Name: Investigação experimental do controle hierárquico em microrredes CC utilizando um simulador em tempo real (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-02-14T14:20:00.000+00:00
Duration: 6 min 4 s
Description: Aprenda a validar estratégias de controle hierárquico em microrredes CC utilizando o simulador OPAL RT-Lab. Este método experimental integra modelagem de circuitos e validação em tempo real para pesquisa em sistemas de energia.

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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
<ol>
	<li>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.<ol>
		<li>Construção de um DER individual<ol>
			<li>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: 
			<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq1.jpg">     (1) Onde IL, VC 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. 
			<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq2.jpg"> 
			<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq3.jpg">     (2) Onde s representa o operador de Laplace; GId(s) é a função de transferência da relação entre o serviço e a corrente; e GVI (s) é a função de transferência de corrente para tensão.</li>
			<li>Construção de microrredes usando vários DERs<ol>
				<li>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.</li>
				<li>Para simular a impedância da linha, insira pequenos resistores em série entre os pólos positivos de cada DER.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Integração de carga<ol>
				<li>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.</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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:<ol>
		<li>Configuração da fonte de alimentação DC<ol>
			<li>Ative a fonte de alimentação pressionando o botão liga/desliga.</li>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Configuração do conversor buck DC-DC<ol>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Verificação de conexões de barramento e carga<ol>
			<li>Certifique-se de que esta etapa esteja alinhada com a Etapa 1.1.3. Inspecione todas as conexões quanto à precisão e segurança.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Implementação da estratégia de controle
<ol>
	<li>2.1.Configuração do controle de queda<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Clique duas vezes no módulo 'ganho' e defina o coeficiente de queda conforme necessário.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Configuração de controle PI de loop duplo<ol>
		<li>Construa o diagrama de blocos de controle arrastando e soltando componentes no simulador (consulte a Figura 5).</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Construção de topologia de comunicação distribuída<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Implementação da estratégia de controle secundário distribuído<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Configuração experimental do simulador em tempo real
NOTA: A configuração específica do experimento do simulador compreende quatro etapas, conforme ilustrado na Figura 8.
<ol>
	<li>Inicialização do modelo<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Compilação de modelos<ol>
		<li>Depois de concluir a edição do modelo, clique no botão Construir para compilar o modelo em código executável.</li>
		<li>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</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Configuração de controle em tempo real do simulador<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Download e execução do programa<ol>
		<li>Baixe o programa executável compilado no hardware do controlador e inicie o experimento.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Bolsen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Framing+renewable+energy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Energy%22%5BJournal%5D)">Framing renewable energy.</a> Nat Energy. 7 (11), 1003-1004 (2022).</li>
<li>Dai, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+secondary+control+for+DC+microgrids+with+time-varying+communication+delays%3A+A+networked+predictive+control+scheme%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Distributed secondary control for DC microgrids with time-varying communication delays: A networked predictive control scheme.</a> IEEE Trans Power Syst. 39 (2), 4459-4472 (2024).</li>
<li>Alzahrani, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+and+simulation+of+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+Comput+Sci%22%5BJournal%5D)">Modeling and simulation of microgrid.</a> Procedia Comput Sci. 114, 392-400 (2017).</li>
<li>Naderi, E., Asrari, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+validation+of+a+remedial+action+via+hardware-in-the-loop+system+against+cyberattacks+targeting+a+lab-scale+PV%2Fwind+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Smart+Grid%22%5BJournal%5D)">Experimental validation of a remedial action via hardware-in-the-loop system against cyberattacks targeting a lab-scale PV/wind microgrid.</a> IEEE Trans Smart Grid. 14 (5), 4060-4072 (2023).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+twin+based+monitoring+and+control+for+DC-DC+converters%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">Digital twin based monitoring and control for DC-DC converters.</a> Nat Commun. 14 (1), 5604(2023).</li>
<li>Alam, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Planning+and+protection+of+DC+microgrid%3A+A+critical+review+on+recent+developments%5BTitle%5D)+AND+%22Eng+Sci+Technol+Int+J%22%5BJournal%5D)">Planning and protection of DC microgrid: A critical review on recent developments.</a> Eng Sci Technol Int J. 41, 101404(2023).</li>
<li>Yuan, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+control+of+DC+microgrid+with+dynamical+load+power+sharing%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Energy%22%5BJournal%5D)">Hierarchical control of DC microgrid with dynamical load power sharing.</a> Appl Energy. 239, 1-11 (2019).</li>
<li>Krishnamurthy, S., Ogunwole, E. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microgrid+system+design%2C+modeling%2C+and+simulation.+Modelling+and+Control+Dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Modelling+and+Control+Dynamics+in+Microgrid+Systems+with+Renewable+Energy+Resources%22%5BJournal%5D)">Microgrid system design, modeling, and simulation. Modelling and Control Dynamics.</a> Modelling and Control Dynamics in Microgrid Systems with Renewable Energy Resources. , 345-376 (2024).</li>
<li>Interoperability analysis of IEC61850 protocol using an emulated IED in a HIL microgrid testbed. Hemmati, M., et al. 2021 IEEE International Conference on Communications, Control, and Computing Technologies for Smart Grids (SmartGridComm), , 152-157 (2021).</li>
<li>Lai, J., Lu, X., Yu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stochastic+distributed+frequency+and+load+sharing+control+for+microgrids+with+communication+delays%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Syst+J%22%5BJournal%5D)">Stochastic distributed frequency and load sharing control for microgrids with communication delays.</a> IEEE Syst J. 13 (4), 4269-4280 (2019).</li>
<li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+event-triggered+hierarchical+control+to+improve+economic+operation+of+hybrid+AC%2FDC+microgrids%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Distributed event-triggered hierarchical control to improve economic operation of hybrid AC/DC microgrids.</a> IEEE Trans Power Syst. 37 (5), 3653-3668 (2022).</li>
<li>Wang, J., Jin, C., Wang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+uniform+control+strategy+for+the+interlinking+converter+in+hierarchical+controlled+hybrid+AC%2FDC+microgrids%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Ind+Electron%22%5BJournal%5D)">A uniform control strategy for the interlinking converter in hierarchical controlled hybrid AC/DC microgrids.</a> IEEE Trans Ind Electron. 65 (8), 6188-6197 (2018).</li>
<li>Zeng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+cooperative+control+strategy+for+battery+storage+system+in+islanded+DC+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Hierarchical cooperative control strategy for battery storage system in islanded DC microgrid.</a> IEEE Trans Power Syst. 37 (5), 4028-4039 (2022).</li>
<li>Guo, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+voltage+restoration+and+current+sharing+control+in+islanded+DC+microgrid+systems+without+continuous+communication%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Ind+Electron%22%5BJournal%5D)">Distributed voltage restoration and current sharing control in islanded DC microgrid systems without continuous communication.</a> IEEE Trans Ind Electron. 67 (4), 3043-3053 (2020).</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>Fonte de alimentação DC programável</td><td>ITECH</td><td>IT-M7700</td><td>Fonte de alimentação DC</td></tr><tr><td>Simulador em tempo real</td><td>OPAL RT-Lab</td><td>OP5707XG-16&nbsp;</td><td>Controlador em tempo real</td></tr><tr><td>Osciloscópio</td><td>Tektronix</td><td>MSO58 5-BW-500&nbsp;</td><td>osciloscópio</td></tr><tr><td colspan="4">Componentes elétricos, como cabos e resistores</td></tr></tbody></table>

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