CONTROL OF INTERNAL LOOPS IN CONVERTERS OPERATING AS VIRTUAL SYNCHRONOUS MACHINES FOR IMPROVED DYNAMIC RESPONSE

Abstract

A crescente integração de fontes renováveis de energia aos sistemas elétricos modernos, impulsionada por preocupações ambientais e pela busca global por soluções sustentáveis, tem transformado significativamente o panorama da geração de energia. Nesse cenário, os recursos baseados em inversores tornaram-se essenciais para a conexão dessas fontes à rede elétrica. Tais recursos geralmente são controlados por estratégias do tipo seguidores de rede ou formadores de rede. Enquanto os inversores seguidores de rede dependem de malha de detecção de fase e requerem uma fonte externa de tensão para sincronização, os inversores formadores de rede são capazes de estabelecer de forma autônoma referências de tensão e frequência, sendo, portanto, adequados para operação tanto conectada à rede quanto isolada. Dentre as estratégias de formadores de rede, destacam-se as máquinas síncronas virtuais por sua capacidade de emular o comportamento inercial e de amortecimento dos geradores síncronos convencionais. Essa característica permite uma resposta dinâmica mais robusta em sistemas com alta penetração de fontes renováveis e baixa inércia. Inversores baseados em máquinas síncronas virtuais são capazes de sustentar a regulação de tensão e frequência, tanto em operação autônoma quanto em coordenação com a rede principal. Esta tese propõe o projeto e o aprimoramento das malhas internas de controle de um inversor baseado em máquina síncrona virtual, com o objetivo de melhorar a estabilidade do sistema elétrico e a resposta dinâmica. Especificamente, é desenvolvido um controlador de corrente com alta largura de faixa, capaz de atenuar a ressonância do filtro LCL e melhorar a rejeição a perturbações. Também é proposto um controlador de tensão com desacoplamento da entrada de perturbação, visando aprimorar a resposta dinâmica da máquina síncrona virtual. Com as malhas de controle internas projetadas, a máquina síncrona virtual apresenta desempenho dinâmico aprimorado quando conectada à rede, mesmo em uma ampla faixa de razões de curto-circuito, assim como durante variações de carga em modo isolado. A máquina síncrona virtual também demonstra melhor desempenho quando operando em uma microrrede, tanto em coordenação com um inversor seguidor de rede quanto em paralelo com outra máquina síncrona virtual. De modo geral, esta tese busca aprimorar as malhas internas de uma máquina síncrona virtual, permitindo que ela atue como uma estratégia eficaz de controle de potência em sistemas elétricos cada vez mais dominados por recursos baseados em inversores.