Controle suplementar de frequência em sistemas elétricos com significativa participação de geração eólica e solar

Abstract

Nesta tese de doutorado é proposta uma estrutura de controle suplementar de frequên- cia para sistemas elétricos de potência de baixa inércia e com menor capacidade de regulação de frequência. A proposta se justifica em face do contínuo aumento da participação de Inverter Based Generators (IBG) conectados à rede elétrica, que impõe desafios significativos para a operação do sistema. Uma das principais con- sequências é a redução da geração proveniente de máquinas síncronas diretamente conectadas à rede, acarretando na correspondente diminuição da resposta inercial e na redução da capacidade de regulação de frequência. Além das técnicas de con- trole aplicadas aos inversores, combinada com soluções envolvendo armazenamento de energia, uma abordagem menos explorada para contribuir para a regulação de frequência é aquela baseada na obtenção de contribuição adicional da regulação de velocidade de unidades convencionais. Tal estratégia permitiria obter maior contribui- ção da geração convencional, em comparação com aquelas obtidas a partir de ajustes tradicionalmente empregados na indústria. Os reguladores convencionais de veloci- dade desempenham um papel crucial no restabelecimento do equilíbrio entre carga e geração no sistema elétrico, exercendo forte influência nas excursões de frequência pós-perturbação. Neste estudo, propõe-se uma estratégia adaptativa de controle su- plementar de frequência, compreendendo duas etapas principais. A identificação do modelo matemático do sistema elétrico é realizada por meio de métodos de identifi- cação, com base em medições provenientes de Unidades de Medição Fasorial (PMU) e informações disponíveis na operação. Na sequência, com o modelo identificado, propõe-se um controlador suplementar baseado em realimentação de estados para atuar na entrada dos reguladores de velocidade tradicionais da geração síncrona, uti- lizando um Filtro de Kalman. Os resultados obtidos a partir da metodologia proposta demonstram capacidade de monitorar continuamente as características operacionais de interesse do sistema, com a atualização periódica do modelo identificado. Os re- sultados apresentados nesta tese evidenciam o potencial da estratégia proposta em limitar excursões de frequência, especialmente em sistemas com maior penetração de geração conectada por inversores. O controlador proposto melhora o desempenho dinâmico do controle de frequência frente a grandes perturbações, além de minimizar as excursões de frequência e elevar as frequências mínimas (nadir)

Abstract: In this thesis, a supplementary frequency control framework for low-inertia power sys- tems and reduced frequency regulation capacity is proposed. The proposal is justified due to the continuous increase in the contribution of IBG sources to the electrical grid, posing significant challenges to system operation. One of the main consequences is the decrease in generation from synchronous machines directly connected to the grid, resulting in a corresponding reduction in inertial response and frequency regulation capacity. In addition to control techniques applied to inverters, combined with solu- tions involving energy storage, a less explored approach to contribute to frequency regulation is based on obtaining additional contribution from the speed regulation of conventional units. This strategy would allow greater contribution from conventional generation compared to those obtained from traditionally employed adjustments in the industry. Conventional speed regulators play a crucial role in restoring the balance between load and generation in the electrical system, exerting a strong influence on post-disturbance frequency excursions. In this study, an adaptive supplementary fre- quency control strategy is proposed, comprising two main steps. The mathematical model identification of the electrical system is carried out using identification methods based on measurements from Phasor Measurement Units (PMUs) and information available in operation. Subsequently, with the identified model, the implementation of a supplementary feedback-based controller is proposed to operate at the input of traditional speed governors of synchronous generation, using a Kalman Filter. The re- sults obtained from the proposed methodology demonstrate the ability to continuously monitor the system?s operational characteristics, with periodic updating of the identi- fied model. The results presented in this thesis highlight the potential of the proposed strategy in limiting frequency excursions, especially in systems with higher penetration of inverter-connected generation. The proposed controller improves frequency control performance in the face of large disturbances, minimizing frequency excursions, and raising minimum frequencies (nadir).