Controle de uma microrrede ilhada baseada em geração eólica-diesel com alto nível de inserção de geração eólica

The insertion of distributed generation units in the electric power systems have contributed to the popularization of microgrid concepts. With the microgrids, several potential benefits can be achieved in regard to power quality and supply reliability. However, several technical challenges related to the control and operation of microgrids, which are associated with high insertion of generation systems based on static converters, must be overcame. Among the opportunities in the context of microgrids, there is the islanded operation of microgrids temporarily disconnected from the electric power systems and also the autonomous operation of geographically isolated microgrids. The frequency in large power systems is traditionally controlled by the generation units based on traditional synchronous generator. The insertion of distributed generation units based on static power converters may bring difficulties to the frequency control in microgrids, due to the reduction of the equivalent inertia of conventional synchronous generators present in islanded and isolated microgrids. In this context, it becomes necessary the proposition of new operational and control strategies for microgrids control, taking into account the presence of distributed generation units based on full-rated converter. This paper proposes an operational and control strategy for the islanded operation of a winddiesel microgrid with high insertion level of wind generation. The microgrid adopted in this study comprises of a wind energy conversion system with synchronous generator based on full rated converter, a diesel generator (DIG) and a dump load. Due to the high insertion level of wind generation, the wind unit operates in Vf mode and the diesel generator operates in PQ mode. The diesel generator and the dump load are used to regulate the DC-link voltage of the wind generation unit. The proposed control allows the islanded operation of the microgrid only with wind generation, wind-only mode (WO), and with wind-diesel generation, wind-diesel mode (WD). For the wind-only mode, with 100% of penetration level of wind generation, it is proposed a DC-link voltage control loop based on the use of a DC dump load. For the winddiesel mode, it is proposed a DC-link voltage control loop added to the diesel generator, which is connected to the AC side of the microgrid, in coordinated action with the dump load. The proposed operational and control strategy does not require the use of batteries and aims to maximize the energy production from wind generation, ensuring the uninterrupted operation of the microgrid. The results have showed that the operational and control strategy allowed the stable operation of the islanded microgrid and that the DC-link voltage control loop added to the diesel generator and the dump load proved to be effective during the typical variations of wind speed and load.

FINEP; Capes; CNPq; Fundação Araucária; SETI; UTFPR

A inserção de unidades de geração distribuída no sistema elétrico de potência tem contribuído para a popularização do conceito de microrrede. Vários benefícios potenciais podem ser alcançados no que tange a qualidade de energia e confiabilidade de fornecimento. No entanto, vários desafios técnicos referentes ao controle e operação de microrredes deverão ser superados, considerando a alta inserção de sistemas de geração baseados em conversores estáticos. Dentre as oportunidades no contexto das microrredes, está a operação ilhada da microrrede no caso de microrredes interconectadas ao sistema elétrico de potência, e também a operação autônoma de microrredes isoladas geograficamente do sistema elétrico de potência. A frequência em sistemas de potência de grande porte é tradicionalmente controlada por unidades de geração síncronas. A inserção de unidades de geração distribuída com conversores estáticos de potência pode trazer dificuldades ao controle de frequência da microrrede devido à redução da inércia equivalente dos geradores síncronos convencionais presentes em microrredes ilhadas autônomas ou isoladas geograficamente. Nesse contexto, se torna necessário que novas estratégias operacionais e de controle sejam propostas para o controle de microrredes, levando em consideração a presença de unidades de geração distribuída baseadas em conversores estáticos de potência plenos. Este trabalho propõe uma estratégia operacional e de controle para a operação ilhada autônoma de uma microrrede com geração híbrida eólica-diesel com elevado nível de inserção da geração eólica. A microrrede adotada no estudo é composta por um sistema de conversão de energia eólica com gerador síncrono baseada em conversor pleno e um gerador síncrono movido a diesel (GDI) e um banco de carga (DL, do inglês, dump load). Devido ao alto nível de inserção da geração eólica, a unidade eólica de geração opera no modo Vf e o gerador diesel no modo PQ. O gerador a diesel e a dump load são empregados para regular a tensão do barramento CC do conversor da unidade eólica. O controle proposto permite a operação ilhada da microrrede somente com a geração eólica, modo somente eólica (SE), e a operação híbrida eólica-diesel, modo eólica-diesel. Para o modo somente-eólica, modo com 100% de inserção da geração eólica, propõe-se uma malha de controle da tensão do barramento CC baseada na utilização de uma dump load CC. Para o modo de operação eólica-diesel propõese uma malha de controle de tensão do barramento CC adicionada ao gerador diesel conectado à microrrede CA com atuação coordenada com a dump load. A estratégia operacional e de controle proposta não requer o uso de baterias e visa maximizar a produção de energia a partir da geração eólica, garantindo a operação ininterrupta da microrrede. Os resultados obtidos demonstraram que a estratégia operacional e de controle permitiu a operação da microrrede ilhada de modo estável e que as malhas de controle da tensão do barramento CC adicionadas ao gerador diesel e à dump load se mostraram eficazes durante as variações típicas de velocidade de vento e de carga.