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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

CONTROLE OPERATIVO DE MICRORREDES ILHADAS COM BASE

NOS NÍVEIS DE TENSÃO

Pedro Henrique Naves Vasconcelos

Itajubá, outubro de 2017

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

Pedro Henrique Naves Vasconcelos

CONTROLE OPERATIVO DE MICRORREDES ILHADAS COM BASE

NOS NÍVEIS DE TENSÃO

Monografia apresentada ao Instituto de

Sistemas Elétricos e Energia, da

Universidade Federal de Itajubá, como parte

dos requisitos para obtenção do título de

Engenheiro Eletricista.

Orientador: Antonio Carlos Zambroni de Souza

Itajubá, outubro de 2017

Agradecimentos

Agradeço a Deus, por mostrar que sou guiado e iluminado pela sua presença inclusive

nos momentos tempestuosos.

Aos meus pais, Ana Cristina e Paulo, por não medirem esforços para que eu chegasse até

aqui. Aos meus irmãos, Maria Paula e Paulo Otávio, avós, Maria do Carmo e Murílio e toda a

família, pelo apoio incrível e inspiração para sempre ser alguém melhor. A minha amada

Danielly, por acreditar em mim e estar ao meu lado incondicionalmente.

Ao meu orientador e amigo Zambroni, pela paciência, motivação e o privilégio de ser um

de seus orientados. A UNIFEI – Universidade Federal de Itajubá, pelas lições de vida diárias.

A todos os amigos que Itajubá me presenteou e colegas de graduação, um sentimento de

gratidão por todos, por tudo o que fizeram por mim.

“Dificuldades preparam pessoas comuns

para destinos extraordinários.”

(C.S. Lewis)

UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação

5

Resumo

O desenvolvimento e difusão das tecnologias para geração de energia a partir de fontes

renováveis (FERs) têm revolucionado o cenário dos sistemas elétricos de potência (SEPs). Com

adequado controle de tensão e das injeções de potência, as redes de distribuição que,

historicamente foram passivas, se tornam capazes de gerar localmente a energia consumida e

operar ilhadas da rede básica convencional. A operação em ilha demanda novas soluções para

o controle do balanço entre geração e consumo, uma vez que os insumos das FERs (radiação

solar, velocidade dos ventos, etc.) são muitas vezes imprevisíveis e não controlados. Neste

trabalho, são consideradas estratégias baseadas em droop para controle das potências ativa e

reativa injetadas por FERs controladas por inversores em uma microrrede, assim como uma

estratégia para controle de despacho de cargas. Serão elaborados modelos computacionais para

avaliação da metodologia com objetivo de identificação de suas limitações e possíveis pontos

de melhoria.

Palavras-Chave: Microrredes; Operação Ilhada; Controle de Cargas; Geração Distribuída;

Controle Droop;


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Abstract

The development and increasing use of renewable energy technologies are

revolutionizing the electrical power systems scenario. With adequate voltage and power

controls the electrical distribution grids which once were passive now are capable of supplying

the local loads and achieve islanded operation from the conventional power grid. The islanded

operation, however, requires new solutions for the generation and load balance, since the

renewable energy sources sometimes are not predictable and controllable, as the solar

radiation, wind speed, etc. In this work, droop control strategies are considered to the active

and reactive power injections on the microgrid, as well as an active load control.

Computational models were implemented with the purpose of testing those strategies and

identify some limitations and opportunities for improvements.

Keywords: Microgrids; Islanded Operation; Active Load Control; Distributed Generation; Droop

Control;


7

Lista de Figuras

Figura 1 – Inversor Fonte de Corrente Trifásico. ..................................................................... 19

Figura 2 – Inversor Fonte de Tensão Trifásico de Ponte Completa ......................................... 20

Figura 3 - Diagrama da conexão de uma turbina à rede. .......................................................... 20

Figura 4 - Diagrama da conexão de um conjunto PV à rede. ................................................... 20

Figura 5 - Exemplo de PWM com diferentes valores para o ciclo de trabalho. ....................... 21

Figura 6 – Exemplo de Microrrede simples com VSI. ............................................................. 24

Figura 7 - VSI como interface entre a fonte e a rede elétrica ................................................... 28

Figura 8 - Representação do Controle Droop. .......................................................................... 29

Figura 9 - Determinação da Tensão de Referência através do controle droop......................... 29

Figura 10 - Controle droop 𝑉𝑔/𝑉𝑑𝑐. ....................................................................................... 31

Figura 11 - Controle droop 𝑃𝑑𝑐/𝑉𝑔 em conjunto com o controle 𝑉𝑔/𝑉𝑑𝑐. .......................... 31

Figura 12 - Controle droop Q/f................................................................................................. 32

Figura 13 - Implementação da Estratégia de Controle para redução da demanda. .................. 33

Figura 14 - Fonte, medições e transformador estrela-delta. ..................................................... 34

Figura 15 - Inversor AC-DC-AC com Filtro LC na saída ........................................................ 35

Figura 16 - Filtro LC. ............................................................................................................... 35

Figura 17 - Gerador de PWM. .................................................................................................. 36

Figura 18 - Controlador do VSI_1. ........................................................................................... 37

Figura 19 - Controle Droop Vg/Vdc. ........................................ Erro! Indicador não definido.

Figura 20 – Dados do Sistema de 5 barras. .............................................................................. 38

Figura 21 - Sistema de 5 Barras................................................................................................ 38

Figura 22 - Dados do sistema de 9 Barras. ............................................................................... 39

Figura 23 - Sistema de 9 Barras................................................................................................ 40


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Lista de Abreviaturas e Siglas

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica

AT Alta Tensão

BT Baixa Tensão

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

CSI Inversor Fonte de Corrente (Current-Source Inverter)

FER Fonte de Energia Renovável

GD Geração Distribuída

IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos

IGBT Insulate Gate Bipolar Transistor

IREQ Hydro-Québec Research Institute

MT Média Tensão

PRODIST Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional

PV Painel Fotovoltaico

PWM Modulação por Largura de Pulso (Pulse-Width Modulation)

SEP Sistema Elétrico de Potência

VSI Inversor Fonte de Tensão (Voltage Source Inverter)


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Sumário

1. Introdução ...................................................................................................................... 11

1.1. Objetivos .................................................................................................................... 12

1.1.1. Objetivo Geral .................................................................................................... 12

1.1.2. Objetivos Específicos ......................................................................................... 12

1.2. Organização do Trabalho ........................................................................................... 12

2. Revisão da Literatura ..................................................................................................... 13

2.1. Sistemas Elétricos de Potência .................................................................................. 13

2.2. Microrredes ................................................................................................................ 14

2.2.1. Análise de Fluxo de Potência ............................................................................. 16

2.2.2. Aspectos Regulatórios ........................................................................................ 17

2.3. Aplicações da Eletrônica de Potência ........................................................................ 17

2.3.1. Inversores Fonte de Corrente .............................................................................. 18

2.3.2. Inversores Fonte de Tensão ................................................................................ 19

2.4. Técnicas de Modulação ............................................................................................. 21

2.4.1. Modulação por Largura de Pulso (PWM) .......................................................... 21

2.5. Controle Operativo de uma Microrrede ..................................................................... 23

2.5.1. Links entre frequência, tensão e potências ativa e reativa em uma microrrede .. 24

2.5.2. Controle Baseado em Inclinação (Controle Droop) ........................................... 28

2.5.3. Controle da Potência Ativa Gerada .................................................................... 29

2.5.4. Controle da Potência Reativa Gerada ................................................................. 32

2.5.5. Despacho de Demanda ....................................................................................... 33

3. Implementação do Modelo ............................................................................................ 34

3.1. Modelo de Inversor .................................................................................................... 34

3.1.1. Filtro LC ............................................................................................................. 35

3.2. Modulação por PWM ................................................................................................. 36

3.3. Controlador do VSI 1 ................................................................................................. 36

3.3.1. Controle Droop .................................................... Erro! Indicador não definido.

3.4. Microrrede Ilhada ...................................................................................................... 37

3.4.1. Sistema de 5 Barras ............................................................................................ 37

3.4.2. Sistema de 9 Barras ............................................................................................ 39

4. Apresentação e Discussão dos Resultados .................................................................... 41


10

4.1. Carga Constante ......................................................................................................... 41

4.2. Diminuição e Aumento de Carga ................................ Erro! Indicador não definido.

5. Considerações Finais ..................................................................................................... 42

5.1. Contribuição ao Tema ................................................................................................ 42

5.2. Proposta de Trabalhos Futuros .................................................................................. 42

6. Referências Bibliográficas ............................................................................................. 43


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1. Introdução

As principais atividades exercidas hoje, seja na indústria, comércio, agricultura, comunicação ou

transporte, demandam uma grande quantidade de energia que é suprida pelos sistemas elétricos de

potência (SEPs). Em vários países, a maior parcela dessa energia ainda provém de combustíveis fósseis,

mas as fontes de energias renováveis (FERs) têm recebido atenção crescente devido ao cenário de exaustão

dos recursos energéticos.

Com o desenvolvimento e implementação das FERs, é imprescindível a acomodação dos

sistemas elétricos atuais aos novos dilemas impostos por estas fontes, como a imprevisibilidade da

geração, que pode desequilibrar o balanço entre a geração e o consumo do sistema.

Um importante proveito de sua utilização é que pode-se instalar geradores fotovoltaicos e eólicos

na rede de distribuição, tornando a geração de energia mais próxima dos locais de consumo. A presença

destas FERs na rede de distribuição constitui a geração distribuída (GD), e a geração de energia local torna

a rede de distribuição ativa, também denominada microrrede.

As microrredes podem basicamente operar em duas condições. Quando ligadas à rede básica, é

esta que determina a frequência na microrrede e a geração local excedente pode ser fornecida à rede.

Podem operar de maneira ilhada, desvinculadas da rede que normalmente as supririam, e neste modo toda

a geração local deve ser capaz de suprir a demanda local.

O ilhamento pode ocorrer de forma mandatória ou não. Mandatórios são os casos de redes de

energia elétrica em locais isolados ou ilhas, ou ainda nos casos de ocorrência de falhas nos sistemas que

alimentam as microrredes. Nestas condições, a corrente elétrica de falta pode circular na rede no sentido

contrário ao habitual, promover interrupções de fornecimento de energia e danificar a rede e os elementos

ligados à mesma. Os casos de ilhamento não mandatórios são normalmente associados a redes de

pequenas cidades ou indústrias, cuja geração distribuída deve atender a demanda local.

Independentemente do caso, é de extraordinária importância a busca pelo equilíbrio entre geração

e demanda. Com esse objetivo, o controle da energia gerada e seu consumo em redes ilhadas é

fundamental para a manutenção de seu funcionamento pleno.

Este trabalho, portanto, objetiva realizar uma análise da estratégia de controle ativo de cargas em

uma microrrede ilhada, em baixa tensão, com base nos níveis de tensão em todas os pontos da rede,

proposta no artigo “Active Load Control in Islanded Microgrids Based on Grid Voltage” (VANDOORN

et al, 2010). Nesta estratégia, é considerado que grande parte da geração é ligada à rede utilizando

inversores fontes de tensão como interface entre a geração distribuída e a rede.


12

1.1. Objetivos

1.1.1. Objetivo Geral

Avaliar por meio de simulações computacionais a estratégia de controle operativo de uma

microrrede com base nos níveis de tensão, proposta por VANDOORN (2010).

1.1.2. Objetivos Específicos

Modelar individualmente os controles e principais componentes das redes de distribuição ativas.

Causar distúrbios e analisar as reações correspondentes nos modelos do sistema.

Comparar os resultados obtidos aos apresentados pelo autor, identificar possíveis limitações e

pontos de melhoria.

1.2. Organização do Trabalho

O presente trabalho segue a seguinte estrutura:

Capítulo 1: “Introdução”, onde são apresentados a motivação, o contexto e os objetivos do

trabalho em desenvolvimento.

Capítulo 2: “Revisão da Literatura”, evidencia a base conceitual para a compreensão de todo o

texto.

Capítulo 3: “Elaboração do Modelo”, aponta o método e os cálculos realizados para os modelos

de microrredes e os elementos que as constituem.

Capítulo 4: “Apresentação e Discussão dos Resultados”, apresenta as medições coletadas na

simulação em ambiente SIMULINK®, e as principais observações a respeito das simulações

desenvolvidas.

Capítulo 5: “Considerações Finais”, aborda, comenta e critica as principais observações a respeito

dos resultados obtidos além de sugestões para trabalhos futuros acerca do tema.

Capítulo 6: “Referências Bibliográficas”, listagem de livros, artigos e outros trabalhos que

contribuíram para a presente pesquisa.


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2. Revisão da Literatura

2.1. Sistemas Elétricos de Potência

A função dos sistemas elétricos de potência é converter energia a partir de um estado natural para

a forma de eletricidade e de transportá-la aos centros consumidores. Na maioria das vezes, nos centros

consumidores a energia elétrica é convertida em outras formas como calor, luz e energia mecânica. A

grande vantagem da eletricidade é que esta pode ser facilmente transportada e controlada com relativa

facilidade e com alto grau de eficiência e confiabilidade. (KUNDUR, 1993).

Kundur (1993) ainda afirma que um sistema elétrico de potência devidamente projetado, em

condições normais de operação deve ser dotado das seguintes propriedades:

Deve ser capaz de suprir continuamente a demanda de potência ativa e reativa.

Deve suprir a energia com o menor custo econômico e impacto ecológico possível.

A qualidade do suprimento de energia deve atender um padrão de desempenho mínimo

com respeito a variações de frequência, variações de tensão e nível de confiabilidade.

Vários níveis de controle devem ser implementados com dispositivos capazes de fazer com que

os SEPs atinjam os requisitos citados anteriormente. Os objetivos de controle dependem do estado

operativo da rede. Em condições normais de operação, o objetivo dos controladores é estabelecer um

sistema tão eficiente quanto possível com níveis de tensão e frequência próximos dos valores nominais.

Em condições anormais, os objetivos consistem no restabelecimento do sistema à condição ideal de

operação.

Diferentes partes dos SEPs operam em diferentes níveis de tensão e este é um dos parâmetros em

que se classificam os subsistemas de transmissão e distribuição de energia. É comum encontrar redes de

distribuição em baixas e médias tensões e sistemas de transmissão em altas ou extra altas tensões.

Segundo Machowsky (2008), o sistema de transmissão tem uma estrutura organizada para que se

possa prover o deslocamento do fluxo de energia dos geradores aos consumidores com adequada

confiabilidade e flexibilidade de operação.

Historicamente, nas redes de distribuição atende-se um maior número de consumidores e estas

cargas são consideradas passivas, onde nenhuma ou pequena geração são consideradas. A expansão da

geração distribuída e fontes de energias renováveis têm mudado esta realidade e neste novo cenário são

constituídas as microrredes.


14

2.2. Microrredes

As microrredes são pequenas redes de geração de energia designadas a atenderem uma demanda

local que pode ser tão pequena quanto uma comunidade acadêmica de uma universidade ou escola, uma

área comercial, industrial ou até uma região intermunicipal (CHOWDHURY, 2009).

Uma diferença importante entre as microrredes e os sistemas elétricos convencionais é

a mudança do sentido do fluxo de energia que ocorre tradicionalmente na direção dos geradores

para os consumidores. Com a introdução da geração distribuída, os consumidores passaram

também a ser geradores, alterando o sentido do fluxo de energia e influenciando na forma de

operação do sistema. (GUPTA; BHATIA; JAIN, 2013; FERRONATO, 2014).

É possível classificar as configurações de microrredes em função da forma utilizada para

transmitir e distribuir a energia ao longo do sistema. As principais classificações, segundo Wang et al.

(2012), consistem em:

Microrrede em corrente contínua;

Microrrede em corrente alternada e alta frequência (HFAC);

Microrrede em corrente alternada com frequência da rede (LFAC);

Microrrede híbrida com elementos em corrente alternada e contínua.

Microrredes com distribuição em corrente contínua têm amplas aplicações em sistemas de

telecomunicações, veículos elétricos e sistemas elétricos em navios. O uso de cargas eletrônicas em

residências e áreas comerciais juntamente com o crescente número de aplicações de sistemas fotovoltaicos

e de armazenamento de energia elétrica têm tornado essa configuração de microrrede viável.

As microrredes de corrente alternada e altas frequências têm aplicações bem estabelecidas nas

áreas militares e aviação, já que é possível reduzir o tamanho e peso dos elementos da rede com o aumento

da frequência, tornando-as favoráveis a pequenas áreas (TAKAHASHI I., YU. X. 1989 apud WANG et

al 2012).

O foco deste trabalho se dá nas microrredes de corrente alternada com frequência baixa e

igual à frequência da rede principal. Esta configuração é a que tem atingido maior destaque desde que o

conceito de microrrede foi proposto. A estrutura e estratégias de controle da geração de microrredes LFAC

serão discutidas nos tópicos a seguir.

Por último, as configurações híbridas de microrredes objetivam oferecer uma maneira

efetiva de agregar todas as formas de geração por meio de fontes renováveis. Estas redes utilizam a parte

em corrente contínua para conectarem os sistemas de armazenamento e fotovoltaicos e a parte CA para


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turbinas eólicas e alimentação de cargas. O desacoplamento das partes CA e CC é feito por meio de

inversores de frequência (HIROSI, K., TAKEDA, T. FUKUI, A., 2007 apud WANG et al. 2012).

As principais tecnologias hoje aplicadas nas fontes de energias de energias renováveis são micro

turbinas eólicas, sistemas fotovoltaicos, carros elétricos e outros dispositivos de armazenamento de

energia. Conforme Ferronato (2014), entende-se por fontes de energia renováveis “aquelas que tem como

fonte de combustível que se auto recompõem em pequenos períodos de tempo sem sofrerem redução.

Tais fontes incluem: solar, eólica, hidráulica, biogás e biomassa.”

A luz solar é a fonte de energia renovável mais abundante e é aproveitada através de painéis

fotovoltaicos. A energia eólica tem ganhado destaque nos últimos anos, pois em instalações de pequeno

porte têm impactos ambientais desprezíveis.

Segundo Vandoorn et al. (2010), o avanço na implementação das microrredes dá oportunidade

para o desenvolvimento das redes inteligentes, ou Smart Grids, que coexistirão com a rede principal na

forma de microrredes inteligentes.

Nessa perspectiva, a existência de microrredes ligadas à rede básica torna a operação dos sistemas

elétricos de potência mais complexa, onde as micro gerações devem atender os requisitos mínimos de

disponibilidade e controlabilidade. A utilização de sistemas de armazenamento de energia ajuda a garantir

a estabilização da geração e o fornecimento em momentos em que a fonte de energia cessa

(FERRONATO, 2014).

Com a integração das tecnologias de geração e armazenamento da energia nas microrredes,

considerando seus objetivos e limitações, são encontradas estas redes basicamente em três estados

operativos distintos:

Microrrede conectada à Rede Principal;

Microrrede ilhada completamente suprida pela geração local;

Microrrede ilhada em regime de controle de cargas.

Em operação conectada à rede principal, esta auxilia na manutenção dos níveis de tensão e

determina a frequência da microrrede. No caso em que a geração da microrrede não atenda as cargas

locais, é de responsabilidade da rede principal atender a demanda deficitária.

Na transição do modo conectado ao ilhado, pode haver grandes variações de tensão e frequência

em ambas as redes. Geralmente, na microrrede as consequências desta mudança são agravadas, uma vez

que são pequenas redes de energia elétrica, onde pequenas variações na carga atendida podem representar

grande variação no montante.


16

É imprescindível realizar controle da geração e demanda de uma microrrede e cortes de carga

podem acelerar o processo de recuperação de uma rede ilhada às condições nominais (LOPES;

MOREIRA; MADUREIRA, 2006).

Os controles responsáveis por este processo de recuperação são resultados da aplicação de

metodologias que constituem o estudo da estabilidade de sistemas elétricos de potência. Conforme Kundur

(1993), “estabilidade de sistemas elétricos de potência pode ser entendida como a capacidade que estes

sistemas têm de se manterem em equilíbrio, sob condições nominais de operação e de se sustentarem entre

limites toleráveis após serem submetidos a distúrbios”, que são (mas não se resumem a) curto-circuitos,

perda de interconexões na transmissão, saída de grandes blocos de carga ou geração.

2.2.1. Análise de Fluxo de Potência

O Fluxo de Potência é uma ferramenta básica para o estudo de sistemas elétricos de potência,

principalmente na análise, operação e planejamento. Seu estudo fornece uma solução estacionária que

descreve o sistema em uma dada condição operativa, ou seja, os módulos e ângulos da tensões do sistema,

fluxos de potência ativa e reativa nas linhas, transformadores e redes de distribuição, assim como as perdas

de energia.

Métodos iterativos clássicos como o de Newton-Raphson e suas versões desacopladas apresentam

dificuldades de convergência quando o objeto de estudo é uma rede de distribuição ou uma microrrede,

uma vez que há a possibilidade de predominância do caráter resistivo da linha, topologia malhada e pouco

radial do sistema, alta penetração de geração renovável intermitente, dispositivos de armazenamento de

energia e a conexão de geradores distribuídos. As soluções viáveis envolvem a adoção de outros métodos

iterativos, como a solução do Fluxo de Potência Ótimo (OPF) e Fluxo de Potência Desequilibrado.

Uma solução de fluxo de potência em microrredes é apresentada por Nascimento (2016), onde o

problema de convergência do Método de Newton Raphson é contornado através de uma técnica que

modifica a relação X/R, de forma a aproximar redes de distribuição de sistemas de transmissão.

A solução por meio do fluxo de potência desequilibrado é apresentada por Rodrigues (2017).

Neste método, a solução é baseada na relação entre as correntes dos nós e as correntes nos ramos e são

processadas inicialmente as barras terminais do sistema até o nó de suprimento, contabilizando primeiro

as correntes e em seguida as tensões nos nós, em um processo denominado pelo autor como backward

and forward.


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2.2.2. Aspectos Regulatórios

Em termos de regulação, não há normas ou padrões nacionais para este tipo de interação

entre sistemas de geração e a rede elétrica. Conforme FERREIRA et al. (2015), “um primeiro

passo foi dado após a publicação da Resolução 482/2012, da ANEEL, através da qual o sistema

elétrico brasileiro passou a permitir a conexão de fontes de geração distribuída, incentivadas

através de um sistema de compensação de energia”.

No contexto internacional, há guias e sugestões quanto aos parâmetros que devem ser

seguidos pelos engenheiros e técnicos envolvidos para permitir a correta conexão de uma

microrrede à rede principal. Um exemplo é proposto por (IEEE STANDARDS

ASSOCIATION, 2011), que ainda inclui modelos de microrredes e modelos de negócio

segundo as normas estadunidenses vigentes.

Em 2012, o Módulo 3 do PRODIST – Acesso ao Sistema de Distribuição, da Agência

Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, foi revisto e foram incluídos procedimentos e critérios

técnicos que as concessionárias devem adotar.

No mesmo ano foi instituído pela ANEEL um sistema de compensação de energia onde,

segundo Ferreira et al. (2015) a “distribuição elétrica não é remunerada pela qualidade da

energia prestada para os seus usuários e sim pelo montante de energia ativa entregue ao usuário”

e foram criados os conceitos de micro e minigeração, permitindo a conexão de fontes de

energias renováveis de até 1MW em paralelismo permanente com a rede principal.

2.3. Aplicações da Eletrônica de Potência

A geração de energia em uma microrrede ilhada é responsável pela sustentação e sobrevivência

das principais funções. É importante, portanto, fazer uso de tecnologias que contribuam para que a rede

atenda requisitos da operação e seja robusta. A eletrônica de potência contribui para que as fontes de

energia renováveis possam ser devidamente conectadas à rede em uma microrrede.

As aplicações da eletrônica de potência possibilitam que sejam conectados aos sistemas elétricos

de potência dispositivos eletrônicos que permitem o melhor uso dos circuitos existentes, mantendo

flexibilidade e a operação ótima. Estes dispositivos flexíveis constituem a principal interface que liga as

fontes de energias renováveis em diversos níveis de tensão às redes de energia elétrica já existentes

(EKANAYAKE et al. 2012).


18

Por Wang et al. (2012) é sugerido que os sistemas de geração de energia elétrica de uma rede de

distribuição podem ser classificados quanto a sua interface com o sistema principal entre unidades

convencionais rotativas e as controladas via eletrônica de potência.

Como o próprio nome sugere, as unidades rotativas se conectam à rede por meio de elementos

rotativos, geralmente contam com máquinas síncronas e incluem geradores eólicos com velocidades fixas

e pequenas turbinas hidráulicas.

A geração que utiliza inversores de frequência tende a permitir que a rede inclua fontes

renováveis em corrente contínua e alternada. Nesta categoria são incluídas turbinas eólicas com rotação

variável, painéis fotovoltaicos, assim como sistemas armazenadores de energia e veículos elétricos. Essas

fontes são superiores às unidades convencionais nos quesitos de eficiência, filtragem harmônica, controle

de tensão e injeções de potências ativas e reativas.

O foco deste trabalho está nas microrredes de corrente alternada com frequência semelhante à rede

principal (60Hz). Portanto será dada atenção aos inversores eletrônicos de frequência, que são dispositivos

capazes de converter correntes e tensões em corrente contínua para corrente alternada. As aplicações com

inversores eletrônicos de potência podem ainda ser divididas entre os inversores fontes de correntes (CSI

– Current Source Inverter) ou tensão (VSI – Voltage Source Inverter).

2.3.1. Inversores Fonte de Corrente

Os inversores fontes de tensão atualmente são encontrados em um maior número de aplicações.

Entretanto, nos últimos anos há estudos em desenvolvimento visando a substituição destes por inversores

fontes de corrente em algumas aplicações. Como o nome sugere, este inversor se comporta como uma

fonte de corrente, mantendo a amplitude da corrente na saída constante, independente da carga, através de

um grande indutor armazenador de energia.

Os CSIs podem apresentar diversas topologias, que podem ser monofásicas ou trifásicas

(Figura 1), sempre com o objetivo de gerar na saída uma onda de corrente alternada, a partir de

uma corrente contínua (CC) na entrada, de frequência, amplitude e fase controláveis

(RODRIGUES, 2014).


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Figura 1 – Inversor Fonte de Corrente Trifásico.

Fonte: RODRIGUES (p. 23, 2014).

Devido à elevada variação (𝑑𝑖/𝑑𝑡) provocada pelas comutações dos tiristores de

potência, é necessário ligar na saída do CSI um filtro capacitivo, de forma a evitar picos de

tensão que podem danificar a carga.

Segundo Rodrigues (2014), “o CSI é mais adequado quando se utilizam fontes que se

comportem como fontes de corrente, como é o caso dos painéis solares fotovoltaicos”. Em

outras aplicações possíveis de uma microrrede, estes inversores não são viáveis devido ao fato

de não suportarem tensões reversas, que podem ocorrer durante falhas nos sistemas alimentados

por eles, favorecendo a aplicação dos VSI.

2.3.2. Inversores Fonte de Tensão

Funcionam como uma fonte de tensão através de capacitores armazenadores de energia.

Requerem uma entrada de tensão constante para que seja possível fornecer na saída uma tensão

de magnitude constante e controlável, independente da carga alimentada (MESSO, T. et al.

apud RODRIGUES, 2014).

Assim como os conversores fontes de corrente, podem ser encontradas configurações

monofásicas e trifásicas. Pode-se ainda encontrar os VSIs nas topologias de meia ponte ou ponte

completa (Figura 2). Apesar de utilizar um maior número de interruptores controláveis, a

configuração em ponte completa é mais vantajosa pois a tensão de saída é duas vezes superior

à da meia ponte e ainda permite a obtenção na saída de três valores de tensão diferentes (+Vcc,

0, -Vcc).


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Figura 2 – Inversor Fonte de Tensão Trifásico de Ponte Completa

Fonte: Rodrigues (p. 20, 2014).

Para a conversão controlada, podem ser utilizados transistores (TJBs e MOSFETs) e tiristores

(IGBT e GTO) de potência. Diferentemente de outras aplicações, na interface com painéis solares

fotovoltaicos utilizando inversores fonte de tensão, estes são complementados por conversores CC–CC

sempre que é necessário variar o valor de tensão na entrada para um valor que permita obter a tensão

necessária à saída do inversor (RODRIGUES, 2014).

Alguns exemplos de aplicação de VSI controlados na integração de fontes de energias renováveis

ao sistema elétrico principal estão representados nas figuras a seguir. É apresentado o diagrama para

conexão de uma microturbina eólica (Figura 3) e de um conjunto fotovoltaico, PV (na Figura 4).

Figura 3 - Diagrama da conexão de uma turbina à rede.

Fonte: WANG et al. (2012).

Figura 4 - Diagrama da conexão de um conjunto PV à rede.

Fonte: WANG et al. (2012).


21

2.4. Técnicas de Modulação

Para controlar as comutações e consequentemente o sinal de saída do inversor é necessário

implementar uma técnica de modulação. Segundo Rashid (2001), “com base na técnica de modulação

adotada e de acordo com a forma de onda que se pretende ter na saída, o inversor alterna entre os diferentes

estados de funcionamento”.

Existem diversas técnicas de modulação utilizadas para controle de inversores de frequência. As

mais conceituadas incluem a modulação por largura de pulso (PWM), modulação de espaço de vetores,

amostragem periódica e comparador por histerese.

Neste trabalho será considerada apenas a modulação por largura de pulso, que permite controlar

a frequência e a tensão do sinal de saída dos inversores por meio da comutação de chaves que, no contexto

deste trabalho, são tiristores (IGBTs) de potência.

2.4.1. Modulação por Largura de Pulso (PWM)

Segundo Dixon et al. (1994), a modulação PWM (Pulse-width Modulation) “permite

obter um sinal modulado em alta frequência, que pode ser obtido através de um onda quadrada

com período constante, mas ciclo de trabalho variável”.

Ciclo de trabalho é a relação entre o tempo que a chave fica no estado ligado e o tempo

desligado. Com a variação do ciclo de trabalho é possível alterar o valor médio do sinal que se

pretende gerar com a modulação, ou seja, a potência transferida é também proporcional a este

parâmetro. Na Figura 5, pode-se observar um PWM com diferentes ciclos de trabalho.

Figura 5 - Exemplo de PWM com diferentes valores para o ciclo de trabalho.

Fonte: Rodrigues (p. 25, 2014).


22

Para o controle de disparo dos elementos semicondutores do VSI, o sinal modulado de alta

frequência é proveniente da comparação entre dois outros sinais: uma onda de referência ou moduladora,

e uma onda portadora. A onda moduladora é a que estabelece a frequência fundamental do sinal de saída

do inversor e, por isso, tem a função de ajustar o ciclo de trabalho da comutação (RODRIGUES, 2014).

Quando o valor da onda portadora é superior ao valor da onda moduladora, o sinal de saída é “0”

e quando o valor da onda moduladora é superior ao da portadora, então o sinal de saída é “1”. O PWM

resultante da comparação de uma onda moduladora senoidal com uma onda portadora triangular é

denominado Sinusoidal Pulse Width Modulation – SPWM.

Esta é a técnica que será utilizada neste trabalho, no entanto, há diversas outros modos de

modulação por PWM, entre os quais se destaca o Trapezoidal PWM, onde a onda moduladora

corresponde a um sinal senoidal. (DIXON, 1994).

Há dois índices importantes que auxiliam na definição da estratégia de controle adotada no

SPWM: os índices de modulação de amplitude e de frequência, ambos descritos a seguir (GUEDES,

2015).

o Índice de modulação de amplitude (ma): razão entre as amplitudes de onda moduladora

(Vmod) e portadora (Vport).

𝒎𝒂 =𝑽𝒎𝒐𝒅𝑽𝒑𝒐𝒓𝒕

Segundo Rashid (2001), “a amplitude da componente fundamental da tensão de saída

(VA01) se faz igual ao produto entre este índice e metade da tensão de barramento CC”, mas esta

relação linear só vale para os casos em que ma é menor que a unidade.

𝑉𝐴01 = 𝑚𝑎 .

𝑉𝐶𝐶2

o Índice de modulação de frequência (mf): relação entre as frequências das ondas

portadora e moduladora.

𝑚𝑓 =𝑓𝑝𝑜𝑟𝑡

𝑓𝑚𝑜𝑑

A frequência da onda portadora é a frequência estipulada para a comutação dos IGBTs

e a frequência da moduladora é a frequência da componente fundamental da tensão de saída da

conversão. É comum adotar como a frequência de chaveamento como o resultado da


23

multiplicação entre o índice de modulação de frequência (mf) e a frequência nominal da carga

(no contexto deste trabalho, 60Hz), garantindo constante sincronismo entre os sinais de controle

(GUEDES, 2015; RODRIGUES, 2014).

Para atender os requisitos exigidos de um sistema elétrico de potência, a comutação das chaves

controladas dos inversores fontes de tensão deve auxiliar no controle das tensões e frequências da rede.

Como controle, entende-se como a tentativa da manutenção da tensão nos terminais dos VSIs em uma

faixa tolerável, segundo os critérios que serão descritos na próxima seção.

2.5. Controle Operativo de uma Microrrede

Conforme o que foi discutido até o momento, não é tão comum encontrar geradores síncronos

completamente controláveis em uma microrrede, que são os responsáveis pelo controle da tensão e

frequência nos sistemas elétricos convencionais. As fontes renováveis não podem ser ligadas diretamente

na rede, logo precisam de uma interface via eletrônica de potência para tal. O controle dos inversores,

portanto, são o foco dos estudos de controle operativo em uma microrrede. (PEÇAS LOPES; MOREIRA;

MADUREIRA, 2006).

A manutenção da frequência e tensão entre limites toleráveis em qualquer tipo de rede

elétrica é importante. Cargas eletrônicas como computadores são sensíveis a variações de

frequência e motores elétricos têm seu funcionamento baseado neste parâmetro.

Quanto à tensão, suas variações podem igualmente comprometer vários componentes

da carga instalada, como o torque de motores elétricos e o fluxo luminoso de lâmpadas.

Esses dois parâmetros também servem como indicadores da eficácia do funcionamento

da rede. A frequência se manter em seu valor nominal corresponde ao adequado balanço de

potência ativa no sistema, ou seja, toda a potência fornecida pelos geradores corresponde ao

que é solicitado pelas cargas. De maneira análoga, a tensão serve como indicador do balanço

de potência reativa do sistema.

Porém estas afirmações são válidas principalmente para os subsistemas de transmissão

de energia elétrica, onde a rede tem característica indutiva e se observa elevada relação X/R.

Nas redes de distribuição este cenário pode ser diferente devido à característica

predominantemente resistiva das cargas instaladas. Nas redes de distribuição em médias (MT)

e altas tensões (AT) ainda se observam características indutivas com baixa relação X/R, mas as

redes em baixa tensão (BT) podem ser consideradas redes resistivas (R/X >> 1).


24

2.5.1. Links entre frequência, tensão e potências ativa e reativa em

uma microrrede

Considere o exemplo que será utilizado para a obtenção das relações entre frequência,

tensão e as potências ativa e reativa de um sistema simples de duas barras. Uma carga está

conectada na Barra L, que é alimentada por um gerador, cuja interface com a rede é feita por

meio de um inversor fonte de tensão. A conexão entre as barras S e L é feita através de uma

impedância de linha.

Figura 6 – Exemplo de Microrrede simples com VSI.

Fonte: (BEVRANI, SHOKOOI, 2013).

O fluxo de potência é o ponto de partida para a obtenção dos parâmetros operativos da rede. A

potência aparente demandada pela carga é obtida através da equação:

𝑺𝑺𝑳 = 𝑽𝑺 . 𝑰𝑺𝑳∗ = 𝑷𝑺𝑳 + 𝒋𝑸𝑺𝑳

A corrente elétrica é calculada por:

𝑰𝑺𝑳 =𝑽𝑺 − 𝑽𝑳

𝒁=𝑽𝑺. 𝒆

𝒋𝟎 − 𝑽𝑳. 𝒆−𝒋𝜹

𝑹 + 𝒋𝑿=𝑽𝑺. 𝒆

𝒋𝟎 − 𝑽𝑳. 𝒆−𝒋𝜹

𝒁. 𝒆𝒋𝜽

Então:

𝑽𝑺. 𝒆𝒋𝟎. (

𝑽𝑺. 𝒆𝒋𝟎 − 𝑽𝑳. 𝒆

−𝒋𝜹

𝒁. 𝒆𝒋𝜽)

∗

= 𝑷𝑺𝑳 + 𝒋𝑸𝑺𝑳

𝑽𝑺. (𝐜𝐨𝐬 𝟎 + 𝒋. 𝒔𝒆𝒏 𝟎). [𝑽𝑺. (𝐜𝐨𝐬 𝟎 + 𝒋. 𝒔𝒆𝒏 𝟎) − 𝑽𝑳. (𝐜𝐨𝐬(−𝜹) + 𝒋. 𝒔𝒆𝒏(−𝜹))

𝑹 + 𝒋𝑿] ∗

= 𝑷𝑺𝑳 + 𝒋𝑸𝑺𝑳


25

Simplificando os termos, vem:

𝑽𝑺. [𝑽𝑺 − 𝑽𝑳. (𝐜𝐨𝐬 𝜹 − 𝒋. 𝒔𝒆𝒏(−𝜹))

𝑹 + 𝒋𝑿] ∗ = 𝑷𝑺𝑳 + 𝒋𝑸𝑺𝑳

𝑽𝑺. [𝑽𝑺 − 𝑽𝑳. 𝐜𝐨𝐬 𝜹 − 𝑽𝑳. 𝒋𝒔𝒆𝒏(−𝜹))

𝑹 − 𝒋𝑿] = 𝑷𝑺𝑳 + 𝒋𝑸𝑺𝑳

Realizando a multiplicação dos termos entre os colchetes, vem:

𝑽𝑺𝟐 − 𝑽𝑺. 𝑽𝑳. 𝐜𝐨𝐬 𝜹

𝑹 − 𝒋𝑿− 𝒋.

𝑽𝑺. 𝑽𝑳. 𝐬𝐞𝐧𝜹

𝑹 − 𝒋𝑿= 𝑷𝑺𝑳 + 𝒋𝑸𝑺𝑳

Sabendo que: |𝒁| = √𝑹𝟐 + 𝑿𝟐, então:

𝑽𝑺𝟐 − 𝑽𝑺. 𝑽𝑳. 𝐜𝐨𝐬 𝜹

|𝒁|. 𝒆−𝒋𝜽− 𝒋.

𝑽𝑺. 𝑽𝑳. 𝐬𝐞𝐧𝜹

|𝒁|. 𝒆−𝒋𝜽= 𝑷𝑺𝑳 + 𝒋𝑸𝑺𝑳

Separando as matrizes:

𝑽𝑺𝟐

|𝒁|. 𝒆−𝒋𝜽−𝑽𝑺. 𝑽𝑳. 𝐜𝐨𝐬 𝜹

|𝒁|. 𝒆−𝒋𝜽− 𝒋.

𝑽𝑺. 𝑽𝑳. 𝐬𝐞𝐧 𝜹

|𝒁|. 𝒆−𝒋𝜽= 𝑷𝑺𝑳 + 𝒋𝑸𝑺𝑳

𝑽𝑺𝟐. 𝒆𝒋𝜽

|𝒁|−𝑽𝑺. 𝑽𝑳. 𝐜𝐨𝐬 𝜹 . 𝒆

𝒋𝜽

|𝒁|− 𝒋.

𝑽𝑺. 𝑽𝑳. 𝐬𝐞𝐧 𝜹. 𝒆𝒋𝜽

|𝒁|= 𝑷𝑺𝑳 + 𝒋𝑸𝑺𝑳

𝑽𝑺𝟐. (cos 𝜃 − 𝑗. 𝑠𝑒𝑛 𝜃)

|𝒁|−𝑽𝑺. 𝑽𝑳. 𝐜𝐨𝐬 𝜹 . (cos 𝜃 − 𝑗. 𝑠𝑒𝑛 𝜃)

|𝒁|− 𝒋.

𝑽𝑺. 𝑽𝑳. 𝐬𝐞𝐧 𝜹. (cos 𝜃 − 𝑗. 𝑠𝑒𝑛 𝜃)

|𝒁|= 𝑷𝑺𝑳 + 𝒋𝑸𝑺𝑳

Tomando-se as partes real e imaginária da equação acima, são obtidos os fluxos de potências ativa

e reativa que circulam pela rede.

𝑃 =𝑉𝑠2

|𝑍| . cos 𝜃 −

𝑉𝑠 .𝑉𝐿

|𝑍| . cos(𝜃 + 𝛿) (1)

𝑄 =𝑉𝑠2

|𝑍| . sen 𝜃 −

𝑉𝑠 .𝑉𝐿

|𝑍| . sen(𝜃 + 𝛿) (2)


26

Onde:

𝑽𝑺: tensão na saída do VSI;

𝑽𝑳: tensão no terminal da carga;

Z: impedância da linha entre a saída do inversor e o terminal da carga;

δ: ângulo da tensão no terminal da carga;

𝜽: ângulo da impedância, dado por:

𝐙 = R + jX

𝛉 = 𝐭𝐚𝐧−𝟏 (𝐗

𝐑) (3)

Substituindo as expressões acima e colocando os termos em comum em evidência, as equações

(1) e (2) podem ser reescritas como:

𝑷 =𝑽𝒔

√𝑹𝟐+𝑿𝟐. [𝐕𝐬 . 𝐜𝐨𝐬 𝛉 − 𝐕𝐋 . 𝐜𝐨𝐬(𝛉 + 𝛅)] (4)

𝑸 =𝑽𝒔

√𝑹𝟐+𝑿𝟐. [𝐕𝐬 . 𝐬𝐞𝐧 𝛉 − 𝐕𝐋 . 𝐬𝐞𝐧(𝛉 + 𝛅)] (5)

Fazendo o uso das seguintes identidades trigonométricas:

𝒔𝒆𝒏(𝒂 + 𝒃) = 𝒔𝒆𝒏(𝒂) . 𝐜𝐨𝐬(𝒃) + 𝒔𝒆𝒏(𝒃) . 𝐜𝐨𝐬 (𝒂)

𝒄𝒐𝒔(𝒂 + 𝒃) = 𝒄𝒐𝒔(𝒂) . 𝐜𝐨𝐬(𝒃) − 𝒔𝒆𝒏(𝒂) . 𝐬𝐞𝐧 (𝒃)

pode-se organizar as expressões (4) e (5) da seguinte maneira:

𝑷 =𝑽𝒔

√𝑹𝟐 + 𝑿𝟐. [𝐕𝐬 . 𝐜𝐨𝐬 𝛉 − 𝐕𝐋 . (𝐜𝐨𝐬 𝛅 − 𝐬𝐞𝐧 𝛉. 𝐬𝐞𝐧 𝛅)]

𝑷 =𝑽𝒔

√𝑹𝟐+𝑿𝟐. {𝐜𝐨𝐬 𝛉 . [𝐕𝐒 − 𝐕𝐋. 𝐜𝐨𝐬 𝛅] + 𝐕𝐋 . 𝒔𝒆𝒏 𝜽. 𝒔𝒆𝒏 𝛅} (6)

A tangente da equação (3) nos dá a seguinte informação:

𝒕𝒂𝒏(𝜽) =𝒔𝒆𝒏(𝜽)

𝒔𝒆𝒏(𝜽)=𝑿

𝑹

Então:

𝒔𝒆𝒏(𝜽) = 𝑿

𝒄𝒐𝒔(𝜽) = 𝑹

Logo, a expressão (6) fica:

𝐏 =𝑽𝒔

√𝑹𝟐+𝑿𝟐. [𝑹(𝑽𝒔 − 𝑽𝑳 . 𝐜𝐨𝐬 𝜹) + 𝑿. 𝑽𝑳. 𝒔𝒆𝒏 𝜹] (7)

Analogamente, para a equação da potência reativa:

𝑸 =𝑽𝒔

√𝑹𝟐+𝑿𝟐. [−𝑹.𝑽𝑳. 𝐬𝐞𝐧 𝜹 + 𝑿(𝑽𝒔 − 𝑽𝑳 . 𝐜𝐨𝐬 𝜹)] (8)


27

As equações acima demostram a dependência da tensão de saída e o ângulo δ com as potências

ativa e reativas. Assumindo uma rede de transmissão e de distribuição com característica

predominantemente indutiva, é comum a simplificação das expressões (7) e (8) como sendo X muito

maior que R.

Logo: 𝑅 → 0. Então:

𝐏 =𝑽𝒔

𝑿𝟐. [ 𝑿. 𝑽𝑳. 𝒔𝒆𝒏 𝜹]

𝑸 =𝑽𝒔

𝑿𝟐. [𝑿(𝑽𝒔 − 𝑽𝑳 . 𝐜𝐨𝐬 𝜹)]

A variação do ângulo das tensões entre as duas barras é geralmente pequena. Dessa forma, o

ângulo δ é pequeno e pode-se aproximar o seno deste ângulo a ele mesmo (em radianos) e o cosseno à

unidade.

𝒔𝒆𝒏 𝜹 ≈ 𝜹 e 𝐜𝐨𝐬 𝜹 ≈ 𝟏

Então:

𝐏 =𝑽𝒔

𝐗. 𝑽𝑳. 𝜹

𝑸 =𝑽𝒔

𝐗. (𝑽𝒔 − 𝑽𝑳)

Resolvendo para o ângulo δ e a variação de tensão entre as duas barras são obtidas as expressões

que indicam que a potência ativa deve ser controlada por meio de δ e a potência reativa por meio de𝑽𝒔.

Em outras palavras, nas redes de distribuição com característica indutiva, a potência reativa controla e

tensão no inversor, e a potência ativa controla a frequência do sistema, independentemente. Estas

estratégias são conhecidas como controles Q/V e P/f (BEVRANI, SHOKOOHI, 2013).

𝜹 =𝑿.𝑷

𝑽𝒔.𝑽𝑳; 𝑽𝒔 − 𝑽𝑳 =

𝑿.𝑸

𝑽𝒔 (9)

Agora, considerando as microrredes resistivas que são o foco deste trabalho, a relação X/R é

invertida. As simplificações mencionadas anteriormente nos leva a considerar os controles Q/f e P/V, da

seguinte maneira:

Tomando novamente as equações (7) e (8), agora com X << R:

𝐏 =𝑽𝒔

𝐑. (𝑽𝒔 − 𝑽𝑳 . 𝐜𝐨𝐬 𝜹)

𝑸 = −𝑽𝒔

𝐑. 𝑽𝑳. 𝐬𝐞𝐧𝜹

Ao considerar as mesmas simplificações em relação ao ângulo δ, são obtidas as expressões que

relacionam este parâmetro e a tensão às potências reativa e ativa, respectivamente:

𝜹 =−𝑹.𝑸

𝑽𝒔.𝑽𝑳; 𝑽𝒔 − 𝑽𝑳 =

𝑷.𝑹

𝑽𝒔 (10)


28

As equações (10) e (11) evidenciam a relação entre a potência reativa e o ângulo entre a diferença

entre os terminais e tensão com a potência ativa. A regulação da frequência automaticamente ajusta o

ângulo δ. Portanto, para microrredes resistivas, os controles P/V e Q/f devem ser considerados. Estas

metodologias se baseiam na independência existente entre a tensão e as variações de frequência, enquanto

ambos os parâmetros são dependentes das características do sistema.

Esta filosofia será aplicada considerando um inversor fonte de tensão como a interface entre a

unidade geradora e a microrrede. A Figura 7 ilustra esta configuração e ainda apresenta as variáveis que

serão utilizadas em diante.

Figura 7 - VSI como interface entre a fonte e a rede elétrica

Fonte: VANDOORN et al. (2010) (Modificado).

Onde:

𝑷𝒅𝒄 é a potência no link DC do inversor, gerada pela fonte; 𝑽𝒅𝒄 a tensão no link DC, sustentada pelo

capacitor shunt; 𝑳 e C constituem o filtro LC na saída do inversor; 𝑷, potência ativa fornecida à rede, e;

𝑽𝒈 é a tensão medida nos terminais do inversor, equivalente à tensão na rede no local.

2.5.2. Controle Baseado em Inclinação (Controle Droop)

Os algoritmos de controle dos inversores fontes de tensão da microrrede são baseados no conceito

de inclinação, ou controle droop. Esta técnica permite um compartilhamento automático das potências

ativa e reativa entre os geradores que integram uma microrrede ilhada. (PALIZBAN, 2013 apud

FERREIRA et al. 2015).

Através desta técnica, é possível relacionar as injeções de potências ativa e reativa por meio da

magnitude de tensão e a frequência, respectivamente, conforme descrito nas equações (11) e (12), com os

respectivos comportamentos ilustrados na Figura 7.

𝒇 = 𝒇𝒏𝒐𝒎 − 𝒌𝑷 . 𝑷 (11)

𝑽 = 𝑽𝒏𝒐𝒎 − 𝒌𝑸 . 𝑸 (12)

Carga ou

sistema em

Corrente

Alternada

Fonte de

Energia

(FER)


29

Figura 8 - Representação do Controle Droop.

Fonte: Adaptado de RODRIGUES (2017).

O subíndice “nom” indica os valores nominais dos parâmetros supracitados e 𝒌𝑷 e 𝒌𝑸 são

denominados coeficientes de droop, que determinam a inclinação da reta que representa as relações entre

frequência e potência ativa e tensão na saída do inversor com potência ativa. As potências são calculadas

no referencial “dq”, obtidas a partir de medições trifásicas de tensão e corrente na saída do filtro do inversor

fonte de tensão (FERREIRA et al. 2015).

Os controles droop P/V e Q/f são denominados controles droop resistivos. Através destas relações

é obtida uma tensão de referência senoidal que é utilizada para a lógica de comando dos chaveamentos

inversor fonte de tensão por meio de modulação PWM. A Figura 9 ilustra o controle droop para

determinação da tensão de referência do sistema.

Figura 9 - Determinação da Tensão de Referência através do controle droop.

Fonte: Adaptado de FERREIRA et al. (2015).

Como visto em FERREIRA et al. (2015), diversos autores inserem um controlador proporcional

integral (PI) na saída do inversor baseado em droop. Seu objetivo é minimizar as pequenas perturbações

encontradas em torno do ponto de operação destas técnicas de controle.

2.5.3. Controle da Potência Ativa Gerada


30

Em microrredes ilhadas, é considerado que pelo menos um dos geradores que formam a geração

distribuída possua um controle da tensão no ponto acoplamento com a rede. O controlador da potência

ativa gerada é baseado em duas estratégias, com suas operações dependentes da tensão da microrrede. Em

uma faixa de tensão na rede próxima à nominal, Vandoorn et al. (2010) propõe que apenas um controle

droop 𝑽𝒈/𝑽𝒅𝒄 é aplicado, mantendo a potência gerada constante enquanto a tensão na rede é ajustada em

função da tensão no link DC do inversor.

Se a tensão na microrrede exceder a faixa considerada, é incluído o controle 𝑷𝒅𝒄/𝑽𝒈, que ajusta

da potência no link DC do inversor e evita violações dos limites de tensão na rede. Segundo Vandoorn et

al. (2010), “esta estratégia lida com problemas específicos de microrredes, como a falta de inércia dos

geradores, [...] e, além disso, a tensão no elo CC dos inversores fontes de tensão é um parâmetro local, e

considerando que a frequência na rede é igual a todos os geradores, elimina-se a necessidade de

comunicação entre as unidades geradoras”.

2.5.3.1. O controle droop 𝑽𝒈/𝑽𝒅𝒄:

Este controle é baseado nas capacidades transitórias de armazenamento de energia dos capacitores

do link DC. Um acréscimo da tensão 𝑽𝒅𝒄 indica um excesso de potência ativa gerada 𝑷𝒅𝒄 em relação à

potência consumida. Por outro lado, um decréscimo de tensão 𝑽𝒅𝒄 indica que a fonte de tensão injeta

menor potência do que a rede consome.

Portanto, a tensão no link DC retrata o comportamento do balanço entre a potência ativa gerada e

consumida pelo sistema. O controle droop 𝑽𝒈/𝑽𝒅𝒄 ajusta a tensão da rede proporcionalmente às variações

da tensão no link DC da fonte, 𝑽𝒅𝒄, de acordo com as características da, onde ‘nom’ indica o valor nominal

da tensão na rede.

𝑽𝒈 = 𝑽𝒈,𝒏𝒐𝒎 + 𝒂(𝑽𝒅𝒄 − 𝑽𝒅𝒄,𝒏𝒐𝒎) (13)

Onde 𝒂 é denominado coeficiente droop, que determina a inclinação da reta. Relação esta que

está representada na figura a seguir:


31

Figura 10 - Controle droop 𝑉𝑔/𝑉𝑑𝑐.

Fonte: VANDOORN et al. (2010).

O controle 𝑽𝒈/𝑽𝒅𝒄 retarda a necessidade de ajuste da potência fornecida pelas fontes para o

controle de tensão na rede. Isto é possível ao explorar a capacidade de suporte de potência dos elementos

armazenadores de energia da rede para pequenas variações da tensão na rede, 𝑽𝒈. Por exemplo, pode-se

considerar uma faixa de tensão entre 0,98 e 1,08 pu. (PEÇAS LOPES; MOREIRA; MADUREIRA,

2006) .

2.5.3.2. A estratégia do controle droop 𝑷𝒅𝒄/𝑽𝒈:

Apesar da possibilidade de se ajustar a tensão na rede sem alterar a potência ativa gerada pelas

fontes, para maiores desvios de tensão é necessário realizar ajustes na potência gerada. Entretanto, se esse

ajuste não é feito em todas as unidades geradoras, pode haver elevações de tensão na rede.

O controle 𝑷𝒅𝒄/𝑽𝒈, portanto, utiliza uma técnica droop com inclinação negativa, que determina

a potência ativa gerada com a tensão medida da rede elétrica alimentada pela fonte. Os limites máximo e

mínimo da faixa de tensão tolerável discutidos no droop 𝑽𝒈/𝑽𝒅𝒄 são denominados 𝑽𝒈,𝒖𝒑 e 𝑽𝒈,𝒍𝒐𝒘,

respectivamente. A figura na sequência mostra que este controle só é ativado quando a tensão na rede

extrapola esses limites.

Figura 11 - Controle droop 𝑃𝑑𝑐/𝑉𝑔 em conjunto com o controle 𝑉𝑔/𝑉𝑑𝑐.



32

Um resumo da operação do controle 𝑷𝒅𝒄/𝑽𝒈 é apresentado a seguir:

𝑷𝒅𝒄 =

{

𝑷𝒅𝒄,𝒏𝒐𝒎 − 𝒌(𝑽𝒈 − (𝑽𝒈,𝒏𝒐𝒎 + 𝑽𝒈,𝒖𝒑)) , 𝒔𝒆 𝑽𝒈 > 𝑽𝒈,𝒏𝒐𝒎 + 𝑽𝒈,𝒖𝒑

𝑷𝒅𝒄,𝒏𝒐𝒎, 𝒔𝒆 𝑽𝒈,𝒏𝒐𝒎 − 𝑽𝒈,𝒖𝒑 < 𝑽𝒈 < 𝑽𝒈,𝒏𝒐𝒎 + 𝑽𝒈,𝒖𝒑

𝑷𝒅𝒄,𝒏𝒐𝒎 − 𝒌(𝑽𝒈 − (𝑽𝒈,𝒏𝒐𝒎 + 𝑽𝒈,𝐥𝐨𝐰)) , 𝒔𝒆 𝑽𝒈 < 𝑽𝒈,𝒏𝒐𝒎 − 𝑽𝒈,𝒍𝒐𝒘

(14)

É considerado que a potência 𝑷𝒅𝒄,𝒏𝒐𝒎 é ajustada pela própria fonte de energia e não pelo

algoritmo de controle do inversor fonte de tensão.

A maneira que esta potência é variada depende do tipo de fonte de energia utilizado, o que pode

significar variação de combustível inserido e auxílio de sistemas de armazenamento de energia. Em um

sistema fotovoltaico, por exemplo, o inversor com este algoritmo de controle deve apresentar

no lado DC um capacitor ou bateria, e este conectado ao PV através de um conversor CC-CC.

2.5.4. Controle da Potência Reativa Gerada

Conforme discutido anteriormente, o controle Q/V é amplamente utilizado em redes de energia

elétrica indutivas, contudo, nas microrredes a característica R >> X é predominante. Portanto, uma

variação deste controle é utilizada: o controle droop Q/f.

Conforme BEVRANI e SHOKOOI (2013), “há relação entre a potência reativa e a diferença de

fase δ entre os barramentos do sistema e é afirmado que este ângulo é influenciado pela frequência da

rede.” A figura a seguir mostra o princípio de funcionamento do controle droop Q/f, que determina a

frequência do inversor em função da potência reativa da rede.

Figura 12 - Controle droop Q/f



33

Dependendo da tensão na rede, a potência gerada pelo gerador é ajustada ou permanece constante

ao utilizar o controle 𝑷𝒅𝒄/𝑽𝒈 com as tensões de ajuste do controle 𝑽𝒈/𝑽𝒅𝒄, 𝑽𝒈,𝒖𝒑 e 𝑽𝒈,𝒍𝒐𝒘. Um

controlador da tensão do VSI ajusta o ciclo de trabalho do inversor, com referência na tensão na rede,

determinada pela potência ativa, referenciada na frequência, que por sua vez é determinada pelo

controlador da potência reativa.

2.5.5. Despacho de Demanda

Os sistemas elétricos são comumente projetados para serem sobre dimensionados e atenderem às

condições de picos de demanda. Além disso, a pequena escala de microrredes ilhadas pode apresentar

complicações na sua performance, pois pequenas variações de carga total pode representar variações

significativas no montante total de geração (VANDOORN et al. 2010).

Nas redes convencionais, este problema pode ser resolvido através da variação de parâmetros dos

geradores síncronos, mas em uma microrrede, a imprevisibilidade da geração baseada em FERs, torna

difícil o seu controle. Isto impacta diretamente na estabilidade e segurança do fornecimento de energia

elétrica.

Considerando os controles das potências ativa e reativas geradas discutidos anteriormente, pode-

se considerar que a magnitude da tensão na rede deve variar entre uma faixa tolerável conhecida. Portanto,

uma estratégia de controle de carga deve ser aplicada em situações extremas de geração ou escassez de

energia em uma rede ilhada.

O controle proposto por VANDOORN et al. (2010) funciona de acordo com a figura na

sequência. No caso de uma carga ativa dotada de capacidade de medição da tensão, identificar um nível

abaixo do limite tolerável, esta (dependendo da estratégia de prioridade de cargas) será desligada ou

diminuirá seu consumo. Se o nível de tensão subir novamente, será ligada novamente.

Figura 13 - Implementação da Estratégia de Controle para redução da demanda.



34

Portanto é considerado que a rede tem controle direto sobre as cargas instaladas. Esta metodologia

prioriza a estabilidade e confiabilidade da microrrede em ilha, e não é estudada a aceitação dos

consumidores.

Esta estratégia é executada com o objetivo de aprimorar o balanço entre geração e demanda da

microrrede e é acionada através do nível de tensão na rede, parâmetro comum aos geradores. Isso pode

eliminar a necessidade de comunicação entre os sistemas de controle, pois serão todos controlados com

base no mesmo parâmetro de medição.

3. Implementação do Modelo

Neste item serão apresentados os diagramas que foram implementados em ambiente

SIMULINK® para simular a estratégia de controle proposta por VANDOORN et al. (2010). Grande parte

dos elementos que serão apresentados foram inspirados por trabalhos disponíveis nas bibliotecas do

MATLAB 2017 release b. Em cada um dos casos são feitas as devidas menções aos autores.

3.1. Modelo de Inversor

É considerada uma geração em corrente alternada senoidal com frequência fixa em 60Hz com

tensão nominal diferente da rede. Portanto, é utilizado um transformador estrela aterrado – delta (Y-Δ)

para ligar a geração distribuída ao VSI. Entre o transformador e a fonte é colocado um medidor das

correntes de linha e tensões de fase nas três fases, conforme ilustrado na Figura 14.

Todos os blocos estão implementados na biblioteca Simscape.

Figura 14 - Fonte, medições e transformador estrela-delta.

Fonte: Print-Screen do Simulink.


35

São utilizados dois inversores fontes de tensão (VSI) representados na Figura 15 e ligados por um

capacitor no link DC. Os VSI, conforme comentados ao longo do texto, correspondem a uma ponte

trifásica de tiristores de potência (comumente são utilizados os IGBTs). Na saída do inversor,

VANDOORN et al. (2010) propõe um filtro LC. Novamente, são feitas as medições de tensões de fase e

correntes de linha na saída do inversor.

O terminal de gatilho do VSI receberá os sinais por meio de modulação PWM. A montagem desta

configuração é semelhante à encontrada através do comando “power_ACDCAC_Converter”, no

MATLAB 2017b.

Figura 15 - Inversor AC-DC-AC com Filtro LC na saída


3.1.1. Filtro LC

O filtro LC representado na Figura 16 é composto por um indutor em série e um capacitor em

paralelo. VANDOORN et al. (2010) fez a escolha por um indutor de 2mH e um capacitor de 3uF.

Figura 16 - Filtro LC.



36

3.2. Modulação por PWM

O bloco que realiza a modulação por Pulse-Width Modulation (PWM), Figura 17, recebe um

fasor da tensão senoidal proveniente do bloco de controle do VSI e através da comparação com uma onda

portadora triangular, gera pulsos de comando da comutação dos IGBTs. A frequência escolhida é de 2kHz.

Este bloco é de autoria dos professores Pierre GIROUX e Gilbert SYBILLE, do Laboratório de

Sistemas Elétricos de Potência do Hydro-Québec Research Institute (IREQ), encontrado no modelo

“Three-Phase AD-DC-AC PWM Converter”, disponibilizado no ambiente de troca de arquivos da

MathWorks®.

Figura 17 - Gerador de PWM.

Fonte: Print-Screen do Simulink. Autoria: Pierre GIROUX e Gilbert SYBILLE, Hydro-Québec Research Institute (IREQ).

3.3. Controlador do VSI 1

Novamente, este bloco é de autoria dos professores do Laboratório de Sistemas Elétricos de

Potência do Hydro-Québec Research Institute (IREQ), mas foi alterado para atender às necessidades do

problema. O controle droop está implementado no bloco “VDC Regulator” e presente na Figura 18.


37

Figura 18 - Controlador do VSI_1.

Fonte: Print-Screen do Simulink; Adaptado de: Pierre GIROUX e Gilbert SYBILLE, Hydro-Québec Research Institute (IREQ).

3.4. Microrrede Ilhada

A seguir são apresentados os modelos simplificados de microrredes utilizados por VANDOORN

et al. (2010). São considerados dois sistemas: um simplificado com 5 barras e unidades geradora

atendendo 3 cargas; outro, com 9 barras e 3 unidades geradoras atendendo 6 cargas.

Em ambos os sistemas é considerado que pelo menos uma das fontes seja controlável.

3.4.1. Sistema de 5 Barras

O sistema de 5 barras conta com duas unidades geradoras controladas e três cargas,

com os dados presentes na figura a seguir.


38

Figura 19 – Dados do Sistema de 5 barras.


Para redução do tempo de simulação, mas ainda fornecendo qualidade nos sinais amostrado, o

bloco “Powergui” foi discretizado com o tempo de amostragem 𝑻𝒔 = 𝟐. 𝟏𝟎−𝟔 [s]. O sistema com as

duas unidades geradoras e os breakers que realizar a abertura da rede para simular as variações propostas

estão representados na Figura 21, a seguir.

Figura 20 - Sistema de 5 Barras.



39

3.4.2. Sistema de 9 Barras

O sistema 9 apresenta três unidades geradoras. VANDOORN et al. (2010), Figura 22, definiu que

uma das unidades não é despachável, ou seja, a potência que esta fonte entrega à rede não é controlável,

ou seja, uma vez que está em funcionamento não pode ser ajustada. Outra fonte, por sua vez, é

completamente despachável e 𝑽𝒈,𝒖𝒑 = 𝑽𝒈,𝒍𝒐𝒘 = 𝑽𝒈,𝒏𝒐𝒎; e a terceira fonte possui limites para seu

controle, ou seja, 𝑽𝒈,𝒖𝒑 = 𝟏, 𝟎𝟏 . 𝑽𝒈,𝒏𝒐𝒎 e 𝑽𝒈,𝒍𝒐𝒘 = 𝟎, 𝟗𝟗 . 𝑽𝒈,𝒏𝒐𝒎.

Estas informações e outras importantes em relação à configuração da microrrede são apresentadas

nas Figura 22 e 23.

Figura 21 - Dados do sistema de 9 Barras.



40

Figura 22 - Sistema de 9 Barras



41

4. Apresentação e Discussão dos Resultados

4.1. Carga Constante

Neste primeiro caso, a potência ativa consumida pelas cargas permanece

constante. No tempo t = 0,02 s a fonte geradora é conectada à rede, que está inicialmente

na tensão nominal, ou seja, 230V.

A simulação mostra que, inicialmente, a potência gerada é superior à consumida,

já que a há uma diminuição da tensão Vdc. As potências fornecidas por cada VSI

equilibraram o sistema quando VSI_1 fornecia aproximadamente 2kW e o VSI_2, 3kW.

Devido a essa diferença de potência ativa gerada, as tensões em cada um dos

inversores foram diferentes, no primeiro caso, a tensão se estabilizou em torno de 205V,

e pro segundo inversor, 216V.


42

O controle Vg/Vdc reduziu a tensão na rede até que ambas as tensões

permaneceram constantes, ou seja, até atingir o equilíbrio entre geração e demanda na

microrrede.

5. Considerações Finais

5.1. Contribuição ao Tema

Há poucas publicações que detalham os temas abordados neste trabalho, principalmente na lingua

portuguesa. Esta monografia, portanto, pode servir como material complementar aos que desejam iniciar

o aprofundamento nas teorias de estabilidade e controle da geração em microrredes ilhadas.

5.2. Proposta de Trabalhos Futuros

Sem dúvida, a quantidade de temas e modelos que podem ser implementados ou aprimorados é

inesgotável. Alguns temas que podem se desenvolver a partir das conclusões deste trabalho são:

Consideração de outras formas de geração de energia renovável; Consideração de uma microrrede híbrida,

com geração em corrente contínua e alternada; Consideração das variações dos insumos energéticos

(irradiação solar, velocidade dos ventos, etc.); Validação da vantagem desta metodologia, segundo

VANDOORN et al. (2010), quanto à eliminação da necessidade de comunicação entre as unidades

geradoras;


43

6. Referências Bibliográficas

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