2012 - controle e detecção de ilhamento em sd - cassius aguiar

7/26/2019 2012 - Controle e Deteco de Ilhamento Em SD - Cassius Aguiar

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Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automtica, CBA 2012.

ISBN: 978-85-8001-069-5

CONTROLEEDETECODEILHAMENTOEMSISTEMASDEGERAODISTRIBUDACONECTADOSEMREDESDEDISTRIBUIO

CASSIUS R.AGUIAR*,RODOLPHO V.A.NEVES*,GIANN B.REIS*,RENAN F.BASTOS*,RICARDO Q.MACHADO*

*Laboratrio de Fontes Alternativas e Processamento de Energia - LAFAPE, Departamento de

Engenharia Eltrica - EESC, Universidade de So Paulo, Avenida Trabalhador So-carlense, 400,13566-590, So Carlos, SP, Brasil

E-mails: [email protected], [email protected], [email protected],[email protected], [email protected]

Abstract-This paper presents a study of the interactions of distributed generation connected to the main grid under islandingcondition. In this paper are described two control algorithms, namely, grid-connected operations and islanding operations. In ad-dition, an algorithm is presented in order to obtain a method to identify islanding situation.

Keywords -Islanding, distributed generation, resonant controller, PLL.

Resumo -Este trabalho apresenta a anlise de um sistema de gerao distribuda e suas interaes quando conectado a rede dedistribuio, principalmente sob contingncia do tipo ilhamento. Neste trabalho, so apresentados dois modos de operao para

sistemas de gerao distribuda, um associado gerao distribuda conectada a rede de distribuio e outro desconectado sob acondio de ilhamento. Alm disso, um algoritmo antiilhamento apresentado para deteco desta contingncia.

Palavras-chave -Ilhamento, gerao distribuda, controle ressonante, PLL.

1 Introduo

O interesse na investigao de estruturas que pos-sibilitem a integrao de fontes alternativas de ener-gia como forma de gerao tem sido incentivado porrgos reguladores e pelo Ministrio de Minas eEnergia com o intuito de minimizar os efeitos dacrise energtica. Dessa forma, a conexo de sistemas

de gerao distribuda (GD) que utilizam conversoresDC-AC est sendo alvo de pesquisas com a finalida-de de promover solues para os problemas de insta-

bilidade e deteco de contingncias quando sistemasde GD operam conectados em redes de distribuio.

Neste contexto, um requisito importante para a in-tegrao de sistemas de GD em redes de distribuio a capacidade do sistema em detectar a condio deilhamento. Esse fenmeno ocorre quando o sistemade GD continua a entregar potncia rede de distri-

buio mesmo quando o fluxo de potncia da redeprincipal interrompido, podendo causar danos aosoperadores da linha que realizam manuteno, aosequipamentos da unidade de GD e prpria cargaque se encontra no sistema ilhado (IEEE, 2000),(Kim, Jeon, Choi, & Kim, 2011).

Mtodos antiilhamento (AI) podem ser classifica-dos como passivos e ativos. Mtodos passivos moni-toram os parmetros do sistema continuamente, talcomo frequncia, magnitude da tenso, distoroharmnica, etc. Neste mtodo, ajustando limites devariao aos parmetros, possvel diferenciar quan-do a GD est conectada rede de distribuio. Atcnica de proteo de sub/sobre freqncia utilizalimites superior e inferior, os quais so ajustados em60,5 e 59,3 Hz, respectivamente (Vahedi, Noroozian,Jalilvand, & Gharehpetian, 2011), (Zeineldin &Kirtley, 2009). J na tcnica passiva de sub/sobretenso os limites so ajustados em 110% e 88% do

valor da tenso nominal, respectivamente (Vahedi,Noroozian, Jalilvand, & Gharehpetian, 2011),(Zeineldin & Kirtley, 2009). Mtodos passivos AI

possuem grandes regies de no deteco NDZs

(Non-Detection Zones) (Zeineldin & Kirtley, 2009).J os mtodos ativos, baseados em realimentao

positiva, so projetados no sentido de desestabilizar aGD no momento em que a condio de ilhamento

estiver estabelecida. Estes mtodos inserem, continu-amente, uma realimentao positiva na GD paratornar o sistema instvel no momento de desconexo(Kim, Jeon, Choi, & Kim, 2011). A principal vanta-gem est associada a sua pequena NDZ quando com-

parada aos mtodos passivos. Contudo, os mtodosativos injetam distrbios continuamente no sistemade GD degradando a qualidade de energia fornecida

pelo conversor (Estbanez, Moreno, Pigazo, Liserre,& Dell'Aquila, 2011).

Neste trabalho, o sistema de GD trabalha no modoconectado com controle em potncia, de forma acontrolar a corrente fornecida pela GD no ponto de

acoplamento comum (PCC). Contudo, quando a redefor desconectada e a condio de ilhamento for de-tectada, o sistema passar a trabalhar no modo ilhadocom controle da tenso no PCC.

O trabalho est estruturado da seguinte forma: Aseo II apresenta a estratgia de controle, sendo aanlise de estabilidade para operao no modo ilhadoapresentada na seo III. J a seo IV apresenta atcnica ativa utilizada para deteco do ilhamento.Finalmente as sees V e VI apresentam os resulta-dos e a concluso do trabalho, respectivamente.

2 Estratgia de controle

2.1

Operao no modo conectado

O diagrama do controle em potncia para o siste-ma de GD conectado na rede de distribuio est
http://cba2012.dee.ufcg.edu.br/


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representado na Figura 1. Neste modo, o controladorapresentado projetado de tal forma a fornecer po-tncia constante no PCC. Onde a corrente desada do conversor de potncia, e so as corren-tes descritas no eixo girante dq obtidas atravs datransformao de Park. O algoritmo de sincronizaoPLL (phase locked loop) usado para determinar afrequncia e o ngulo de referncia no PCC (Chama-na & Bayne, 2011), (Noroozian, Gharehpetian, Abe-di, & Mahmoodi, 2010).

Observando que a potncia de referncia ativa e ano ativa do conversor de potncia e ,respectivamente, e pelo fato de , tm-se:

(1)

(2)

As equaes (1) e (2) representam o controle nomodo conectado (Chamana & Bayne, 2011),(Noroozian, Gharehpetian, Abedi, & Mahmoodi,2010). Onde determinado por e determi-nado por . Como resultado, o controle de e desacoplado.

Pdqiq idvq

iq_refid_ref

Qdq_refPdq_ref

vd

vq_refvd_ref

Regulador

corrente (dq)

Regulador

potncia (dq)

ABC

dq0

+-

+-

+-

+-

+-

+-

Qdq


Figura 1: Diagrama do controle no modo conectado

As correntes de sada e so comparadas comas correntes de referncia e , respectiva-mente. Isto gera um erro de corrente no qual regu-lado por um controlador do tipo PI que fornece astenses de referncia ao conversor. A fim de obteruma boa resposta dinmica, e so realimenta-dos. Isto feito, pois a tenso do conversor tratadacomo um distrbio, e por este motivo a realimenta-o empregada de forma a melhorar a respostadinmica (Balaguer, Lei, Yang, Supatti, & Peng,2011).

As tenses de referncia e so trans-formadas em coordenadas abc pela transformadainversa de Park e so utilizadas como ndices demodulao do conversor de potncia (Balaguer, Lei,Yang, Supatti, & Peng, 2011).

2.2 Operao no modo ilhado

A malha fechada do controle da tenso para a ope-rao do conversor no modo ilhado exibido naFigura 2. Considerando que o objetivo no modoconectado controlar a corrente no PCC, o objetivodo controle no modo ilhado controlar a tenso ter-

minal do conversor de potncia.

O controlador representado em coordenadas 0.A converso para coordenadas 0 pode serobtida a partir da transformao linear T0(3).

(3)

Devido alta potncia e a necessidade de reduzir afrequncia de chaveamento, o controlador de tensoexibe uma baixa banda de regulagem (poucos Hertz).Com o objetivo de resolver esta deficincia, o contro-lador ressoante (Gajanayake, Vilathgamuwa, Loh,Teodorescu, & Blaabjerg, 2009) posicionado em

paralelo com o PI de tenso convencional para redu-zir a impedncia do conversor e compensar no line-aridades (Machado, Buso, & Pomilio, A Line-Interactive Single-Phase to Three-Phase ConverterSystem, 2006), (Machado, Gonalves, Buso, &

Pomilio, 2009).

v_ref

v_ref

vvi i

i_ref

i_ref

v v

v_refv_ref

Regulador de

corrente ()

Regulador de

tenso ()

ABC

0

+-

+-

+-

+- +

-

+-

Operao no modo ilhado

+

+

Fundamental+

3a; 5a; 7a; 11a

Controle ressonante

Figura 2: Diagrama de controle no modo ilhado.

A idia bsica do controlador ressonante intro-duzir um ganho infinito na frequncia de ressonnciadesejada, de forma a eliminar o erro de regime per-manente. conceitualmente similar a um integradorcujo ganho DC infinito fora o erro de regime per-

manente a zero (Teodorescu, Blaabjerg, Liserre, &Loh, 2006).

2.3 Algoritmo de sincronizao

A proposta do algoritmo de sincronizao sinte-tizar, a partir das variveis internas do PLL , ,uma senide de amplitude unitria ( ), a qual emcondies de regime permanente deve ser ortogonalem relao fundamental da tenso medida(Marafo, 2004). Desta forma, o valor mdio do

produto escalar entre a tenso medida e a senidegerada digitalmente, deve convergir para zero. A

funo teta, a qual define o argumento utilizado parasintetizar a senide unitria , obtida integrandoa varivel de sada do regulador PI, ou seja, a fre-quncia da rede ( ) dada em rad/s (Marafo, 2004).O modelo utilizado mostrado na Figura 3.

r min

pll

max

_

_ +

p p l l

i p ll

kk

s

Produto interno

Filtro passa

baixa

+

+

u

mv

Sin()

GLP

1

1 sTa+

1

s

uvm

Figura 3: PLL.


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Neste modelo, o sinal de tenso , diretamenteamostrado a partir da rede de distribuio e um sinalortogonal gerado pelo algoritmo PLL quando asincronizao ativada. A mdia do produto escalar

calculada e comparada a um sinal de refern-cia nulo (condio de ortogonalidade), sendo que adiferena destes dois sinais gera um erro que intro-duzido ao controlador PI. A sada do controlador PI a frequncia fundamental de . Esta frequn-cia integrada de forma a se obter a funo

do sinal ortogonal sintetizado.Considerando um sistema discreto, necessrio

adicionar o atraso associado discretizao, onde o perodo amostrado. Como a freqncia nominal conhecida, o sinal utilizado como valorde inicializao a fim de melhorar a resposta dinmi-ca.

A frequncia e a fase gerada pelo algoritmo desincronizao so usadas para sintetizar o sinal (4), o

qual proporcional (em fase) ao sinal fundamentalda rede de distribuio.

(4)

A estrutura monofsica discutida pode ser genera-lizada a uma estrutura trifsica mostrada na Figura 4.A estrutura do controle trifsico para as funes detransferncia de malha aberta e fechada so idnticasao modelo monofsico (Marafo, 2004), (Padua,Deckmann, Sperandio, Marafo, & Colon, 2007).

+

Figura 4: Generalizao da estrutura monofsica.

3 Anlise e estabilidade do controle

De modo a analisar o impacto da GD desconecta-da da rede de distribuio, a anlise de estabilidadedo controle proposto apresentada. Neste modo, ocontrole de tenso trabalha em coordenadas

A malha do controle de tenso para operao no

modo ilhado apresentada na Figura 5.

-PWM

1

loadz

_ errorv _ refi

iH

vH

-pi

ii

KK

s+

1convsL

1convsC-

_ convv

Controlador de corrente

_ refv

v i

_ convi

pv

iv

KK

s+

Figura 5: Diagrama de controle no modo ilhado.

Como discutido na seo 2, as deficincias que ocontrolador de tenso apresenta so solucionadas

posicionando em paralelo um controlador ressoantecomo representado na Figura 6. A forma geral do

controlador ressonante encontrada em (5) onde( ) a freqncia angular de ressonncia e ( ) oganho do controlador ressonante (Buso & Mattavelli,

2006), (Mattavelli, 2001), (Teodorescu, Blaabjerg,Liserre, & Loh, 2006), (Blaabjerg, Teodorescu,Liserre, & Timbus, 2006).

(5)

No entanto, pode ser expandido para com-pensao de mltiplas harmnicas. Uma simplesabordagem para a compensao de harmnicos defrequncia a introduo de um filtro ressonante

para cada harmnico a ser compensada. Com issotorna-se:

(6)

Onde o conjunto de harmnicos selecionados e a ordem do harmnico.

+ p

i

KK

s-

_ refv _ refi

Fundamental

Compensador

de harmnicos

_ errorv

2

0

2

2

s

ski

202 3

2

s

skih

202

2

hs

skih

v

Figura 6: Controle ressonante.

O diagrama de magnitude e de fase resultante dafuno de transferncia usando e compen-sando a fundamental (60Hz), 3a, 5 a, 7ae 11 aharm-nicos esto apresentados na Figura 7.

Figura 7: Diagrama de Bode para o controle no modo ilhado.

J para o algoritmo de sincronizao a funo nolinear apresentada na Figura 3 pode ser simplificadaa uma estrutura linear como mostrado na Figura 8,

desde que seja considerada a implementao discretae assumido que a frequncia de amostragem do sis-tema muito maior do que largura de banda na qual

Diagrama de Bode

Frequncia (rad/sec)10

0

101

102

103

104

105

106

-270

-180

-90

0

90

Fase(deg)

-150

-100

-50

0

50

agntue

1160Hz 3 75a a aa


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algoritmo atua. O projeto do controlador PI basea-do na funo de transferncia de malha fechada domodelo linearizado.

+

-

_

_ + p p ll

i p ll

kk

s

1

s

1

1 asT

pllref error

Figura 8: Modelo s do algoritmo PLL

(7)

Devido a altas freqncias de amostragem ,a funo que representa o atraso pode ser desconside-rada e o sistema de terceira ordem (7) pode ser redu-zido a forma cannica de segunda ordem como em(8), sem perda de controlabilidade (Marafo, 2004).

(8)

Assim, e podem ser ajustados de acordo comas equaes (9) e (10), respectivamente.

(9)

(10)

Os ganhos do controlador so ajustados escolhen-do de forma apropriada os valores para a freqnciade interesse de malha fechada ( ) e o fator de amor-tecimento (). Com o objetivo de evitar problemas deinstabilidade usual que seja maior do que 1 ou 2

perodos da freqncia fundamental e o mximoovershootseja menor do que 30%.

Figura 9: Resposta ao degrau do PLL.

4 Anlise de algoritmos AI

Mtodos ativos AI que utilizam realimentao po-sitive podem ser implementados com algoritmos emfreqncia ou tenso. Algoritmos em freqnciainjetam um sinal de realimentao positiva que ir

provocar variaes na potncia no ativa que seroobservadas como desvios na frequncia. A mesmaidia usada em algoritmos em tenso, porm a

realimentao positiva injetada no eixo direto e osdesvios so observados na magnitude da tenso.

Neste trabalho, o algoritmo em freqncia ser utili-zado de forma que a desconexo da rede de distribui-o seja sentida como variaes de frequncia noPCC.

4.1 Realimentao positiva em frequncia

O mtodo ativo em frequncia detecta variaesna freqncia ( ) de forma a gerar a sada , quealtera a corrente de referncia no eixo em quadratura

do controlador em corrente (Kim, Jeon, Ahn,Lee, & Kwon, 2010), (Du, Ye, Aponte, Nelson, &Fan, 2010). A Figura 10 demonstra a estrutura domtodo.

Esta tcnica consiste de um filtro washout, um ga-nho e um filtro de primeira ordem. Os principaisajustes so (Ye, 2004):

PLL vrede_aPLL

BPF

iq

Regulador

de corrente

(dq)

id

iq_ref

id_ref

i

LimitadorGanho

Figura 10: Diagrama do algoritmo em frequncia.

A frequncia do filtro washout, ; O ganho, ; A frequncia do filtro de primeira ordem, .

A combinao do filtro washout com o filtro de

primeira ordem constitui um filtro passa banda. Oajuste do ganho o compromisso entre garantiruma rpida deteco e a mnima injeo de distrbiosna GD quando conectado a rede de distribuio.

A Tabela 1 apresenta o projeto dos principais pa-rmetros da tcnica.

Tabela 1

Tcnica antiilhamentokpll 0,3 [-]Twashout 0,2 [s]Tlp 0,1 [s]Limite saturao 1 [-]

5 Resultados de simulao

O desempenho da estratgia de controle e da tc-nica AI utilizada foi analisado em simulao. A Figu-ra 11 mostra a estrutura simulada.

Tabela 2

Gerao DistribudaFrequncia de chaveamento 10 [kHz]Tenso do link DC 1000 [V]

Tenso de linha 220 [Vrms]Potncia ativa 50 [kW]Potncia no ativa 50 [kVAR]

Resposta ao degrau

Tempo (s)

mp

tu

e

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.180

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2


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va vb vc

Pdq

iq idvq

iq_refid_ref

Qdq_refPdq_ref

ia ib ic

PLL

PLLvd

vq_refvd_ref

PLLvg_a

PLL

Regulador de

corrente (dq)

Regulador de

potncia (dq)

PWM PLL

ABC dq0ABC

dq0

ABC

dq0

+-

+-

+-

+-

+-

+-

Qdq

iaib

ic

PCCvavb

vc

vg_a

vg_bvg_c

Rconv

Cf

Lrede

GD

Rede de distribuio

Carga RLC

Fonte

alternativa

v_ref

v_ref

vvi i

i_ref

i_ref

v v

v_ref

v_ref Regulador decorrente () Regulador detenso ()ABC

0

+-+

-

+-+-

+-

+-

Conectado

Ilhado


Operao no modo ilhado

Rf

Lconv Rrede

Figura 11: Sistema simulado.

A freqncia de ressonncia da carga RLC ajus-tada em 60,1 Hz e consome toda a energia fornecida

pela GD, de forma a se obter fluxo zero entre a redede distribuio e a GD.

O tempo associado ao algoritmo PLL para sincro-nizar a GD com a rede de distribuio de aproxi-madamente 0,1 s.

Figura 12: Sincronizao da GD com a rede de distribuio.

Em 2 s a carga RLC acionada e j em 4 s a redede distribuio desconectada da GD. Na Figura 13 possvel observar que a tcnica detecta o ilhamentoem aproximadamente 0,035 s.

Em 4,035 s o controle alterado e a GD passa atrabalhar no modo ilhado. Na Figura 14 possvelobservar o transitrio de tenso e corrente no PCCaps a deteco do ilhamento e chaveamento docontrole.

Figura 13: Frequncia e rel no instante do ilhamento.

Figura 14: Tenso (azul) e corrente (vermelho) no PCC no instantedo ilhamento.

Como ltima interao entre GD e rede de distri-buio, em 5 s a rede conectada ao sistema e emaproximadamente 5,02 s a GD reconectada na rede

0 0.05 0.1 0.15

-2

-1

0

1

2

Tempo (s)

Tenso(V)

Tenso ortogonal PLL

Tenso rede

3 3.5 4 4.5 559

59.5

60

60.5

61

61.5

62

Tempo (s)

Freq

uncia(Hz)

Frequncia

Rel

3.9 3.95 4 4.05 4.1 4.15 4.2-500

0

500

T

enso(V)

3.9 3.95 4 4.05 4.1 4.15 4.2-200

0

200

Tempo(s)

Corrente(A)

Ilhamento


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passando a trabalhar no modo conectado. A Figura15 mostra o instante do chaveamento do controle e ocomportamento da frequncia. Fica evidenciado queo momento da reconexo da GD na rede de distribui-o menos impactante ao sistema em comparao adeteco de ilhamento e ao chaveamento do controle.A Figura 16 ilustra a reconexo da GD na rede de

distribuio.

Figura 15: Frequncia e rel no instante da reconexo.

Figura 16: Tenso (azul) e corrente (vermelho) no PCC no instanteda reconexo.

6 Concluso

Neste trabalho foram apresentadas as principaisinteraes associada GD e rede de distribuio.Dentro da proposta, foram apresentadas duas formasde operao para a GD, obtendo em simulao resul-tados positivos nos transitrios ocasionados pelochavemanto do controle, principalmente no instantede reconexo. Por fim, a tcnica ativa utilizada teve

bom desempenho e foi capaz de detectar o ilhamentomesmo sob condies extremas (Fluxo de potncia

prximo de zero e fator de qualidade de 1.8).

Agradecimentos

Os autores agradecem Escola de Engenharia deSo Carlos (USP) pelas instalaes e servios ofere-cidos para o desenvolvimento deste trabalho e a

FAPESP pelo apoio e incentivo financeiro destapesquisa

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4.5 5 5.559

59.5

60

60.5

61

61.5

62

Tempo (s)

Frequncia(Hz)

Frequncia

Rel

5 5.01 5.02 5.03 5.04 5.05-500

0

500

enso(

)

5 5.01 5.02 5.03 5.04 5.05-200

0

200

Tempo (s)

Corrente(A)

Reconexo


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