz de eliminar quaisquer perturbações ou desequilíbrios.Como esse trabalho trata de sistemas trifásicos, será abordado o circuito propostoem [25], baseado na teoria de potência ativa e reativa instantânea.

Por esse circuito PLL, conhecido como q-PLL, é possível gerar três fasesiguais em amplitude, frequência e fase com as tensões medidas. Como explicadoanteriormente, a transformada de clarke permite decompor os valores instantâneosnas componentes αβ. Com intuito de rastrear o sinal pela componente de sequênciapositiva, pode-se desprezar a sequência zero e reescrever a matriz (3.12) da formareduzida em (3.13). [

p

q

]=

[vα vβ

vβ −vα

][iα

](3.13)

As potências descritas acima, como explicado na última seção, correspondem apotência ativa que flui por unidade de tempo (p) e a potência imaginária sendo aenergia trocada entre as fases (q). Pela definição de potência aparente, a potência

42

imaginária em (3.11) será nula quando o vetor de corrente ~i estiver em fase com ovetor de tensão ~v.

O controle proposto consegue rastrear a fase da tensão medida ao produzir, noambiente interno do conversor, sinais de corrente que resultariam em valor de q nulo.O controlador Proporcional Integral (PI) é capaz de levar sua entrada à zero quandosua saída é proporcional à realimentação. Dessa forma, q serve de entrada ao PIe este gera, como saída, o valor da frequência. A integral dessa frequência resultana fase do sinal desejado, e com ela é gerado dois sinais em quadratura: iα e iβ.Os sinais de correntes sintetizadas realimentam o sistema, gerando o valor de q queserve de entrada ao controlador. Essa parte do PLL está ilustrada na figura 3.5.

Figura 3.5: Detecção de fase e frequência das tensões medidas.

Analisando a figura 3.5, é possível concluir que o sistema convergirá. Umaentrada positiva de q ao PI aumenta tanto a fase quanto a frequência de saída,modificando a fase dos sinais que, pela realimentação, diminuem q. Analogamente,um valor negativo de q reduz a fase na saída, mudando as fases de iα e iβ de formaa aumentar o valor de entrada.

Como o sistema descrito é convergente, ~i gerado pelo circuito está em fasecom a sequência positiva da tensão medida. Contudo, como é possível ver nodiagrama de 3.5, esses sinais terão amplitude unitária. Para atender ao último dosrequisitos, a amplitude dos sinais é obtida pela análise da potência ativa instantânea.Reescrevendo a equação (3.13) em (3.14):[

]=

1

i2α + i2β

[iα −iβiβ iα

][p

q

](3.14)

Como as correntes são unitárias e, pela convergência do PLL, q é zero, aamplitude das senóides é obtida pelo valor de potência ativa. A malha de controle

43

realimentado, representado no diagrama da figura 3.6, mostra o circuito do q−PLLresponsável por determinar a amplitude do sinal de entrada. Sendo p a constanteequivalente a potência média, v′α e v′β são as senóides desejadas, equivalentes ascomponentes em clarke da sequência positiva da fundamental das tensões medidas.

Filtro passa-baixa

+

+

Figura 3.6: Detecção da amplitude da sequência positiva da fundamental.

Por esse método, o PLL disponibiliza os sinais de v′α e v′β, a amplitude, frequênciae a fase da medição. Como ilustra a figura 3.3, esses dados servem para todo osistema de controle do inversor. A fase serve para o PWM chavear o inversor comsinais de referência em fase com as tensões de saída. A amplitude e frequência, porsua vez, indicam ao controle hierárquico as ordens de potência a serem despachadas.Já v′α e v′β servem de entrada para o controle de corrente que, como será explicado,indica a corrente de referência para o inversor em função das potências desejadas.

3.2.3 Controle de Corrente baseado na teoria pq

Os conversores com topologia VSC são controlados por corrente, como mostrao diagrama de blocos da figura 3.3. Por se comportar como uma fonte de tensãoconectada à MR, a corrente de saída desses conversores é pautada pela potência desaída desejada. Definida a corrente de saída desejada e o valor da medição dessagrandeza, o controlador determina a amplitude ao PWM para anular a diferençaentre os dois sinais.

O nível primário do controle hierárquico é responsável por determinar a potênciade saída. Em baterias e geradores, o controle por droop é implementado e, recebendoas informações de ω e U do PLL, determina a potência de saída.

O PLL explicado na última seção, como ilustrado na figura 3.3, disponiliza como

44

saída a frequência e amplitude da sequência positiva da tensão. Reescrevendo asequações (2.34) e (2.37), é possível equacionar os valores de P e Q de referênciacalculados pelo controle hierárquico, explicitados respectivamente em (3.15) e (3.16).

P = P ′ − kf × (ω − ω′) (3.15)

Q = Q′ − kq × (U − U ′) (3.16)

kf =Pmax − Pminωmax − ωmin

=∆P

∆ω

ku =Qmax −Qmin

Umax − Umin=

2×Qmax

∆U

Cabe ressaltar que na interface de fontes intermitentes, como é desejado amáxima extração de energia, a curva de ω × P é um pouco diferente. Paraextrair a máxima quantidade de energia, a potência ativa de saída é máximaaté um determinado valor de frequência onde, a partir dele, a potência de saídaé determinada pelo droop descrito pela equação (3.15). Detalhes quanto essaimplementação são abordados quando explicados a implementação da hierarquiade controle na geração fotovoltaica.

Para todos os casos, as parcelas de potência P e Q são determinadas pelo controlehierárquico, e servem de entrada para determinação da corrente de saída. Utilizandoa teoria pq, a equação (3.13) pode ser reescrita da forma (3.17) para determinar acorrente de saída. [

]=

1

v2α + v2β

[vα vβ

vβ −vα

][p

q

](3.17)

O uso da matriz acima torna a determinação da referência de corrente umprocedimento simples. Como ilustrado na figura 3.6, o PLL gera as componentes vαe vβ que formam a matriz em (3.17), enquanto as entradas p e q são determinadasdiretamente pelo controle hierárquico. Pela soma das parcelas obtidas de iα iβ, acorrente de referência iref é calculada e comparada com a medição de corrente nasaída do inversor. O erro entre os valores é anulado pelo controlador, que impõe amodulação de amplitude ao PWM do inversor.

3.3 Conversores aplicados à geração fotovoltaica

Os painéis fotovoltaicos geram energia elétrica em corrente contínua, sendomodelado por uma fonte de corrente variável pela irradiação. Não obstante, para

45

situações de temperatura e irradiação constantes, a corrente depende somente datensão no terminal do arranjo conforme equação (2.10).

A interface pelos conversores na geração fotovoltaica consiste de um conversorCC-CC e um inversor trifásico. O diagrama do sistema fotovoltaico na inserção darede está ilustrado na figura 3.7.

Figura 3.7: Modelo de conexão de painéis fotovoltaicos em redes elétricas.

3.3.1 Conversor CC/CC

O conversor CC-CC opera na interface dos terminais da GD e o elo CC entre osconversores. Considerando esse elo capaz de manter a tensão constante, o controledo chaveamento desse conversor estabelecerá a tensão nos terminais da geração,conforme desejado. Dessa forma, é responsável por controlar a geração intermitentetem dois modos de funcionamento: por regulação do elo ou por MPPT .

Os valores de frequência medidos na conexão CA podem variar dentro de umintervalo de valores permitidos pela norma técnica. Como mostra o gráfico 2.17, afrequência pode cair tanto no caso de aumento de demanda quanto queda de geração,enquanto, da mesma forma, pode aumentar em diminuições de demanda ou aumentoda geração. No caso de aumento da frequência, o conversor passa a operar regulandoa tensão no elo. Esse mesmo aumento de frequência faz com que o inversor atuecontrolando por droop, reduzindo a potência injetada no barramento para dentro dointervalo aceito. Nos demais casos é desejavel obter do painel o máximo de energiapossível, implementando o MPPT .

A técnica dos seguidores de máxima potência visa impor o ponto de operaçãodo painel para obter o máximo de potência do conjunto. Esse algoritmo consisteem um sistema de controle em malha fechada que fornece o valor de D da equação2.1 ao PWM do conversor, de modo a eliminar a diferença da tensão medida e a dereferência. O modelo geral deMPPTs aplicados ao conversor CC-CC é representado

46

na figura (3.8).

Figura 3.8: Malha fechada do MPPT implementado em conversores CC-CC.

A saída do controle fornece o valor de tensão de referência do arranjo fotovoltaicopara o controlador. Esse controle disponibiliza como saída o valor do duty-cycle que,por sua vez, modifica o valor da tensão de saída do conversor.

Algumas observações são pertinentes ao analisar a figura 3.8. Os controladoresPI são vastamente utilizados para rastrear erros entre um sinal de referência e ovalor medido de dita grandeza: quando a medição é menor que a referência, o PIaumenta a saída para aumentar o valor medido; caso a diferença seja negativa, o PIreduz sua saída visando diminuir o valor real medido. Dessa forma, o PI atua semprereduzindo a diferença entre dois sinais em sua entrada, eliminando-a. No entanto, nodiagrama a entrada está invertida, fornecendo ao controlador o mesmo erro mas comsinal negativo. Considerando a tensão de saída do Vo chopper constante, a tensãode entrada Ve é inversamente proporcional ao duty-cycle nos conversores buck, booste buck-boost, como mostram as respectivas derivadas nas equações (3.18), (3.19) e(3.20). Para ultrapassar essa barreira e tornar a diferença entre os sinais proporcionala realimentação, é feita essa inversão.

dVedD

=−VoD2

(3.18)

dVedD

= −Vo (3.19)

dVedD

=−VoD2

(3.20)

Existem diversas técnicas de MPPT, algumas já em uso comercial e outras emestágio de pesquisas [16]. Nas próximas subseções, serão explicadas as duas lógicasmais usadas no mercado: Perturbar e Observar (P&O – Perturb and Observe) e deCondutância Incremental (IC – Incremental Condutance).

47

Perturb and Observe

O método Perturb & Observe consiste em variar lentamente a tensão e verificara variação de potência, comparando-o com o modelo da curva PxV ilustrado nafigura 2.14. Analisando a figura 2.14, é facil notar que a geração será máximasomente em um ponto da curva, onde a derivada da potência pela tensão será nula.Em contrapartida, o valor dessa derivada será positiva caso a tensão esteja menorque a tensão de máxima potência (Vmppt) e negativa caso contrário.

Caso a tensão do arranjo fotovoltaico for menor que Vmppt, variações positivasde tensão aumentarão a potência extraída do painel. O algoritmo entende que estáoperando à esquerda de Vmppt e continua aumentando os valores de tensão. Quandoa variação ∆P passa a ser negativa, com ∆V positivo, o MPPT passou do ponto demáxima potência, e o controle reduz a tensão. Analogamente, ao reduzir a tensãodos painéis e medir um aumento de potência, o controle entende que está à direitade Vmppt e continua a reduzir a tensão do arranjo.

Por esse método, o conversor irá rastrear o ponto de máxima potência,independente das variações de irradiação e temperatura. Esse procedimento impõeo funcionamento em torno do ponto onde a derivada é zero, ou seja, na máximapotência. O comportamento desse seguidor para variações positivas de tensão estãoindicados na figura 3.9 e para variações negativas em 3.10.

Figura 3.9: Comportamento do Perturb & Observe para variações positivas detensão.

48

Figura 3.10: Comportamento do Perturb & Observe para variações negativas detensão.

No entanto, a necessidade de pertubar sempre o sistema introduzirá erros pois,mesmo que se alcance o ponto de máxima potência, o controle irá aplicar uma novaperturbação. Dessa forma, esse algoritmo faz com que o sistema oscile em torno doponto ótimo. Quanto menor for o degrau de tensão ∆V , menor será esse erro, masmais lento será o rastreamento do ponto ótimo.

Condutância Incremental

O método da condutância incremental propôe o rastreamento do ponto ótimopela solução da derivada da potência do painel [16]. Como se vê na figura 2.14, noponto de potência máxima a derivada da função P (V ) é zero. Sendo a potência oproduto entre tensão e corrente, é possível formular a razão entre I e V no pontoótimo:

∂P

∂V=∂(V I)

∂V= 0

Pela regra da cadeia, é possível estabelecer a relação entre corrente e tensão noponto ótimo conforme procedimento abaixo:

∂(V I)

∂V= I + V

∂I

∂V= 0 (3.21)

49

∂I

∂V= − I

V(3.22)

Esse algoritmo se baseia pela análise da equação (3.22) na figura 2.14. Quando atensão medida for menor que Vmax, a razão ∂I

∂Vé maior que a parte do lado direito da

equação (3.22). Caso contrário, quando à direita de Vmax, ∂I∂V

é menor que a parte dolado direito. Sob essa lógica, o algoritmo vai alterando o valor de tensão até atingiro ponto ótimo, onde se verifica a igualdade da equação (3.22). Diferentemente doP&O, nesse algoritmo não ocorrerá oscilações, pois é estabelecido a operação natensão desejada ao rastreá-la. O algoritmo só voltará a atuar caso seja verificadouma variação de corrente. O fluxograma do algoritmo está ilustrado na figura 3.11.

Figura 3.11: Fluxograma do MPPT por Condutância Incremental.

3.3.2 Inversor - Controle Droop

O inversor trifásico permite controlar a geração em corrente contínua e adequá-lapara os valores em CA com amplitude e frequência desejada. No ambiente desseconversor, se implementa o controle hierárquico, responsável pelo ajuste da potênciadespachada e manutenção da estabilide no acoplamento com a rede.

A primeira camada do controle hierárquico define as potências pelas curvasde (2.34) e (2.35) em função das variáveis fornecidas pelo PLL. A inclinaçãodesses gráficos dependem das grandezas nominais do conversor, conforme mostraas fórmulas (2.36) e (2.37).

50

Na interface da geração fotovoltaica, a potência máxima é considerada comoa potência nominal do arranjo instalado. No entanto, por ser uma geraçãointermitente, a potência varia e nao pode ser normalizada. Dessa forma, no caso deelevação da frequência, é considerada como nominal a potência antes da perturbaçãona rede, e a redução de injeção se dá de maneira proporcional à esse valor dereferência.

Utilizando como referência as normas da concessionária Light, referênciada em[26], a curva do droop deve ser implementada entre 60.5 Hz e 62 Hz, sendo apotência mínima igual a 40% da nominal. Pela mesma norma, caso a frequênciaesteja entre 57.5 Hz e 60.5 Hz, o conversor está livre para operar despachando apotência determinada pelo MPPT . A inclinação da droop, sob essas normas, écalculada por (3.23), e o modelo da curva está ilustrado em 3.12.

kf =∆P

∆ω=

0.6× Pmax3π

(3.23)

Diferente da potência ativa, não há um intervalo de operação estabelecido parao reativo na norma, desde que se respeite o fator de potência maior ou igual a0.92. Os valores limites de reativo devem ser projetados levando em consideraçãoa capacidade de cada planta. Existe, porém, o intervalo de tensão permitido paraoperação do inversor. Ainda seguindo as normas [26], a rede deve operar dentro dointervalo de 80% a 110% da tensão nominal da rede. Dessa forma, a inclinação dodroop de Q é calculada por (3.24), e o modelo dessa curva está ilustrado em 3.13.

Conforme explicado na seção 3.2.1, os valores determinados por esse controleservem ao controle de corrente. Pela matriz da equação (3.17), a ordem de potênciadada pelo droop e o valor da tensão medida permitem determinar a corrente de saídaa ser controlada.

ku =2∆Q

∆U=

2∆Q

Unominal × 0.3(3.24)

51

Figura 3.12: Curva de Potência × Frequência segundo às normas da concessionáriaLight.

Figura 3.13: Curva de Q×U segundo às normas da concessionária Light.

52

3.4 Controle droop em sistemas de armazenamento

Analogamente a geração fotovoltaica, o conjunto aplicado à um banco de bateriasconsiste em um conversor CC-CC e um inversor trifásico. Não obstante, comodescrito no capítulo 2, a abordagem simplificada da bateria permite a modelagemcomo uma fonte de tensão controlada em função do SoC. Dessa forma, seráconsiderado aqui somente o inversor na interface com a rede CA, não abordandoo conversor CC-CC na ESS.

Assim como a estrutura dos conversores, o ESS deve operar no intervalo defrequência estabelecido pela norma. Além disso, a operação bidirecional da bateriamuda os limites dessa curva. Enquanto na GD a curva dependia da potência máximados paineis fotovoltaicos, a bateria aceita a potência em ambos os sentidos, ou seja,sua curva varia de −Pmax até Pmax.

Ao medir a frequência maior que a fref , a bateria interpreta que a geraçãoultrapassou a demanda, e passa então a se comportar como carga. Para manter acoerência com o comportamento da rede, o carregamento da bateria é convencionadocomo potência negativa por esse sistema. Analogamente, uma frequência abaixo dareferência induz que a demanda aumentou, fazendo com que a bateria descarregue,se comportando como geração. Com isso, a curva mantém a lógica dos outrosconversores, em que um aumento da demenda acarreta tanto na redução dafrequência quanto na bateria injetando potência para regular o desbalanço.

Por coerência, baseando o presente trabalho nas normas determinadas pela Lightem [26], a frequência pode variar entre 57,5 Hz e 62, intervalo no qual se implementao droop da bateria. A curva de droop da bateria está ilustrada na figura 3.14. Acurva quanto a potência reativa é igual a da geração fotovoltaica, na figura 3.13.

53

Figura 3.14: Representação da curva de droop de potência ativa em sistemas dearmazenamento.

3.5 Interface da Microrrede com à rede de

distribuição

No que se refere a novos modelos de redes elétricas, as microrredes conectadas àrede CA são a estrutura mais investigada [27]. Essa importancia se dá, em grandeparte, por sua capacidade de permitir a penetração das novas tecnologias em sistemasde distribuições em centros urbanos [27]. Nesse cenário, é possível acrescentar asvantagens das novas gerações ao modelo centralizado tradicional.

Figura 3.15: Sistema back-to-back na interface entre MR e a rede elétrica dedistribuição.

A interface entre a rede e a MR é realizada por um sistema back-to-back, como

54

ilustra a figua 3.15. Esses conversores possuem um controle mais flexível, atuandono balanço de potência do sistema. Nessa abordagem, ambos os conversores devemser capazes de conversão CC/CA e CA/CC para permitir a bidirecionalidade depotência.

O controle Droop nesse conversor é semelhante a de uma bateria: absorverápotência quando a frequência for maior que a estipulada - se comportando comouma carga quando a geração estiver alta - e injentando potência quando mediruma frequência reduzida. Essa implementação visa garantir o compartilhamentoproporcional de potência entre todos os conversores conectados à MR.

Não obstante, a conexão com a rede nesse back-to-back faz com que esse tenhauma potência nominal muito superior aos dos demais conversores. Pela diferença depotência entre os dois sistemas, o conversor conectado à distribuição a enxerga comouma barra infinita. Dessa forma, esse sistema pode ser utilizado como formadorde rede, onde toda a potência pode ser consumida ou fornecida sem que variea frequência ou amplitude do barramento. Nesses casos, os demais conversoresconectados eletricamente próximos deverão se ajustar aos valores medidos, semtentativas de variar os parâmetros da rede.

55

Capítulo 4

Modelagem e Simulação daMicrorrede

O presente capítulo trata da modelagem e da implementação, em ambientePSCAD/EMTDC, de uma microrrede com sistema de armazenamento e conectadaà rede elétrica. A microrrede modelada é composta por uma geração fotovoltaica eum sistema de armazenamento, como um banco de baterias. Em ambos os casos, ainterface com à rede é feita através de inversores trifásicos VSC.

No âmbito desses conversores, estão implementadas as técnicas de droop

convencionais P×ω e U×Q. A decisão por esse tipo de controle decorre desua capacidade de garantir o compartilhamento proporcional de carga entreos conversores, evitando o risco de corrente cirulantes, sem a necessidade decomunicá-los.

Os painéis fotovoltaicos foram modelados com potência nominal de 11.76 kW.A modelagem completa da geração fotovoltaica permite também simular de formamais fiel o efeito das intermitências. Um conversor CC-CC, de topologia boost, foiimplementado para atuar no controle do MPPT ou na regulação do elo para níveispróprios ao inversor. Já o sistema de armazenamento foi modelado como uma fontede tensão em corrente contínua no lado CC do inversor.

Com intuito de verificar as técnicas revisadas na literatura, e validar a modelagemdesenvolvida, foram simulados cenários de variação da geração intermitente, depotência ativa demandada e de consumo de reativo na microrrede. Com os resultadosobtidos, o projeto analisa o comportamento de conversores, eletricamente próximose sem comunicação entre si, no compartilhamento de carga ativa e reativa naocorrência de variações sistêmicas. Uma ilustração do sistema geral simulado seencontra na figura 4.1. Em cima do circuito da geração solar, se vê o diagrama deblocos do conversor CC-CC enquanto, embaixo, se mostra o controle do inversor.Da mesma forma, o diagrama de blocos do inversor do sistema de armazenamentose mostra abaixo do circuito em questão.

56

Figura 4.1: Sistema geral modelado e controles dos conversores.

57

4.1 Projetos dos filtros LCL+RC e dos controle

locais dos inversores

4.1.1 Detecção de sequência positiva qPLL

A detecção da sequência positiva da componente fundamental é necessária nosconversores presentes. Em todos os casos, foi utilizado o circuito qPLL, propostoem [25]. As figuras de 4.2 a 4.4 mostram as partes do circuito implementado nosimulador.

Figura 4.2: Transformações da tensão de linha para coordenadas de clarke.

Figura 4.3: Circuito de detecção de amplitude, fase e frequência do sinal de entradaem coordenadas αβ.

58

O resultado da figura 4.2 consiste nos sinais de vα e vβ de referência para adetecção pelo controle em 4.3. Esse sistema, por sua vez, gera o sinal rastreado devα e vβ, com os quais são geradas as tensões trifásicas pelo circuito da figura 4.4.

Sendo os ganhos do controlador Kp igual 100 e Ti igual a 0.01 segundos, o PLLusado obteve a frequência em torno de 0.2 segundos, como mostra 4.5. O gráfico4.6 mostra a comparação entre os sinais de referência e os gerados, corroborando ofuncionamento esperado do sistema.

Figura 4.4: Transformada Inversa de clarke para gerar sinais por unidade idênticosàs tensões da rede.

59

PLL : Graphs

x 0.00 0.20 0.40

%

&%&

364.0

366.0

368.0

370.0

372.0

374.0

376.0

378.0 %b_barra %w %theta

Figura 4.5: Rastreamento da sequência do sinal de entrada.

PLL : Graphs

x 0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 0.200 0.220 0.240 %

&%&

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30 %Valfa_ref %Vbeta_ref %V_alfa %V_beta

Figura 4.6: Comparação entre as tensões medidas e as geradas pelo qPLL.

4.1.2 Projeto dos filtros LCL+RC dos inversores

Para atender às normas técnicas da concessionária, foram projetados filtros nasaída dos conversores. Seguindo [26], a distorção total harmônica deve ser menorque 5% na potência nominal, enquanto a mesma taxa individualmente para cadaharmônico deve se limitar conforme tabela 4.1.2.

60

Harmônicos Ímpares Limite de Distorção3o a 9o < 4.0 %

11o a 15o < 2.0 %

17o a 21o < 1.5 %

23o a 33o < 0.6 %

Harmônicos Ímpares Limite de Distorção2o a 8o < 1.0 %

10o a 32o < 0.5 %

Tabela 4.1: Limites de distorção harmônica.

Projeto do filtro no inversor da geração fotovoltaica

O filtro projetado para atender os requisitos quanto à qualidade de energia éde topologia LCL+RC. Sendo a corrente nominal igual a 30.86 A, a frequência dechaveamento igual a 5kHz, com ripple permitido de corrente de 3%, as grandezas dofiltro para o inversor da fotovoltaica foram obtidas seguindo o algoritmo da referência[9].

L1 = 3.7mH

Cd = 10µF

Cf = 12µF

L2 = 3mH

R = 10Ω

O gráfico 4.7 mostra que o THD total foi respeitado. O mesmo ocorreu com asdistorções individuais , e a corrente de saída em kA pode ser vista no gráfico 4.8.

61

CCCA3f : Graphs

x 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00

%

&%&

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00 %Thd_total

Figura 4.7: Porcentagem de THD total na corrente do inversor da geração.

CCCA3f : Graphs

x 1.0300 1.0350 1.0400 1.0450 1.0500 1.0550 1.0600 1.0650

%

&%&

-0.050

-0.040

-0.030

-0.020

-0.010

0.000

0.010

0.020

0.030

0.040

0.050 %Icc %Ia %Ib %Ic

Figura 4.8: Corrente nominal do sistema fotovoltaico após implementação do filtro.

Projeto do filtro no inversor do sistema de armazenamento

O filtro no inversor do armazenamento seguiu a mesma topologia e requisitosque o implementado na fotovoltaica. O limite de 5% de THD na potência nominalfoi utilizado para o projeto do indutor próximo à chave. Dessa forma, sendo afrequência de chaveamento igual a 5kHz, a corrente nominal igual a 78.74 A, comripple permitido de corrente de 3%, as grandezas do filtro em questão foram tambémobtidas seguindo o algoritmo em [9].

62

L1 = 1.4mH

Cd = 52µF

Cf = 32µF

L2 = 0.5mH

R = 4.2Ω

O gráfico 4.9 mostra que o THD total foi respeitado, assim como também ocorreucom as distorções individuais determinadas na tabela 4.1.2. A corrente de saída napotência nominal pode ser vista no gráfico 4.10.

Bateria : Graphs

x 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

%

&%&

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0 %Thd_total %Thd_individuais

Figura 4.9: Porcentagem de THD total na corrente de saída da bateria.

63

Bateria : Graphs

x 0.280 0.290 0.300 0.310 0.320 0.330 0.340 0.350

%

&%&

-0.100

-0.050

0.000

0.050

0.100

%Ia %Ib %Ic

Figura 4.10: Corrente nominal do inversor da bateria.

4.1.3 Projeto do Controlador de corrente

O controle de corrente de saída pauta a lógica PWM responsável pelochaveamento, como mostra o diagrama de blocos na figura 4.11.

Figura 4.11: Diagrama de blocos do controle de corrente do Inversor.

O controle de corrente tem como entrada a ordem de potência desejada,determinada pelo droop de cada sistema, e as tensões rastreadas pelo detector desequência positiva. Em função dessas entradas, a equação (3.17) permite determinara corrente de referência em componentes α e β.

64

O erro entre a corrente de referência e a de medição foi rastreado pelos eixos dqda transformada de park. Optou-se pelo uso das componentes dq por permitiremo controle por controladores PI. Ainda que controladores proporcionais ressonantespossam ser utilizados em referências senoidais, o cálculo desses parâmetros é maiscomplexo. Além disso, o controle por PI possibilita o uso do programa PITUNEdo Matlab, obtendo os parâmetros desejados de maneira rápida e eficiente. Atransformação de park implementada no PSCAD pode ser vista na figura 4.12.

Figura 4.12: Transformada de park dos valores de corrente da medição.

É possível considerar que, na prática, existe uma resistência no cobre do indutordo filtro e que, na frequência fundamental, o ramo capacitivo apresenta impedânciamuito alta. Dessa forma, a função de transferência do inversor é dada em função daindutância (Leq) e resistência (Req) equivalente em série, como mostrado em 4.1.

I

ma

(s) =1

Leqs+Req

(4.1)

O erro entre as correntes nos eixos d e q são rastreados pelo PI que fornece comosaída, respectivamente, os valores da tensão de referência em cada eixo. Os ganhosdos controladores foram obtidos pelo PITUNE do Matlab, no circuito mostrado nafigura 4.13.

65

Figura 4.13: Obtenção dos ganhos do controlador PI na malha de corrente da geraçãofotovoltaica.

O circuito da figura 4.13 permite, por uma interface gráfica, ajustar a saídadesejada para uma entrada em degrau. Dessa forma, substituindo os valores dosfiltros na equação 4.1, foi possível determinar os ganhos do PI do controle de correnteda geração fotovoltaica e da bateria. Os resultados dos ajustes do inversor da solare da bateria podem ser vistos nas figuras 4.14 e 4.15, respectivamente. Em cadainversor, os valores do PI são os mesmos para o controle no eixo d e q, como mostratabela 4.1.3.

Figura 4.14: Interface gráfica para ajustar os ganhos do PI na malha de corrente dageração fotovoltaica.

66

Figura 4.15: Interface gráfica para ajustar os ganhos do PI na malha de corrente dabateria.

Controlador kp Ti

Controlador PI na malha de corrente da planta fotovoltaica 37.94 0.8 (ms)Controlador PI na malha de corrente da bateria 20.27 0.12192 (ms)

Tabela 4.2: Parâmetros obtidos para os ganhos do PI no controle de corrente.

67

Figura 4.16: Controle das correntes no eixos d e q no PSCAD.

A saída dos controladores, como mostra a figura 4.16, fornece Vd e Vq da tensãode referência ao PWM. A transformada inversa de park transforma esses valores nostrês sinais de referência para o PWM do inversor. Sendo as tensões de fase desejadasU1, U2 e U3, a implementação do chaveamento por PWM no PSCAD está mostradona figura 4.17.

68

Figura 4.17: Implementação do PWM no PSCAD.

4.2 Geração Fotovoltaica

4.2.1 Modelo da geração fotovoltaica

Para modelagem do sistema de geração solar fotovoltaica, foi definido um arranjode seis ramos em paralelo, cada um composto de oito painéis em série. Essa decisãofoi tomada baseada na geração já existente no Laboratório de Eletrônica de Potênciae Média Tensão (LEMT-COPPE-UFRJ).

A simulação teve como referência a placa de modelo YL245P-29b do fabricantechinês Y ingli Energy. Os dados da folha do fabricante serviram de parâmetro paraa modelagem e são detalhados na tabela 4.3. Esses dados foram obtidos por testes

em STC (Standard Test Conditions), com irradiação de 1000W

m2, temperatura de

25oC e massa de ar (M.A.) igual a 1.5.

Parâmetro ValorTensão Nominal (Vnom) 30.2 VCorrente nominal (Inom) 8.11 (A)Tensão em Aberto ( Vvoc) 37.8 (V)Corrente de Curto Circuito (Isc) 8.63 (A)Potência Máxima (Pmax) 245.0 (W)

Tabela 4.3: Dados da placa fotovoltaica fornecidos pelo fabricante.

69

A tensão, corrente e potência nominal da geração são determinadas pelos dadosda tabela 4.3 e o modelo de arranjo. Sendo Np o número de ramos e Ns a quantidadede módulos em cada um, os valores nomais de tensão, corrente e potência sãocalculados, respectivamente, pelas equações de (4.2) a (4.4).

Vpv = NsVnom = 8× 30.2 = 241.6V (4.2)

Ipv = NpInom = 6× 8.11 = 48.66A (4.3)

Ppv = NpNsInomVnom = 8× 6× 30.2× 8.11 = 11.756kW (4.4)

A modelagem da geração fotovoltaica foi feita pelo bloco do programa. Osparâmetros utilizados para modelagem são os fornecidos pelos dados da placa eo valor do band-gap energy igual ao do silício. O fator de idealidade do diodo foiajustado, manualmente, para impor os valores do fabricante de tensão em aberto ecorrente de curto, como verificado pela curva IxV traçada no PSCAD e mostradana figura 4.18.

Main : XY Plot&

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 -10

0

10

20

30

40

50

60 +y

-y

-x +x

X Coordinate Y Coordinate

Vpv Ipv

Aperture %& % %8.5Widt

0.000Positio0.000s 10.000

Figura 4.18: Curva I×V do arranjo fotovoltaico.

70

4.2.2 Projeto do Conversor CC-CC

A rede elétrica à qual a geração será conectada tem tensão de 127 VRMS de fasepodendo, ainda, operar até 10% acima da nominal. Portanto, a tensão máxima é197 V e o elo capacitivo entre os conversores, pela equação (2.8), deve ter tensãonominal maior que 395.13 V. Por segurança, foi definido uma tensão nominal igual a450 V. Como a tensão nominal do aranjo é 241.6 V, o conversor CC-CC empregadoé do tipo elevador de tensão (boost), mostrado na figura 4.19, cuja frequência dechaveamento fs será de 5kHz.

Figura 4.19: Conversor CC-CC em ambiente PSCAD.

Considerando a tensão mínima de entrada em 100 V, o maior D seria 0.777 paraatingir 450V na saída. Segundo [13], o valor do indutor no limite da discontinuidadedo conversor é dado por (4.5). Por uma margem de segurança maior em virtudeda intermitência da geração, o valor do indutor utilizado foi 5mH. Por sua vez, ocapacitor do elo foi determinado em 4 mF.

L =VoD(1−D)2

2Iofs= 1.73mH (4.5)

O controle do boost pode ser dividido em dois módulos: MPPT e regulação do elo.Em condições normais, o painel opera em MPPT para extrair a máxima potênciada geração. No entanto, se a tensão do elo se aproximar dos limites permitido, ageração sai do MPPT, passando somente a regular a tensão do elo.

O MPPT foi implementado através do bloco disponível no PSCAD. Além dosdados da placa, foi definido como valor inicial a tensão nominal da planta, e

71

estabelecido um intervalo para pertubação de 0.08 segundos. Entre os algoritmosde MPPT explicados no capítulo 3, foi optado pela condutância incremental com oobjetivo de evitar pertubações na geração após o rastreamento da tensão ótima.

A figura 4.20 mostra as grandezas de tensão (Vpv, em Volt), corrente (Ipv,em Ampére) e potência (Ppv, em kW) de saída dos painéis operando em MPPT.Apesar da tensão na potência máxima tenha ficado um pouco abaixo, os valores sãocompatíveis com os dados do fabricante, e permitem validar a modelagem.

Main : Graphs

x 1.00 1.50

%

&%&

0

50

100

150

200

250 %Vpv %Ipv %Ppv

Figura 4.20: Gráficos de Tensão (Vpv, em V), corrente (Ipv, em A) e Potência (Ppv,em kW) de saída dos painéis controlados por MPPT.

4.2.3 Projeto do Inversor

Para a conexão com a rede, foi simulado um conversor trifásico de topologia VSCcontrolado por corrente. O circuito em questão pode ser visto dentro da figura 4.1

Determinação dos parâmetros do controlador do elo

Na geração fotovoltaica, o inversor é resposável pela regulação do elo CC entreos conversores. A fase das senóides de referência ao PWM é determinada pela saídado detector de saída positiva e o nível de tensão do elo CC entre os conversores. Ocontrole consiste na comparação de uma referência de tensão ao elo e o valor medido,cujo erro é rastreado também por um controlador PI determinando uma variação noângulo de fase na referência do PWM. Para que esse PI não interfira na dinâmicado controle de corrente, foi ajustado com parâmetros de 70 e 0.1 segundo, de forma

72

a introduzir uma dinâmica mais lenta a esse controle. O circuito implementado noPSCAD pode ser visto em 4.21.

Figura 4.21: Controle escalar para regulação do elo CC.

Em posse da fase desejada e das componentes em park da tensão, são geradosos sinais trifásicos para o chaveamento do inversor.

4.2.4 Controle Droop implementado à geração fotovoltaica

As curvas de droop na geração fotovoltaica foram implementadas segundo asconsiderações:

• A tensão deve se manter, em regime permamente, dentro do intervalo de 80%

a 110% da tensão nominal de 127 VRMS. Dessa forma, o inversor pode operarentre 101.6 VRMS e 139.7 VRMS. Fora desses valores, a operação deve sercessada.

• A geração fotovoltaica pode operar em potência máxima no intervalo entre57.5Hz e 60.5Hz. Entre 60.5 Hz e 62Hz, deve ser reduzida a potência a taxade 40%/Hz. Fora desses valores, a operação deve ser cessada.

• Em virtude do limite de fator de potência da injeção na rede, o intervalodefinido a potência reativa em regime permanenente será de ∆Q=2.304 kVAr,para indutivo e capacitivo.

Os parâmetros do controle de potência ativa são determinados em função dapotência da geração fotovoltaica. O intervalo de frequência para operação do droop éde 1.5Hz, enquanto a variação de potência é equivalente a 60% da potência máximaem MPPT no momento. Portanto, entre 60.5Hz e 62Hz, a potência deverá ser

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reduzida a uma taxa de 40%/Hz. Por sua vez, o limite de reativo foi limitado a 20%

da potência nominal. Dessa forma, as inclinações do droop, por unidade, são dadaspor 4.6 e 4.7:

kp = −(f − 60.5)× 0.4PMPPT (4.6)

kq = −(V − 127)× 0.0104 (4.7)

O droop de potência ativa foi implementado no PSCAD. Nesse circuito, além dasimples implementação da equação (4.6), a referência de potência ativa influenciano controle da referência do reativo, visando o controle automático do fator depotência. De maneira análoga, o droop reativo foi implementado no PSCAD e, alémda implementação da equação (4.7), foi também imposto os limites de frequência eamplitude de tensão.

4.3 Modelagem do Sistema de Armazenamento e

controle droop

O sistema responsável por representar o armazenamento se trata de uma fontede tensão contínua alimentando o elo de um inversor. Essa modelagem não temcomo objetivo estudar as propriedades da bateria em si, e sim o controle dosinversores responsáveis pela interface do armazenamento com à rede. Em especial,o comportamento do sistema quando ocorrem variações no balanço entre demandae geração.

A implementação do sistema de armazenamento no PSCAD pode ser visto em4.1. De maneira análoga ao elo na entrada do conversor da fotovoltaica, a fonte temtensão igual a 500 V, e a potência nominal do sistema foi definida em 30kVA.

Para dar prioridade à geração das fontes intermitentes, a bateria só injetapotência quando fora dos valores nominais da rede. A potência reativa foi limitadaem 20% da nominal. Com esses parâmetros, a variação das curvas de potência ativae reativa são respectivamente 4.8 e 4.9. Ambos os coeficientes são por unidade.

kf = −(f − 60)× 0.222 (4.8)

kq = −(V − 127)× 0.0104 (4.9)

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4.4 Modelagem da Rede e das variáveis sistêmicas

A rede elétrica na qual a microrrede está conectada possui potência nominalmuito superior ao sistema modelado. Como o trabalho trata do controle deconversores na MR, o back-to-back responsável pela interface com a rede não foiabordado de maneira detalhada.

Dessa forma, a conexão com a rede foi modelada por uma fonte trifásica deamplitude e frequência variável. A liberdade de variar esses parâmetros permiteemular o comportamento do sistema, de maneira simples e eficiente, quanto avariação de potência ativa e reativa demandada. A conexão do barramento darede com os elementos do sistema foi modelada como cabos ideias.

4.5 Simulação e Resultados

O sistema projetado foi simulado com o objetivo de observar o comportamentodos conversores em cenários de variações sistêmicas como:

• Variações de irradiação, afetando a potência máxima da geração intermitente;

• Variações no balanço de potência ativa, simuladas por variações na frequênciada rede;

• Variações no equilíbrio de potência reativa, emuladas por variações no nívelde tensão da rede;

4.5.1 Caso 1 - Aumento da demanda de potência ativa

Uma variação na potência ativa demandada foi simulada aplicando um degrau nafrequência, que em 4,0 segundos mudou de 60Hz a 59Hz. A variação imposta podeser vista no gráfico 4.22, bem como a amplitude da tensão no mesmo intervalode tempo pelo gráfico 4.23. O gráfico 4.24 mostra o comportamento dos doisconversores quanto ao fornecimento de potência ativa, com ambas as curvas emvalor por unidade.

75

Figura 4.22: Redução da frequência na rede emulando o aumento de potência ativademandada.

Figura 4.23: Amplitude da tensão constante em 179.6 V.

76

Figura 4.24: Variação da potência ativa fornecida pela bateria, em azul, e peloarranjo fotovoltaico, em verde.

Como esperado, a geração solar continuou operando no MPPT quando ocorreo aumento da demanda. O inversor em questão entende que a demanda é superiora geração e opera injetando o máximo que pode. Essa região faz parte do droopconstante entre 57Hz e 60,5Hz, e se comportou como previsto pelo modelo.

A bateria, interpretando a variação como aumento de carga ou redução degeração, tenta atendê-la fornecendo potência ativa. Na prática, a bateria passariaa descarregar após 4,0 segundos para atender o aumento de carga. Como pode servisto no gráfico 4.24, a redução de 1 Hz fez com que a bateria passasse a fornecer umpouco acima de 20% de sua potência nominal, como determinado pela inclinação(4.8).

4.5.2 Caso 2 - Redução da demanda de potência ativa

Analogamente, a redução de potência ativa demandada foi simulada aplicandoum degrau positivo na frequência da rede, que em 4,0 segundos mudou de 60Hz a61,5Hz. A variação pode ser vista no gráfico 4.25, bem como a amplitude da tensãoconstante no mesmo intervalo de tempo pelo gráfico 4.26. O gráfico 4.27 mostrao comportamento dos dois conversores quanto ao despacho de potência ativa nessecenário.

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Figura 4.25: Aumento da frequência da rede emulando redução de demanda depotência ativa.

Figura 4.26: Nível de tensão na rede.

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Figura 4.27: Variação da potência ativa fornecida pela bateria, em azul, e pela plantafotovoltaica, em verde.

Como esperado, a geração solar, que no momento da redução da frequênciafornecia 0.9769 pu de potência ativa, reduziu a injeção de potência para em torno de0.56 pu. Esses valores estão compatíveis com a taxa de redução de 40%/Hz, definidapelo projeto do droop e exigido pela norma.

A bateria, por sua vez, entende pela variação de frequência que a potência ativainjetada na rede ultrapassou a demanda. Dessa forma, passa a atuar como cargae armazena o excesso de geração. É possível notar também que a bateria passou aconsumir um pouco acima de 0.6 pu pela variação de 1,5 Hz, como era o desejadopara garantir o compartilhamento proporcional de potência.

4.5.3 Caso 3 - Redução de reativo demandado

A redução da demanda de potência reativa foi simulada aplicando um degrau natensão da rede, que no instante igual a 4,0 segundos mudou de 179,6 V para 189,6V.A variação imposta pode ser vista no gráfico 4.28, bem como a frequência da redepelo gráfico 4.29. O gráfico 4.30 mostra o comportamento dos dois conversoresquanto ao fornecimento de reativo, com ambas as curvas em valor por unidade.

79

Figura 4.28: Aumento do nível de tensão na rede, simulando a redução de demandareativa.

Figura 4.29: Frequência constante em 60 Hz.

80

Figura 4.30: Reativo fornecido pela bateria, em azul, e pela geração fotovoltaica,em vermelho.

Segundo convencionado, a potência reativa na geração é positiva quando temcaráter indutivo, e negativa quando tem caráter capacitivo. O aumento da tensãofoi interpretado, por ambos os conversores, como uma superioridade de injeção dereativo indutivo na rede em relação ao consumo do mesmo.

Para seguir a convenção, é possível analisar esse resultado considerando a bateriauma carga e o inversor da solar como uma fonte de energia. Dessa forma, ageração solar passa a fornecer potência reativa capacitiva, enquanto a bateria passaa se comportar como uma carga indutiva, consumindo o excedente e suprindo odesbalanço. Independente da interpretação, os dois conversores atuaram conformeprojetado, em que a figura 4.30 mostra o compartilhamento proporcional da reduçãoda demanda indutiva.

4.5.4 Caso 4 - Aumento do reativo demandado

O último caso simula o comportamento de um aumento de potência reativaindutiva. Essa variação foi simulada aplicando um degrau na tensão da rede, que em4,0 segundos mudou de 179,6 V para 161,64 V. A variação imposta pode ser vistano gráfico 4.31, bem como a frequência da rede pelo gráfico 4.32. O gráfico 4.33mostra o comportamento dos dois conversores quanto ao fornecimento de reativo,com ambas as curvas em valor por unidade.

81

Figura 4.31: Redução do nivel de tensão na rede, simulando a elevação da demandade potência reativa.

Figura 4.32: Frequência constante em 60 Hz.

82

Figura 4.33: Variação da potência reativa fornecida pela bateria, em verde, e pelafotovoltaica, em azul.

De maneira idêntica ao primeiro caso de reativo, a mudança no nível de tensãoda rede foi interpretada como uma variação de demanda de potência imaginária.Em ambos os conversores, pela convenção, a queda da tensão significa um aumentode carga indutiva, fazendo com que equipamentos injetem valores positivos comomostrado na figura 4.33. Além disso, a análise desse gráfico permite notar quea diferença de demanda sentida pelo sistema foi, como pretendido pelo controle,atendida de maneira proporcional entre os dois conversores.

4.5.5 Caso 5 - Variaçõão sistêmica e comportamento do

MPPT

Para verificar a correta operação do conjunto conversor CC-CC mais inversor, foiaplicado um decrescimo na irradiação de referência do modelo do painel fotovoltaico.Essa variação foi feita manualmente pelo comando slider do PSCAD, mantendotanto tensão quanto frequência constantes, como se vê em 4.34

83

Figura 4.34: Nível de tensão e frequência na rede.

Figura 4.35: Irradiação Solar no painel fotovoltaico.

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Figura 4.36: Variação da potência ativa fornecida pela bateria, em azul, e pela plantafotovoltaica, em vermelho.

Figura 4.37: Variação da potência reativa fornecida pela bateria, em vermelho, epela planta fotovoltaica, em azul.

A figura 4.36 mostra a potência de saída, por unidade, do inversor da geraçãofovoltaica. O diminuição da irradiação, o que poderia ser entendido com uma nuvemem cima do painel, gerou uma redução esperada em torno de 20%. Esse resultadovalida a modelagem do painel e a implementação correta do MPPT no sistema.

85

4.5.6 Análise dos Resultados

Após a simulação do comportamento da microrrede nos quatro cenários devariação de potência, os resultados obtidos validam o controle analisado. Quantoa geração, a simulação variando a irradiação sob os painéis resultou numa variaçãocondizente com a potência de saída, provando que o MPPT foi implementadocorretamente.

Todos os casos simulados, em que foi emulada uma diferença entre a injeçãode qualquer tipo de potência, real ou imaginária, e o consumo, o controle dosconversores atuou de maneira correta. Além disso, as normas tomadas como basepara despacho de potência ativa, em sistema com inversores, foi atendida em todosos requisitos: qualidade de energia, redução linear de potência pelo aumento defrequência e fator de potência inserido.

Pelos resultados obtidos, é possível comprovar a validade do controle aplicado.A aplicação do droop permite, de maneira simples, evitar o problema de correntescirculantes entre os conversores e garantir o compartilhamento proporcional decarga. Isso é de extrema relevância, pois controlar o despacho de potência deforma descentralizada entre os conversores permite, sem os custos incrementais dacomunicação, o controle estável da micrrorrede.

O alto custo da geração distribuída é um dos grandes obstáculos paraconsolidá-la. Dessa forma, o controle descentralizado implementado tenta garantira operação estável de maneira simples e com custo reduzido, e provou-se eficientequanto a ação do controle primário por droop.

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Capítulo 5

Considerações finais

Esse trabalho teve como objetivo analisar técnicas de controle descentralizadoaplicados à microrredes conectadas. A modelagem de conversores em paralelo foirealizada para um estudo quanto ao compartilhamento de demanda, redução degerações e variações de reativo.

Pretendia-se, para análise da operação da microrrede, desenvolver um modelo emambiente PSCAD/EMTDC. Através de simulações em diversas condições sistêmicas,foi possível analisar a ação do nível primário do controle descentralizado dosconversores com a implementação do droop, e a eficiência do mesmo na distribuiçãode carga.

Para a obtenção de resultados mais condizentes com a realidade, foi projetado ummodelo de armazenamento em conjunto com um sistema de geração fotovoltaica. Ageração foi modelada com base em modelos de painéis existentes, e com esses valoresfoi modelado os dois conversores e seus respectivos controles. Por sua vez, o banco debaterias foi modelado com uma potência maior, para que pudesse suprir a diferençaentre geração e demanda.

Na primeira parte do desenvolvimento desse trabalho, foi realizada uma extensarevisão bibliográfica. Foi pesquisado sobre as estruturas de microrrrede existentes,as topologias de conversores presentes e os sistemas de controle aplicados nosmesmos. Através dessa revisão, decidiu-se pelo aprofundamento nos temas decontrole descentralizado em microrredes, em que a técnica de controle por droopse destaca como a mais popularizada.

Dessa forma, uma microrrede foi modelada para a simulação de variações decarga. A ausência de comunicação entre os conversores foi superada pelo controleimplementado, em que os resultados obtidos no capítulo 4 mostram que a modelagemse comportou conforme o projeto, tanto da fotovoltaica quanto da bateria.

Como trabalhos futuros, pretende-se uma expansão tanto da rede modeladaquanto do sistema de controle. Em especial, a implementação de detecções deilhamento nos conversores presentes para que, em caso de perda de conexão com

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a rede, os componentes da microrrede ajustem sua operação para operar emmodelo ilhado. Além disso, deve ser desenvolvido métodos normalizados de açãodo controle secundário nos equopamentos presentes. Dessa forma, será garantidoo compartilhamento proporcional de potência e o retorno aos pontos de operaçãonominais do sistema, tanto em cenários com e sem conexão com a rede.

88

Referências Bibliográficas

[1] Agência Nacional de Energia Elétrica (Brasil). Atlas de energia elétrica do Brasil/ Agência Nacional de Energia Elétrica. 3. ed. – Brasília : Aneel, 2008.

[2] Fuchs, Rubens Dario. Transmissão de Energia Elétrica: linhas aéreas, Teoriadas Linhas em Regime Permanente. Livros Técnicos e Científicos; Rio deJaneiro, Itajubá, Escola Federal de Engenharia, 1977.

[3] Figueiredo Gontijo, Gustavo. Controles de um sistema eólico na configuraçãoDFIG com funcionalidades de condicionamento de energia/ GustavoFigueiredo Gontijo. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2016.

[4] Agência Nacional de Energia Elétrica (Brasil)Banco de Informações de Geração -BIG http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.cfmVisualizado no dia 05/03/2019, às 14:22.

[5] Ndiaye, Mamour Sop Operação de Conversores back-to-back paraAproveitamento de Energia Fotovoltaica / Mamour Sop Ndiaye. –Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2013.

[6] Neves, Marcello da Silva. Desenvolvimento e implementação de métodos desincronismo aplicados a sistemas de geração distribuída. Rio de Janeiro:UFRJ/Escola Politécnica, 2016.

[7] International Energy Agency. Global Energy e CO2 Status Report.2017

[8] Empresa de Pesquisa Energética. Balanço Energético Nacional 2018: Ano base2017 ; – Rio de Janeiro : EPE, 2018. Brazilian Energy Balance 2018 Year2017 / Empresa de Pesquisa Energética – Rio de Janeiro: EPE, 2018.

[9] ALVES, F. A. L.; CASTANO, J. E. C. ; CASTRO, A. R. ; FRANCA, B. W.; AREDES, M. Projeto e Aplicação de Filtros LCL+RC em InversoresConectados à Rede.; XXII Congresso Brasileiro de Automática, 2018, JoãoPessoa. XXII Congresso Brasileiro de Automática, 2018.

89

[10] S. Chowdhury, S.P. Chowdhury and P. Crossley; Microgrids and ActiveDistribution Networks ; The Institution of Engineering and Technology,London, United Kingdom;

[11] WILLIAN M. FERREIRA; DANILO I. BRANDÃO; SIDELMO M. SILVA;Otimização Multiobjetivo aplicada ao controle centralizado de umamicrorrede de baixa tensão: controle do fluxo de energia e compensaçãode desbalanço; Congresso Brasileiro de Automática; 2018; João Pessoa;Paraíba; Brasil;

[12] Josep M. Guerrero; Juan C. Vasquez; José Matas; Luis García de Vicuñaand Miguel Castilla Hierarchical Control of Droop-Controlled AC andDC Microgrids—A General Approach Toward Standardization; IEEETransactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No1. January 2011;

[13] Mohan, Ned Power Electronics: Converters, Applications and Design / NedMohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins.

[14] CEPEL = CRESESB Manual de Engenharia para sistemas fotovoltaicos /CEPEL - CRESESB, Organizadores João Tavares Pinho e Marco AntonioGaldino; Rio de Janeiro, Março de 2014

[15] Neves, Marcello da Silva; Desenvolvimento do modelo de uma máquina CCvirtual aplicada a microrredes em corrente contínua; Marcello da SilvaNeves. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2018.

[16] Paulo Jorge dos Santos Bonifácio; Seguidor Fotovoltaico: Uma variação do PeO- Simulação e Prototipagem Dissertação de Mestrado, Departamento deEngenharia Electrotécnica, Universidade Nova de Lisboa, 2010.

[17] Araujo, Lucas Savoi; Controle de conversores em microrredes autônomascom sistemas de armazenamento distribuídos ; Lucas Savoi de Araujo.– Campinas, SP : [s.n.], 2017. Dissertação (mestrado) – UniversidadeEstadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e deComputação.

[18] Lexuan Meng, Member; Qobad Shafiee; Giancarlo Ferrari Trecate; HoushangKarimi; Deepak Fulwani; Xiaonan Lu; Josep M. Guerrero, Review onControl of DC Microgrids and Multiple Microgrid Clusters. IEEE JournalOf Emerging and Selected Topics in Power Electronics. VOL. 5, NO. 3,SEPTEMBER 2017

90

[19] Crispim, Karina Souza. Estudo do controle do conversor back-to-back paraconversão de frequências/ Karina Souza Crispim. - 2018. 49f.: Orientador:Prof. Dr. Renan Fernandes Bastos. Monografia (Graduação). UniversidadeFederal de Ouro Preto. Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas.Departamento de Engenharia Elétrica.

[20] Agência Nacional de Energia Elétrica Resolução Normativa No482/ AGÊNCIANACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL, DE 17 DE ABRILDE 2012.

[21] AJianfang Xiao, Student Member, IEEE; Peng Wang, Senior Member, IEEE;Leonardy Setyawan, Student Member, IEEE; Hierarchical Control ofHybrid Energy Storage System in DC Microgrids/ IEEE Transactions OnIndustrial Electronics. VOL. 62, NO. 8, AUGUST 2015;

[22] WATANABE, E. H. ; STEPHAN, R. M. ; AREDES, M. New Concepts ofInstantaneous Active and Reactive Powers in Electrical Systems withGeneric Loads ; IEEE Transactions on Power Delivery, USA, v. 8, n.2,p. 697-703, 1993.

[23] WATANABE, E. H. ; AREDES, M. Teoria de Potência Ativa e ReativaInstantânea e Aplicações - Filtros Ativos e Facts. XII Brazilian AutomaticControl Conference, 1998, Uberlândia, MG. Mini-Curso, 1998. v. 1. p.81-122

[24] H. Akagi ; WATANABE, E. H. ; AREDES, M. Instantaneous Power Theoryand Applications to Power Conditioning ; 1. ed. Nova Iorque: IEEE Press/ Wiley Interscience, 2007. v. 1. 400p .

[25] EVANDRO M. SASSO; GUILHERME G. SOTELO; ANDRÉ A. FERREIRA;EDSON H. WATANABE; MAURÍCIO AREDES; PEDRO G. BARBOSAInvestigação dos modelos de circuitos de sincronismo trifásicos baseadosna teoria das Potências Real E Imaginária Instantâneas (p-PLL Eq-PLL); XIV Congresso Brasileiro de Automática, 2002;

[26] Normas Técnicas para Geração de Energia Alternativa; Procedimentos paraa Conexão de Acessantes ao Sistema de Distribuição da Light SESA –Conexão em Baixa Tensão; Informação Técnica DTE/DTP– 01/12, de13 de dezembro de 2012

[27] Liang Che; Mohammad Shahidehpour; Ahmed Alabdulwahab; HierarchicalCoordination of a Community Microgrid With AC and DC Microgrids.IEEE Transactions on Smart Grid. Volume: 6 , Issue: 6 , Nov. 2015

91