Compartilhamento de potência em uma microrrede ilhada a partir do controle droop e droop reverso

Abstract

Resumo: Microrredes são aglomerados de fontes de geração distribuída, cargas e sistemas de armazenamento de energia que operam como um único sistema controlável, fornecendo energia para os consumidores locais. São capazes de operar de forma ilhada ou conectadas uma rede distribuição. Na sua operação ilhada, a microrrede é responsável não apenas pela regulação da sua de tensão e frequência, mas também pelo compartilhamento de potência entre os diferentes recursos energéticos distribuídos disponíveis. O presente trabalho propõe analisar o compartilhamento de potência entre inversores de tensão (voltage source inverters - VSIs) em uma microrrede ilhada, a partir de métodos de controle descentralizado (métodos baseados no controle droop), considerando diferentes modos de operação dos inversores. Foi realizada uma análise comparativa de duas arquiteturas de controle, levando em consideração o desempenho no compartilhamento de potência e a capacidade de regulação da frequência e tensão. A primeira arquitetura consiste no paralelismo dois VSIs operando no modo tensão (voltage-controlled voltage source inverter – VCVSI), utilizando o controle droop para o compartilhamento de potência. Na segunda configuração, um dos VSIs opera como um VCVSI, enquanto o outro é controlado no modo corrente (current-controlled voltage source inverter – CCVSI). Nesse arranjo, foram utilizados os métodos de controle droop e controle droop reverso, responsáveis pelo compartilhamento de potência entre os dois. Em ambas as configurações, o controle foi implementado sem comunicação entre os inversores. O comissionamento e o controle das microrredes foi realizado a partir de um controlador lógico programável (CLP). A microrrede em estudo é uma instalação física montada no laboratório de microrredes do Departamento de Engrenharia Elétrica (DELT) da Universidade Federal do Paraná. Os resultados experimentais mostraram que, no paralelismo entre dois VCVSIs, a microrrede ilhada opera de forma estável, com a tensão e frequência variando dentro dos limites do controle droop. Os dois VSIs foram capazes de compartilhar a potência, com cada um recebendo ou fornecendo uma potência proporcional ao percentual do coeficiente droop configurado. Na configuração que envolve VCVSI em paralelo com CCVSI, o CCVSI foi projetado para ter uma resposta mais lenta em comparação ao VCVSI durante variações de potência. Nos estados estacionários, o compartilhamento de potência teve um desempenho semelhante ao da configuração com dois VCVSIs. No entanto, durante os transitórios, a configuração com dois VCVSIs apresenta a vantagem de não ter o atraso de um dos inversores na resposta à entrada ou saída de carga

Abstract: Microgrids are clusters of distributed generation sources, loads, and energy storage systems operating as a single controllable system, providing energy to local consumers. They can operate in island mode or connected to the grid. In island mode, the microgrid is responsible for regulating both its voltage and frequency, as well as managing power sharing among the various distributed energy resources available. This study proposes to analyze the power sharing among voltage source inverters (VSIs) in an islanded microgrid using decentralized control methods (droop-based methods), considering different operating modes of the inverters. A comparative analysis of two control architectures was conducted, taking into account the performance in power sharing as well as the capability to regulate frequency and voltage. In the first architecture, power sharing between two voltage-controlled voltage source inverters (VCVSIs) was examined using the droop control method. In the second configuration, one inverter operates as a VCVSI while the other functions as a current-controlled voltage source inverter (CCVSI). This configuration employs both droop control and reverse droop control for power sharing. In both configuratios, the control was implemented without the use of communication between the inverters. The commissioning and control of the microgrids was carried out using a programmable logic controller (PLC). The microgrid under study is a physical installation set up in the microgrid laboratory of the Electrical Engineering Department (DELT) at the Federal University of Paraná. The experimental results showed that, for power sharing between the two VCVSIs, the islanded microgrid operates stably, with voltage and frequency variations remaining within the limits set by the droop control. Each inverter received power proportional to its configured droop coefficient. In the configuration involving a VCVSI in parallel with a CCVSI, the CCVSI was designed to have a slower response compared to the VCVSI during power variations. In steady-state conditions, the power sharing demonstrated a performance similar to that of the configuration with two VCVSIs. However, during transients, the configuration with two VCVSIs has the advantage of not experiencing the delay of one of the inverters in response to load changes