Proposta de modelos individual e agregado no domínio do tempo para estimação de correntes harmônicas em usinas eólicas e fotovoltaicas

Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2021. Nas análises das distorções harmônicas causadas por fontes renováveis de energia, modelos computacionais são frequentemente empregados para a reprodução de impactos que emergem da interação entre a operação do conversor, as distorções pré-existentes na rede e a impedância harmônica do sistema. De acordo com a literatura atinente, poucos modelos individuais simplificados desenvolvidos no domínio do tempo são capazes de ao mesmo tempo i) estimar com precisão as distorções harmônicas e ii) reduzir o tempo de simulação demandado por modelos detalhados. Além disso, é possível observar na literatura uma lacuna no tocante a modelos equivalentes capazes de representar o comportamento harmônico de múltiplos inversores em usinas renováveis de grande porte. Nesse contexto, este trabalho apresenta uma proposta de modelo average harmônico (HM – do inglês harmonic average model) para a reprodução de unidades inversoras, e uma proposta de modelo harmônico agregado (AHM – do inglês aggregated harmonic model) para a estimação de correntes harmônicas geradas por múltiplos inversores em plantas eólicas e fotovoltaicas. No processo de concepção do HM, o princípio da superposição é aplicado em um modelo médio para a inclusão dos efeitos do tempo morto e do chaveamento dos conversores. No processo de montagem do AHM, emprega-se o HM para a representação da usina por meio de um único gerador e, em seguida, aplica-se o método de agregação de circuitos coletores desenvolvido pelo National Renewable Energy Laboratory (NREL). Da análise dos resultados das simulações computacionais executadas, é possível constatar que as formas de onda e os espectros harmônicos produzidos pelo HM e pelo AHM são aderentes àqueles proporcionados por modelos detalhados e medições reais. Cabe ressaltar que os métodos propostos são modelos genéricos rápidos e relativamente simples de serem implementados. Com isso, conclui-se que estes modelos podem ser empregados por operadores de sistemas elétricos para estimar as correntes harmônicas produzidas por inversores e, paralelamente, para analisar os impactos das fontes renováveis na qualidade e estabilidade da energia elétrica. In the analyses of harmonic distortions caused by renewable energy sources, computational models are required to reproduce the impacts that emerge from the interaction between the converter operation, background distortions, and harmonic grid impedance. According to the literature, few simplified time-domain individual models can simultaneously i) estimate harmonic currents and ii) reduce the computation time demanded by detailed models. Further, it is possible to observe a gap in the literature regarding equivalent models used to represent the harmonic behavior of multiple inverters in large-scale power plants. This work proposes a harmonic average model (HM) to represent individual inverters and an aggregated harmonic model (AHM) to estimate the harmonic currents generated by multiple converters in wind power plants and photovoltaic systems. For the HM, we apply the superposition principle in an average model to include dead time and switching effects. For the AHM, we use the HM to reproduce the entire plant as a single-machine topology and employ the National Renewable Energy Laboratory (NREL) method for equivalencing the collector system. Based on the simulation results, we verify that the waveforms and harmonic spectra produced by the HM and AHM are in accordance to those generated by detailed models and real-world measurements. It is worth mentioning that the proposed method provides generic models that are fast and relatively simple to deploy. These results show that the HM and AHM are suitable to predict harmonic currents of inverters. Further, these models investigate the impacts of renewable energy sources on power quality and system stability.