Controle coordenado em microrredes de baixa tensão baseado no algoritmo power-based control e conversor utility interface

Orientadores: José Antenor Pomilio, Fernando Pinhabel MarafãoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Esta tese apresenta uma possível arquitetura e sua respectiva estratégia de controle para microrredes de baixa tensão, considerando-se a existência de geradores distribuídos pela rede. A técnica explora totalmente a capacidade dos geradores distribuídos em ambos os modos de operação: conectado à rede e ilhado. Quando conectado à rede, sob o modo de otimização global, o controle busca a operação quase ótima da microrrede, reduzindo as perdas de distribuição e os desvios de tensão. Quando em modo ilhado, a técnica regula de forma eficaz os geradores distribuídos disponíveis, garantindo a operação autônoma, segura e suave da microrrede. A estratégia de controle é aplicada a uma estrutura de microrrede completamente despachável, baseada em uma arquitetura de controle mestre-escravo, em que as unidades distribuídas são coordenadas por meio do recém-desenvolvido algoritmo Power-Based Control. As principais vantagens da arquitetura proposta são a expansividade e a capacidade de operar sem sincronização ou sem conhecimento das impedâncias de linha. Além disso, a microrrede regula as interações com a rede por meio do conversor chamado de Utility Interface, o qual é um inversor trifásico com armazenador de energia. Esta estrutura de microrrede permite algumas vantagens como: compensação de desbalanço e reativo, rápida resposta aos transitórios de carga e de rede, e suave transição entre os modos de operação. Em contrapartida, para compartilhar a potência ativa e reativa proporcionalmente entre as unidades distribuídas, controlar a circulação de reativos, e maximizar a operação, a comunicação da microrrede requer em um canal de comunicação confiável, ainda que sem grandes exigências em termos de resolução ou velocidade de transmissão. Neste sentido, foi demonstrado que uma falha na comunicação não colapsa o sistema, apenas prejudica o modo de otimização global. Entretanto, o sistema continua a operar corretamente sob o modo de otimização local, que é baseado em um algoritmo de programação linear que visa otimizar a compensação de reativos, harmônicos e desbalanço de cargas por meio dos gerador distribuído, particularmente, quando sua capacidade de potência é limitada. Esta formulação consiste em atingir melhores índices de qualidade de energia, definidos pelo lado da rede e dentro de uma região factível em termos de capacidade do conversor. Baseado nas medições de tensão e corrente de carga e uma determinada função objetiva, o algoritmo rastreia as correntes da rede ótima, as quais são utilizadas para calcular os coeficientes escalares e finalmente estes são aplicados para encontrar as referências da corrente de compensação. Finalmente, ainda é proposta uma técnica eficiente para controlar os conversores monofásicos conectados arbitrariamente ao sistema de distribuição trifásico, sejam conectados entre fase e neutro ou entre fase e fase, com o objetivo de compensar o desbalanço de carga e controlar o fluxo de potência entre as diferentes fases da microrrede. Isto melhora a qualidade da energia elétrica no ponto de acoplamento comum, melhora o perfil de tensão nas linhas, e reduz as perdas de distribuição. A arquitetura da microrrede e a estratégia de controle foi analisada e validada através de simulações computacionais e resultados experimentais, sob condições de tensão senoidal/simétrica e não-senoidal/assimétrica, avaliando-se o comportamento em regime permanente e dinâmico do sistema. O algoritmo de programação linear que visa otimizar a compensação foi analisado por meio de resultados de simulaçãoAbstract: This thesis presents a flexible and robust architecture and corresponding control strategy for modern low voltage microgrids with distributed energy resources. The strategy fully exploits the potential of distributed energy resources, under grid-connected and islanded operating modes. In grid-connected mode, under global optimization mode, the control strategy pursues quasi-optimum operation of the microgrid, so as to reduce distribution loss and voltage deviations. In islanded mode, it effectively manages any available energy source to ensure a safe and smooth autonomous operation of the microgrid. Such strategy is applied to a fully-dispatchable microgrid structure, based on a master-slave control architecture, in which the distributed units are coordinated by means of the recently developed power-based control. The main advantages of the proposed architecture are the scalability (plug-and-play) and capability to run the distributed units without synchronization or knowledge of line impedances. Moreover, the proposed microgrid topology manages promptly the interaction with the mains by means of a utility interface, which is a grid-interactive inverter equipped with energy storage. This allows a number of advantages, including compensation of load unbalance, reduction of harmonic injection, fast reaction to load and line transients, and smooth transition between operating mode. On the other hand, in order to provide demand response, proportional power sharing, reactive power control, and full utilization of distributed energy resources, the microgrid employs a reliable communication link with limited bit rate that does not involve time-critical communications among distributed units. It has been shown that a communication failure does not jeopardize the system, and just impairs the global optimization mode. However, the system keeps properly operating under the local optimization mode, which is managed by a linear algorithm in order to optimize the compensation of reactive power, harmonic distortion and load unbalance by means of distributed electronic power processors, for example, active power filters and other grid-connected inverters, especially when their capability is limited. It consists in attain several power quality performance indexes, defined at the grid side and within a feasible power region in terms of the power converter capability. Based on measured load quantities and a certain objective function, the algorithm tracks the expected optimal source currents, which are thereupon used to calculate some scaling coefficients and, therefore, the optimal compensation current references. Finally, the thesis also proposes an efficient technique to control single-phase converters, arbitrarily connected to a three-phase distribution system (line-to-neutral or line-to-line), aiming for reduce unbalance load and control the power flow among different phases. It enhances the power quality at the point-of-common-coupling of the microgrid, improve voltage profile through the lines, and reduce the overall distribution loss. The master-slave microgrid architecture has been analyzed and validated by means of computer simulations and experimental results under sinusoidal/symmetrical and nonsinusoidal/asymmetrical voltage conditions, considering both the steady-state and dynamic performances. The local optimization mode, i.e., linear algorithm for optimized compensation, has been analyzed by simulation resultsDoutoradoEnergia EletricaDoutor em Engenharia Elétrica2012/24309-8, 2013/21922-3FAPES