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Título: Controle inercial e de frequência baseado em gerador síncrono virtual aplicado à geração fotovoltaica de grande porte para o suporte ao restabelecimento de sistemas de potência
Título(s) alternativo(s): Inertial and frequency control based on virtual synchronous generator applied to large photovoltaic generation to support power system restoration
Autor(es): Feldmann, Darlei
Orientador(es): Oliveira, Ricardo Vasques de
Palavras-chave: Geração de energia fotovoltaica
Sistemas de energia elétrica
Conversores de frequência
Photovoltaic power generation
Electric power systems
Frequency changers
Data do documento: 14-Jul-2020
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Citação: FELDMANN, Darlei. Controle inercial e de frequência baseado em gerador síncrono virtual aplicado à geração fotovoltaica de grande porte para o suporte ao restabelecimento de sistemas de potência. 2020. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2020.
Resumo: O crescimento da geração renovável, incluindo as plantas fotovoltaicas de grande porte, resultou em desafios para o planejamento e operação dos sistemas elétricos de potência contemporâneos. A inserção da geração baseada em conversores estáticos, como a geração fotovoltaica, dificulta o restabelecimento (no inglês, black-start) dos sistemas de potência devido à baixa inercia equivalente do sistema, deterioração do desempenho do controle primário de frequência, número reduzido de unidades de suporte ao black-starte energização de grandes cargas. Neste contexto, este trabalho propõe uma abordagem operacional e de controle para a geração fotovoltaica centralizada fornecer resposta inercial e suporte ao controle de frequência apenas durante o processo de restabelecimento dos sistemas elétricos de potência. A estratégia operacional proposta, cria uma margem de potência através da operação descarregada da geração fotovoltaica. O controle proposto, baseado em gerador síncrono virtual e controlador do tipodroop, utiliza esta margem de potência para fornecer resposta inercial e suporte ao controle primário de frequência apenas durante o processo de restabelecimento do sistema. O trabalho também propõe uma formulação analítica para avaliar o impacto do ponto de operação dos módulos fotovoltaicos na dinâmica das unidades fotovoltaicas. Um estudo envolvendo o modelo linear do sistema também é realizado para identificar os parâmetros do sistema que mais afetam a frequência do sistema durante a operação das unidades fotovoltaicas no ponto de máxima potência dos módulos fotovoltaicos. Os resultados obtidos por meio de simulações no domínio do tempo mostram que a geração fotovoltaica é capaz de fornecer suporte ao black-start de sistemas elétricos, melhorando de forma significativa a resposta inercial e o controle de frequência do sistema. As análises dinâmicas realizadas mostraram que a região operacional dos módulos fotovoltaicos afeta significativamente a dinâmica do balanço de potência da unidade fotovoltaica e, consequentemente, a dinâmica da tomada de carga dos módulos fotovoltaicos. As análises realizadas no modelo linear do sistema mostraram que os parâmetros do controlador PI usado para regular a tensão do barramento CC afetam significativamente a dinâmica da resposta da frequência do sistema e, consequentemente, a estabilidade do sistema.
Abstract: The renewable generation growth, which includes photovoltaic power plants, has posed challenges for the planning and operation of contemporary power systems. The insertion of generation based on fully-rated converters, such as photovoltaic generation, makes the black-start of power systems more difficult due to the low equivalent inertia of the system, the performance deterioration of the primary frequency control, the reduced number of black-start units, and the energization of large loads. In this context, this work proposes an operational and control approach for centralized photovoltaic generation to provide inertial response and frequency control support only during the bulk power systems restoration process. The proposed operational strategy creates a power margin by means of the de-loaded operation of the photovoltaic generation. The proposed control, based on virtual synchronous generator and droop-type controller, uses this power margin to provide inertial response and primary frequency control support only during the system restoration process. The work also proposes an analytical formulation to assess the impact of the operating point of photovoltaic modules on the dynamics of photovoltaic units. A study involving the linear model of the system is also carried out to identify the system parameters that most affect the system frequency during the operation of the photovoltaic units at the maximum power point of the photovoltaic modules. The results obtained by means of computational simulations in the time domain have shown that photovoltaic generation is capable of providing support to the black-start of power systems, significantly improving the inertial response and the frequency control of the system. The performed dynamic analyses have shown that the operational region of the photovoltaic modules significantly affects the dynamics of the power balance in the photovoltaic unit and, consequently, the dynamics of the load pick-up of the photovoltaic modules. The performed linear analyses have shown that the parameters of the PI controller used to regulate the DC-link voltage significantly affect the dynamics of the system's frequency and, consequently, the stability of the system.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5142
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