Novas abordagens de projeto de controladores de inércia sintética e de velocidade para turbinas eólicas de velocidade variável baseadas em LQR e controle H-infinito

Abstract

A alta penetração de fontes renováveis nos Sistemas Elétricos de Potência (SEPs) gera desafios à operação do sistema. O fato de geralmente operarem com controladores de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência (MPPT, do inglês Maximum Power Point Tracking), e assim não disporem de reservas de energia para regulação de frequência, degrada a capacidade de amortecimento das excursões de frequência em grandes perturbações ou desbalanços de carga e geração. Diante deste problema, inversores com Controlador de Inércia Sintética (SIC, do inglês Synthetic Inertia Control) surgem como alternativas à atenuação dos problemas de resposta de frequência em SEPs e microrredes com alta penetração de fontes renováveis de energia. No âmbito da geração eólica, a extração de energia cinética da turbina para modular a potência utilizada na regulação de frequência se mostra atrativa, ao passo que permite a manutenção do aerogerador em MPPT durante condições normais de operação. Contudo, a extração de energia cinética da turbina durante a contingência resulta em um maior esforço eletromecânico do aerogerador neste período transitório que, em casos extremos, podem levar o aerogerador à instabilidade. Além disto, os projetos de controladores de inércia sintética geralmente não consideram os impactos da malha de controle de velocidade da turbina, fator este que limita o desempenho da resposta inercial do aerogerador. Isto posto, o estudo busca apresentar novas metodologias de projeto de controladores de inércia sintética para aerogeradores de velocidade variável que considerem o compromisso entre a resposta de frequência da rede e as restrições operativas dos estados do aerogerador. O diferencial do trabalho se ampara na apresentação de três estratégias de projeto em espaço de estados, sendo estas baseadas em controle robusto via norma H-infinito por realimentação dinâmica de saída e por realimentação estática de estados, além da técnica de controle ótimo por realimentação estática de estados via Regulador Linear Quadrático (LQR, do inglês Linear Quadratic Regulator). As técnicas baseadas em norma H-infinito operam como controle suplementar, enquanto o SIC baseado em LQR utiliza um modelo expandido com rastreamento de referência que substitui o regulador de velocidade convencional da turbina eólica. O estudo foi realizado em uma plataforma computacional de simulação com a modelagem matemática dinâmica do aerogerador e de uma microrrede, a fim comparar a resposta de frequência do sistema frente a distúrbios de cargageração e variações da velocidade do vento em cenários sem contribuição do aerogerador na regulação de frequência, com contribuição por técnica convencional baseada em controle Proporcional-Derivativo e considerando as estratégias de controle propostas. Observa-se que as alternativas propostas permitem otimizar o desempenho do controle de inércia sintética de maneira factível e em conformidade com as restrições operativas do aerogerador. As topologias baseadas em norma H-infinito apresentaram maior atenuação dos efeitos dos distúrbios de cargageração na resposta de frequência da microrrede, ao passo que o SIC via LQR obteve valores menores para uma função custo baseada na norma H2 do sinal de frequência, proporcionando assim melhor desempenho frente às variações de referência e mudanças de ponto de operação geradas pelo perfil dinâmico da velocidade do vento.

Abstract: The high penetration of renewable energy sources into Electrical Power Systems (EPSs) poses challenges to system operation. The fact that these sources generally operate with Maximum Power Point Tracking (MPPT) controllers, and thus do not have power reserves for frequency control, degrades the damping of frequency excursions in large disturbances or load-generation unbalances. Faced with this problem, inverters with Synthetic Inertia Control (SIC) appear as alternatives to the attenuation of frequency response problems in EPSs with high penetration of renewable energy sources. In the field of wind generation, the extraction of kinetic energy from the turbine to modulate the active power utilized for frequency regulation is attractive, while permitting its operation in MPPT during normal conditions. However, the kinetic energy extraction from the turbine during the contingency results in a greater electromechanical effort of the wind turbine in this transient period, which in extreme cases may lead to wind turbine instability. In addition, the design of synthetic inertia controllers generally does not consider the impacts of the turbine? speed controller, which limits its inertial response performance. This work presents new synthetic inertia controller design methodologies for variable speed wind turbines that considers the compromise between the frequency response and the operating limits of the wind turbine variables. The main contribution of this work the presentation of three state space control design strategies, which are based on robust control via H-infinit norm by dynamic output feedback control and by static state feedback control, in addition to the technique of optimal static state feedback control via Linear Quadratic Regulator. The H-infinit-based strategies operate as supplementary controllers, while the LQR-based control consider an expanded state space model with reference tracking that replaces the conventional wind turbine speed controller. The study was carried out on a computational simulation platform with the dynamic mathematical modeling of the wind turbine and a microgrid, in order to compare the microgrid frequency response to load-generation disturbances and wind speed variations in scenarios without contribution of the wind turbine in the primary frequency regulation, with contribution by Proportional-Derivative conventional control technique and considering the proposed control strategies. It is observed that the proposed alternatives allow to optimize the performance of the synthetic inertia control in a feasible manner and in accordance with the wind turbine operating limits. Topologies based on the H-infinit norm presented greater attenuation of the effects of load-generation disturbances on the frequency response of the microgrid, while the LQR-based SIC decreased a cost function based on H2 norm of the frequency signal, thus providing better performance against reference variations and changes of operation point generated by the dynamic wind speed profile.