Uma Revisão do Controle de Limitação de Corrente de Inversores Formadores de Rede sob Perturbações Simétricas

    Os inversores formadores de rede (GFM) são reconhecidos como uma solução viável para aumentar a penetração de energia renovável nos sistemas de energia em larga escala. No entanto, eles são fisicamente diferentes dos geradores síncronos em termos de capacidade de sobrecorrente. Para proteger os dispositivos semicondutores de potência e suportar a rede elétrica sob perturbações simétricas severas, os sistemas de controle GFM devem ser capazes de atender aos seguintes requisitos: limitação da magnitude da corrente, contribuição de corrente de falha e capacidade de recuperação de falha. Vários métodos de controle de limitação de corrente são relatados na literatura para cumprir esses objetivos, incluindo limitadores de corrente, impedância virtual e limitadores de tensão. Este artigo apresenta uma visão geral desses métodos. Desafios emergentes que precisam ser abordados, incluindo sobrecorrente temporária, ângulo do vetor de corrente de saída não especificado, saturação indesejada de corrente e sobretensão transitória, são apontados.

1.Introdução.

    O comportamento de fonte de tensão dos inversores GFM faz com que suas correntes de saída sejam altamente dependentes das condições do sistema externo. Em caso de grandes perturbações, como quedas de tensão ou saltos de fase no ponto comum de acoplamento (PCC), os geradores síncronos, em geral, podem fornecer 5-7 p.u. de sobrecorrente [8], enquanto os inversores baseados em semicondutores só podem lidar com 1,2-2 p.u. de sobrecorrente tipicamente, o que os impede de manter o perfil de tensão como em operação normal. Os limitadores de corrente geralmente fazem com que o inversor se comporte como uma fonte de corrente durante condições de sobrecorrente, o que pode facilitar a regulação do ângulo do vetor de corrente de saída para atender ao requisito de contribuição de corrente de falha. Por comparação, os métodos de impedância virtual e limitadores de tensão podem manter o comportamento de fonte de tensão do inversor GFM em certa medida durante perturbações severas, o que pode permitir a recuperação automática de falhas. Este artigo revisa esses métodos e identifica os desafios emergentes que precisam ser abordados, incluindo sobrecorrente temporária, ângulo do vetor de corrente de saída não especificado, saturação indesejada de corrente e sobretensão transitória.

2.   Fundamentos dos Métodos de Controle de Limitação de Corrente.

    A figura a seguir mostra um modelo de circuito simplificado de um inversor GFM conectado à rede. O inversor GFM consiste em uma fonte de tensão interna ve e impedância de saída equivalente. A impedância do filtro será incluída em Ze, se nenhum controle de laço interno for utilizado. Quando o controle de laço interno é usado, a impedância do filtro não será incluída em Ze.

3.   Limitador de Corrente.

     Com base em como a referência de corrente saturada i¯ref é calculada, três limitadores de corrente são comumente utilizados para inversores GFM, incluindo o limitador instantâneo, o limitador de magnitude e o limitador baseado em prioridade. A ilustração de um limitador instantâneo é mostrada na Figura (a), que utiliza uma função de saturação elemento a elemento para alcançar uma referência de corrente saturada i¯ref. A ilustração de um limitador de magnitude é dada na Figura (b), que apenas diminui a magnitude da referência de corrente original iref. O ângulo de i¯ref mantém-se o mesmo que o de iref. A Figura (c) mostra o princípio do limitador baseado em prioridade, que não apenas diminui a magnitude de iref, mas também prioriza seu ângulo para um valor específico ϕI. Note que ϕI é um ângulo definido pelo usuário que representa a diferença angular entre i¯ref e o eixo d orientado a θ.

4.  Impedância Virtual.

    O método de impedância virtual que modifica diretamente a referência de modulação de tensão e o método de admitância virtual com um laço de controle de corrente de rastreamento rápido podem alcançar bom desempenho de limitação de corrente quando ocorrem perturbações severas. Em comparação, o método de impedância virtual com controle de laço interno alcança a limitação de corrente com base na hipótese de que a referência de tensão vref pode ser rapidamente rastreada pelo laço de controle de tensão. Como a largura de banda do laço de controle de tensão é relativamente baixa, pode-se observar sobrecorrente temporária. Para lidar com esse problema, são apresentados métodos híbridos de limitação de corrente que combinam a impedância virtual com o limitador de corrente baseado em prioridade e o limitador de magnitude de corrente.

5. Limitador de Tensão.

    Os limitadores de tensão visam reduzir diretamente a diferença de tensão ∥vPWM−vt∥ para ser menor que ∥Zf∥IM, o que modifica a referência de tensão gerada pelo controle de laço externo para realizar a limitação da magnitude da corrente. Este método é uma solução sugerida, pois não requer impedância virtual adaptativa que pode desestabilizar o sistema em determinadas condições. Para os limitadores de tensão, o laço de controle interno é comumente transparente, isto é, vPWM=vref. Subsequentemente, um diagrama de circuito equivalente deste método de limitação de corrente pode ser expresso.