Comparative analysis of techniques to emulate synchronous machines in grid-connected converters

Abstract

O crescente número de unidades microgeradoras de energia elétrica, sobretudo a partir de fontes primárias renováveis, tais como eólica e fotovoltaica, motivou o estudo de diversas questões relacionadas ao funcionamento destes sistemas. Tanto no contexto de conexão com a rede principal quanto em sua operação ilhada, estes microgeradores, que utilizam conversores eletrônicos de potência como elemento de conexão entre fonte primária e rede, ainda apresentam desafios tecnológicos que vão da topologia do conversor às técnicas de controle implementadas. Diversos níveis de controle são apresentados na literatura. Denomina-se controle primário o algoritmo responsável por controlar o fluxo de potências ativa e reativa entre conversor e rede. Dentre as técnicas mais difundidas de controle primário estão o controle por droop, o Virtual Synchronous Machine - VISMA, o Virtual Synchronous Generator - VSG e o synchronverter. O primeiro é sem dúvida o mais simples e mais utilizado, enquanto que os demais apresentam vantagens derivadas da máquina síncrona, tais como inércia virtual e coeficiente de fricção. A principal diferença entre o VISMA, o VSG e o synchronverter é que o primeiro se aplica a conversores controlados em corrente, ao passo que VSG e synchronverter operam como conversores fontes de tensão. Neste trabalho é realizada uma revisão bibliográfica sobre os modos de operação de conversores em geração distribuída e microrredes, os níveis hierárquicos de controle, os requisitos de geração distribuída e as técnicas de controle primário. Em seguida, o foco volta-se especificamente para uma análise unificada do synchronverter, do VSG e dos conversores controlados por droop por meio de um modelo de pequenos sinais. Nesta etapa chegou-se a um modelo de alta acurácia quando comparado com o modelo dinâmico. A comparação entre as técnicas foi possível através da equivalência de ganhos, desenvolvida também neste trabalho. Os resultados de simulação e experimentais mostraram que para uma considerável faixa de ganhos, os conversores estudados apresentam resposta dinâmica similar, porém o synchronverter permite uma faixa mais extensa de ganhos na região estável. Continuando a busca por contribuições aos conversores que emulam a máquina síncrona, a tese aborda o problema da resiliência do synchronverter trifásico frente a afundamentos desequilibrados e desequilíbrio de tensão na rede elétrica, apresentando uma proposta denominada positive-negative sequence synchronverter with enhanced fault ride-through capability for AC grid (um synchronverter de sequência positiva e negativa com resiliência aumentada frente a desequilíbrio de tensão). Inspirada no teorema de Fortescue, a técnica permite limitar a corrente de saída do conversor, reduzir oscilações nas potências e evitar desligamento inesperado do conversor quando submetido a afundamentos desequilibrados e desequilíbrio de tensão. O controle de fluxo de potência para conversores monofásicos emulando a máquina síncrona também é explorado no trabalho. A proposta é uma adaptação do já existente synchronverter, concebido inicialmente para aplicações trifásicas. Resultados de simulação ilustram o desempenho da técnica proposta no modo conectado à rede, incluindo condições de afundamento de tensão e distorções harmônicas, além do modo isolado.