Investigação experimental do controle hierárquico em microrredes CC utilizando um simulador em tempo real

Resumo

Este artigo apresenta uma microrrede DC com controle hierárquico implementada em um simulador, OPAL RT-Lab. Ele detalha a modelagem do circuito, estratégias de controle primário e secundário e validação experimental. Os resultados demonstram um desempenho de controle eficaz, destacando a importância de uma plataforma experimental robusta para pesquisa e desenvolvimento de microrredes.

Resumo

O surgimento de fontes de energia renováveis ressaltou a importância das microrredes, particularmente as variantes DC, que são adequadas para integrar painéis fotovoltaicos, sistemas de armazenamento de bateria e outras soluções de carga DC. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e experimentação de uma microrrede DC com controle hierárquico implementada no simulador OPAL RT-Lab. A microrrede inclui recursos de energia distribuída (DERs) interconectados por meio de conversores de energia, um barramento CC e cargas CC. O controle primário emprega um mecanismo de controle de queda e controle proporcional-integral (PI) de loop duplo para regular a tensão e a corrente, garantindo operação estável e compartilhamento proporcional de energia. O controle secundário utiliza uma estratégia baseada em consenso para coordenar os DERs para restaurar a tensão do barramento e garantir o compartilhamento preciso de energia, aumentando a confiabilidade e a eficiência do sistema. A configuração experimental detalhada neste artigo inclui modelagem de circuitos, implementação de hardware e estratégias de controle. Os parâmetros do circuito e do controlador da plataforma de hardware são especificados e os resultados podem ser observados por meio de medições de osciloscópio. Dois conjuntos de experimentos demonstrando a resposta de controle secundário com e sem demora são conduzidos para validar a eficácia da estratégia de controle. Os resultados confirmam a implementação bem-sucedida do controle hierárquico na microrrede. Este estudo ressalta a importância de uma plataforma experimental abrangente para o avanço da tecnologia de microrredes, fornecendo informações valiosas para pesquisas e desenvolvimentos futuros.

Introdução

Com o rápido desenvolvimento de fontes de energia renováveis, as microrredes ganharam atenção significativa globalmente¹. Eles permitem a integração de recursos de energia distribuída (DERs), como energia solar fotovoltaica (PV), juntamente com sistemas de armazenamento de energia (ESSs), na rede, apoiando assim a transição para energia sustentável e renovável. Como um componente crítico na integração de energia renovável, as microrredes CC têm atraído atenção considerável devido à sua compatibilidade com a natureza CC inerente de sistemas fotovoltaicos, baterias e outros DERs. A operação CC reduz a necessidade de múltiplas conversões de energia, o que pode melhorar a eficiência e a confiabilidade geral do sistema. Consequentemente, as microrredes DC apresentam um caminho promissor para otimizar a integração de energia renovável².

É amplamente reconhecido que a simulação e os estudos experimentais são cruciais para o avanço da tecnologia de microrredes. As simulações permitem que pesquisadores ou engenheiros modelem e analisem vários cenários e estratégias de controle em um ambiente virtual, que é econômico e sem riscos. No entanto, a experimentação no mundo real é igualmente importante, pois valida esses modelos e teorias, revelando desafios práticos e comportamentos dinâmicos que as simulações podem não capturar totalmente³. Apesar dos insights obtidos com as simulações, experimentos práticos em microrredes são necessários para resolver problemas que surgem de implementações físicas. Esses experimentos ajudam a entender as características operacionais, a dinâmica de controle e as interações entre diferentes componentes em um ambiente do mundo real⁴. Dada a sua menor escala e natureza modular, as microrredes oferecem uma solução mais gerenciável e escalável para a realização desses estudos experimentais vitais em comparação com as redes elétricas tradicionais de grande escala, que são muito extensas e complexas para experimentação prática. Portanto, a realização de experimentos físicos em microrredes é essencial para o avanço de nossa compreensão e capacidades neste campo.

Em uma microrrede CC típica, vários DERs são conectados a um barramento CC por meio de conversores de energia. Essa configuração facilita a troca direta de energia sem a necessidade de várias conversões DC-DC ou AC-DC⁵. Esses conversores de energia regulam a tensão e a corrente, garantindo uma transferência de energia eficiente e estabilidade. O barramento CC serve como nó central, distribuindo energia para várias cargas conectadas ao sistema. As linhas de transmissão fornecem os caminhos necessários para o fluxo de energia entre os DERs, conversores e cargas, mantendo uma fonte de alimentação estável e confiável dentro da microrrede. Para gerenciar efetivamente a operação de uma microrrede DC, uma estrutura de controle hierárquica é frequentemente empregada⁶. Essa estrutura é geralmente dividida em três níveis: controle primário, secundário e terciário, cada um com funções e responsabilidades distintas.

O controle primário se concentra na regulação imediata de tensão e corrente dentro da microrrede CC, garantindo estabilidade e compartilhamento adequado de corrente/energia entre os DERs. O controle primário mais comum é o controle de queda. Comparado a outros controles primários, é livre de comunicação e tem uma resposta rápida. No entanto, devido à sua característica de queda, o controle de queda pode causar desvio de tensão e é incapaz de manter a tensão no valor nominal. Ao mesmo tempo, à medida que a carga e o número de DERs aumentam, a precisão do compartilhamento de corrente diminui. Portanto, é necessário um controle secundário adicional para a restauração da tensão e regulação da corrente. O controle secundário restaura os pontos de operação do sistema após distúrbios e coordena os controladores primários para regulação de tensão e corrente. O controle terciário otimiza a operação econômica e estratégica da microrrede, gerenciando a programação de energia e as interações com a rede elétrica principal⁷.

A literatura recente destaca avanços significativos na aplicação de controle hierárquico para microrredes DC, progredindo de estudos de simulação para configurações de hardware-in-the-loop (HIL) e, finalmente, para experimentos físicos do mundo real. Os estudos iniciais de pesquisa frequentemente empregavam ferramentas de simulação para desenvolver e testar algoritmos de controle hierárquico para microrredes DC. Esses estudos se concentram na modelagem do comportamento dinâmico das microrredes, otimizando estratégias de controle e avaliando o desempenho do sistema sob várias condições. Ambientes de simulação como MATLAB/Simulink e PSCAD são comumente usados devido à sua flexibilidade e conjuntos de ferramentas abrangentes para análise de sistemas de energia⁸. Indo além das simulações puras, os experimentos HIL fornecem um ambiente de teste mais realista, integrando hardware de controle em tempo real com modelos de microrrede simulados. Essa abordagem permite que os pesquisadores validem algoritmos de controle e avaliem seu desempenho em condições quase reais. As configurações HIL preenchem a lacuna entre estudos teóricos e implementações práticas, oferecendo informações valiosas sobre a interação entre sistemas de controle e componentes de microrrede⁹. A validação final das estratégias de controle hierárquico é alcançada por meio de experimentos físicos em configurações reais de microrredes. Esses experimentos envolvem a implantação de algoritmos de controle em hardware de microrrede real, incluindo DERs, conversores eletrônicos de potência e unidades de controle. Os experimentos físicos fornecem a avaliação mais precisa do desempenho do sistema, revelando desafios práticos e problemas operacionais que podem não ser aparentes em simulações ou configurações de HIL.

Para resumir a progressão da pesquisa de controle hierárquico em microrredes DC, a Tabela 1 apresenta uma visão geral dos principais estudos categorizados por sua abordagem experimental. A partir da literatura acima mencionada, é evidente que, embora alguns estudos tenham utilizado com sucesso plataformas de microrredes físicas para experimentação, há uma notável falta de documentação sistemática e descrições abrangentes dessas plataformas experimentais e seu uso, particularmente no contexto do controle hierárquico. Essa lacuna é significativa porque informações detalhadas sobre configurações experimentais, metodologias e resultados são cruciais para replicar estudos, avançar na pesquisa e facilitar a implementação prática de estratégias de controle hierárquico em tecnologias de microrrede. À luz dessa necessidade, este artigo tem como objetivo fornecer uma introdução detalhada e sistemática ao desenvolvimento e utilização de uma plataforma experimental física para microrredes DC, com foco no controle hierárquico, para contribuir com insights valiosos e diretrizes práticas para a pesquisa em andamento neste campo.

Em resumo, as principais contribuições deste artigo são as seguintes. Primeiro, sob a estrutura da estratégia de controle hierárquico, o artigo elabora em detalhes os algoritmos de controle e implementações necessários para o controle de microrredes, enquanto trabalhos anteriores trataram principalmente os experimentos como validação sem mais elaboração. Em segundo lugar, de acordo com a implantação de algoritmos de controle, este artigo também fornece a configuração de hardware e a topologia dos componentes da microrrede, aumentando a reprodutibilidade dos experimentos de controle de microrrede. Em terceiro lugar, ao construir uma plataforma experimental escalável, este artigo estabelece as bases para pesquisas futuras sobre microrredes, permitindo uma exploração mais aprofundada do desempenho de controle em condições do mundo real, como atrasos de comunicação e variações de carga, apoiando assim o desenvolvimento de estratégias de controle mais robustas e eficientes.

Protocolo

Nesta seção, descrevemos os métodos usados para desenvolver e experimentar uma microrrede DC que incorpora o controle hierárquico mostrado na Figura 1, implementado no OPAL RT-Lab (doravante denominado "simulador"). O protocolo é dividido em três seções principais: Configuração Física e Modelagem de Circuito, Implementação da Estratégia de Controle e Configuração Experimental do Simulador. Note-se que este protocolo não cobre a estratégia de controle terciário, que envolve otimização de nível superior e interação com a rede elétrica principal, está além do escopo de nossa configuração experimental atual e é deixada para trabalhos futuros.

1. Configuração física e modelagem de circuitos

1. Topologia elétrica do sistema
   NOTA: Considerando a arquitetura do circuito do sistema de microrrede DC, procedemos com a construção da plataforma experimental de hardware através das seguintes etapas.
   1. Construção de um DER individual
      1. Conecte o pólo positivo da corrente CC através de um fio ao pólo positivo de entrada do circuito buck, enquanto conecta simultaneamente os pólos negativos correspondentes; o conversor específico é mostrado na Figura 2A. Construa um modelo matemático para o conversor buck para facilitar o projeto de parâmetros de controle para simulações subsequentes e configurações experimentais. Para um conversor buck típico, como mostrado na Figura 3, construa suas equações de espaço de estados usando o método de média de espaço de estados da seguinte forma⁵:
              (1)
         Onde I^L, V^C são a corrente do indutor e a tensão de saída, respectivamente; R, L, C são os parâmetros componentes no circuito do conversor; Vⁱⁿ representa a tensão CC de entrada; e d representa o ciclo de trabalho do conversor DC-DC. Transforme a Equação (1) na seguinte forma de função de transferência, que é mais conveniente para o projeto de um controlador PI.
         
              (2)
         Onde s representa o operador de Laplace; G_Id(s) é a função de transferência da relação entre o serviço e a corrente; e G_VI (s) é a função de transferência de corrente para tensão.
      2. Construção de microrredes usando vários DERs
         1. Repita o processo de construção de DERs individuais conforme descrito acima. Com vários DERs instalados, conecte os terminais de saída positivo e negativo correspondentes de cada circuito buck.
         2. Para simular a impedância da linha, insira pequenos resistores em série entre os pólos positivos de cada DER.
      3. Integração de carga
         1. Use resistores para simular cargas comuns em microrredes DC. Para cargas globais, conecte diretamente os terminais do resistor aos pontos de confluência dos pólos positivo e negativo de todos os DERs. Quando a impedância da linha estiver presente, conecte os resistores na saída de cada circuito buck para simular cargas locais, conforme mostrado na Figura 2D.
            NOTA: Neste experimento, as conexões de circuito são implementadas usando conectores plug-in, conforme ilustrado na Figura 2C.
2. Projeto e configuração de circuitos de hardware
   NOTA: A configuração de hardware da plataforma experimental de microrrede CC, correspondente à topologia na Figura 1, consiste principalmente nas seguintes etapas:
   1. Configuração da fonte de alimentação DC
      1. Ative a fonte de alimentação pressionando o botão liga/desliga.
      2. Ajuste a tensão para o valor especificado usando o botão. Esta fonte de alimentação é uma fonte CC de tensão constante com uma faixa de saída de [0 - 300 V] e uma potência máxima de 600 W. Inicie a fonte de alimentação no início do experimento pressionando o interruptor. A fonte de alimentação usada neste experimento é mostrada na Figura 2B.
   2. Configuração do conversor buck DC-DC
      1. Encaminhe os sinais de entrada e saída do conversor para uma placa de conversão de sinal e conecte-os ao controlador de hardware do simulador por meio de cabos de sinal.
         NOTA: Esta configuração permite a saída de sinais de corrente e tensão em forma analógica e a transmissão de sinais PWM do controlador para acionar o conversor no nível do circuito.
   3. Verificação de conexões de barramento e carga
      1. Certifique-se de que esta etapa esteja alinhada com a Etapa 1.1.3. Inspecione todas as conexões quanto à precisão e segurança.

2. Implementação da estratégia de controle

1. 2.1.Configuração do controle de queda
   1. Construa o módulo de controle de queda no módulo de controle dentro do simulador arrastando e soltando componentes como ganhos e blocos de diferença, como mostrado na Figura 4.
   2. Clique duas vezes no módulo 'ganho' e defina o coeficiente de queda conforme necessário.
2. Configuração de controle PI de loop duplo
   1. Construa o diagrama de blocos de controle arrastando e soltando componentes no simulador (consulte a Figura 5).
   2. Ao selecionar os ganhos de controle PI, use o modelo de função de transferência do conversor buck na Equação (2), seguindo a sequência de projeto do loop interno (loop de corrente) primeiro e depois o loop externo (loop de tensão).
      NOTA: Há uma compensação entre resposta dinâmica rápida e precisão de compartilhamento de energia no esquema de controle de loop duplo, pois ajustes rápidos de tensão podem comprometer a precisão da distribuição de energia entre os DERs.
3. Construção de topologia de comunicação distribuída
   1. Forneça diferentes sinais de entrada aos controladores de cada DER para implementar o controle distribuído dentro do controlador centralizado do simulador. Por exemplo, para DER 1, arraste os sinais de DER 2 e DER 4 para seu módulo de controle para permitir a comunicação distribuída, conforme mostrado na parte esquerda da Figura 6 e na Figura 7C.
4. Implementação da estratégia de controle secundário distribuído
   1. Construa o diagrama de blocos de controle secundário no simulador com base no controle secundário baseado em consenso, conforme ilustrado na Figura 6. Ajuste a resposta de controle secundário modificando os ganhos de controle.

3. Configuração experimental do simulador em tempo real

NOTA: A configuração específica do experimento do simulador compreende quatro etapas, conforme ilustrado na Figura 8.

1. Inicialização do modelo
   1. Clique no botão Editar para modificar o programa em execução no simulador. Em seguida, ative o botão SET para concluir as configurações da propriedade de desenvolvimento.
2. Compilação de modelos
   1. Depois de concluir a edição do modelo, clique no botão Construir para compilar o modelo em código executável.
   2. Monitore a janela de compilação do software até que a mensagem 'Compilação bem-sucedida' apareça. Se ocorrer um erro, localize o erro com base no prompt e faça as correções necessárias
3. Configuração de controle em tempo real do simulador
   1. Após a conclusão do processo de compilação, defina as configurações do código do programa, como modo de simulação, tipo de link de comunicação em tempo real e outros parâmetros relevantes.
4. Download e execução do programa
   1. Baixe o programa executável compilado no hardware do controlador e inicie o experimento.
   2. Conecte as pontas de prova de tensão do osciloscópio aos terminais positivo e negativo de cada saída DER e prenda as pontas de prova de corrente nas portas de saída. Use a janela do osciloscópio para observar a saída de cada DER na microrrede.

Resultados

A Figura 4 mostra o módulo de controle de queda no módulo de controle construído dentro do simulador. O projeto detalhado é baseado no seguinte mecanismo de queda:

O mecanismo de controle de queda é uma estratégia fundamental para o controle primário descentralizado em microrredes DC. Ele emula o comportamento de geradores síncronos em sistemas CA para compartilhar cargas proporcionalmente entre dif...

Discussão

A Figura 10 mostra as respostas de corrente e tensão do sistema de microrrede sob controle secundário sem atrasos de comunicação. Antes do tempo t₁, o sistema é regulado apenas pelo controle primário baseado em queda, onde é evidente que a tensão não pode se estabilizar no valor nominal de 48 V e a distribuição de corrente é relativamente imprecisa. Ao ativar o controle secundário no tempo t₁, a tensão se recupera rapi...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Fonte de alimentação DC programável	ITECH	IT-M7700	Fonte de alimentação DC
Simulador em tempo real	OPAL RT-Lab	OP5707XG-16	Controlador em tempo real
Osciloscópio	Tektronix	MSO58 5-BW-500	osciloscópio
Componentes elétricos, como cabos e resistores