Controle preditivo baseado em modelo aplicado à conversores eletrônicos para transição suave entre modos ilhado e conectado à rede

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Resumo

Uma microrrede pode operar tanto de forma ilhada e quanto conectada à rede elétrica principal. Para que haja possibilidade de uma microrrede operar nestes dois modos, é fundamental ter um controle de transição adequado e é muito importante que essa transição seja feita de forma contínua e suave. A transição acontece nos momentos de conexão e desconexão da microrrede com a rede principal, onde podem ocorrer problemas como transitórios de sobretensão, subtensão e sinais de frequências variadas presentes no sinal elétrico. Fazer com que essa transição seja suave faz com que esses efeitos negativos sejam evitados a fim de que não haja interrupção de fornecimento de energia elétrica ou danos maiores nas cargas ou demais conversores. Este trabalho apresenta a utilização do Controle Preditivo Baseado em Modelo com Conjunto de Controle Finito (FCS-MPC) e função custo multivariável como metodologia de controle, e o uso de uma resistência virtual para que ambos sejam capazes de contribuir na realização da transição suave entre o modo ilhado e modo conectado à rede de um conversor formador de rede monofásico (CFR). Além disso, a estratégia de controle do conversor utiliza um Filtro Adaptativo Sintonizado (FAS) para realizar as funções de um Phase Locked Loop (PLL) e uma etapa de sincronismo com a rede elétrica principal. Juntamente com o FCS-MPC, o FAS visa garantir uma transição suave durante a conexão ou reconexão quando a rede principal é restabelecida após falha. Por outro lado, o mesmo filtro adaptativo é utilizado para estimar amplitude e frequência da tensão no Ponto de Acoplamento Comum (PCC), que são monitoradas por um algoritmo de detecção de ilhamento, e definir se há ou não condição de ilhamento. O conversor formador de rede e seus algoritmos de controle são simulados em ambiente virtual com o software Matlab/Simulink para avaliar seu comportamento e desempenho com carga RL. Os resultados obtidos em simulação mostram a viabilidade de aplicação do controle FCS-MPC que em conjunto com a resistência virtual e o algoritmo de sincronismo resultam em uma transição suave satisfatória entre os modos de operação. Ainda como etapa deste trabalho foi projetado e montado o hardware do conversor formador de rede à ser controlado por um Processador Digital de Sinais (DSP).

Abstract

A microgrid can operate both as an island and connected to the main grid. In order for a microgrid to operate in these two modes, it is essential to have adequate transition control and it is very important that this transition is made in a continuous and smooth way. The transition takes place at the moments of connection and disconnection of the microgrid with the main grid, where problems such as overvoltage transients, undervoltage and signals of varying frequencies present in the electrical signal can occur. Making this transition smooth means that these negative effects are avoided so that there is no interruption of electricity supply or greater damage to loads or other converters. This work presents the use of Model-Based Predictive Control with Finite Control Set (FCS-MPC) and multivariable cost function as a control methodology, and the use of a virtual resistor so that both are able to contribute to the smooth transition between the islanded mode and grid-connected mode of a single-phase grid forming converter (CFR). In addition, the converter’s control strategy uses a Tuned Adaptive Filter (FAS) to perform the functions of a Phase Locked Loop (PLL) and a step of synchronism with the main electrical grid. Together with FCS-MPC, FAS aims to ensure a smooth transition during connection or reconnection when the main grid is restored after failure. On the other hand, the same adaptive filter is used to estimate voltage amplitude and frequency at the Common Coupling Point (PCC), which are monitored by an islanding detection algorithm, and define whether or not there is an islanding condition. The grid forming converter and its control algorithms are simulated in a virtual environment with the software Matlab/Simulink to evaluate its behavior and performance under RL load. The results obtained in simulation show the feasibility of applying the FCS-MPC control, which together with the virtual resistance and the synchronism algorithm result in a satisfactory smooth transition between the operating modes. As part of this work, the hardware of the grid forming converter was designed and assembled to be controlled by a Digital Signal Processor (DSP).

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OLIVEIRA, G. M. de. Controle preditivo baseado em modelo aplicado à conversores eletrônicos para transição suave entre modos ilhado e conectado à rede. 2022. 112 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Sistemas e Automação) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2022.

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