Estudo e desenvolvimento de métodos de controle para microrredes CA ilhadas e conectadas à rede elétrica

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O objetivo deste trabalho é estudar as microrredes CA, seus métodos de controle e seus modos de operação: ilhado e conectado à rede elétrica. Inicialmente, é feita uma apresentação geral. A história das microrredes é contada brevemente e, em seguida, seu desenvolvimento recente é considerado. Os principais conceitos são tratados. Os diversos componentes que constituem uma microrrede são detalhados. Seguem investigações sobre os controles e as arquiteturas das microrredes. Normas sobre o assunto são debatidas. São ainda exploradas as relações existentes entre as microrredes, a qualidade da energia, os serviços ancilares e as redes elétricas inteligentes. Após esta abordagem universal, as técnicas de controle para operações ilhada e conectada à rede tornam-se o foco do trabalho. Para as microrredes ilhadas, os requisitos e as propostas de controle são comentados. Os controles internos, formados por controladores Proporcional-Ressonante, têm suas estruturas delineadas. O modo ilhado só é possível pelo emprego do controle primário, que permite o paralelismo dos inversores e o compartilhamento de potências. Para o presente trabalho, o método de controle droop convencional é o escolhido para tanto. Ele realiza estas funções de forma simples, flexível e sem comunicação. Uma microrrede CA monofásica é, então, descrita e projetada, servindo para análise dos dois modos de operação. Resultados de simulação computacional mostram a eficácia dos controles para diferentes regimes de funcionamento, como variações de carga, falha em inversores e rejeição de carga. Algumas dificuldades do modo ilhado, como desvios de frequência e de tensão e limitação no equilíbrio energético, são sanadas no modo conectado à rede, que é o último tópico do trabalho. Todas as condições para a conexão da microrrede à rede de distribuição são discutidas. Os elementos que fazem a ligação entre os dois sistemas, as técnicas de sincronização e a chave de interconexão, são avaliados. Uma revisão bibliográfica sobre as técnicas de controle para este modo é feita. Finalmente, como contribuição principal do trabalho, é proposto um método de controle para sincronização, transição suave e conexão da microrrede à rede elétrica. A técnica permite o controle completo do fluxo de potências ativa e reativa entre a microrrede e a rede de distribuição, sendo feito individualmente para cada conversor. Simulações computacionais conferem e corroboram a proposta de método de controle. A sincronização é realizada para diferentes situações de ângulo de fase, de frequência e de amplitude da tensão da rede elétrica. A transição suave é verificada. Importação e exportação de potências, mudanças de carga, saída de unidades, alteração individual de produção e correção do fator de potência são algumas das conjunturas examinadas. O retorno ao modo ilhado também é exibido. Otimização de processos, criação de um mercado de energia, aprimoramento da qualidade da energia, provimento de serviços ancilares e mitigação de impactos ambientais são alguns dos recursos disponíveis pelo controle e conexão entre os dois sistemas. The objective of this work is to study AC microgrids, their control methods and their operation modes: islanded and grid-connected. Initially, a general presentation is made. The history of microgrids is briefly told and then their recent development is considered. The main concepts are dealt with. The many components that constitute a microgrid are detailed. Investigations on microgrids controls and architectures are followed. Standards about the subject are debated. The existing relationships among microgrids, power quality, ancillary services and smart grids are explored. After this universal approach, the control techniques for islanded and grid-connected operations become the work focus. For islanded microgrids, the requirements and the control proposals are commented. The inner controls, formed by Proportional-Resonant controllers, have their structures outlined. The islanded mode is only possible by the employment of the primary control that permits the parallel operation of inverters and the power sharing. For the present work, the conventional droop control method is the chosen one for this. It performs these functions in a simple, fast, flexible and without communication way. A single-phase AC microgrid is then described and designed, serving for analysis of the two modes of operation. Computational simulation results show the controls efficiency for the different working regimes, like load variations, inverters failures and load shedding. Some of the islanded mode difficulties, like frequency and voltage deviations and limitations on the power equilibrium, are healed in the grid-connected mode, which is the last topic of the work. All the conditions for the connection of a microgrid to the distribution grid are discussed. The elements that make the connection between the two systems, the synchronization techniques and the interconnection switch, are evaluated. A bibliographic revision about the control techniques for this mode is made. Finally, as the main contribution of this work, it is proposed a control method for synchronization, seamless transfer and connection of the microgrid to the power grid. The technique allows the complete active and reactive powers flow control between the microgrid and the distribution grid, being done individually for each converter. Computational simulations check and corroborate the control method proposed. The synchronization is realized for different grid phase-angle, frequency and voltage magnitude situations. The seamless transfer is verified. Power import and export, load changes, units exit, individual changes of production and power factor correction are some of the examined conjunctures. The return to the islanded mode is also exhibited. Process optimization, creation of an energy market, power quality enhancement, ancillary services provision and mitigation of environmental impacts are some of the available resources by the control and connection of the two systems. Dissertação (Mestrado)