Como é controlada a qualidade da energia em uma rede elétrica inteligente?

Com a ampla integração de novas fontes de energia, como energia solar, eólica e biomassa, à rede de distribuição por meio de geração distribuída, micro-redes e pequenas e médias usinas (incluindo usinas de armazenamento de energia e estações de carregamento para veículos elétricos), a rede elétrica inteligente em nova situação está enfrentando muitos problemas novos. A estrutura de controle de qualidade da energia dentro da arquitetura da rede inteligente é composta principalmente por geração distribuída, redes de transmissão e distribuição, cargas elétricas, compensadores de qualidade de energia, entre outros.

Com a ampla integração de novas fontes de energia, como energia solar, eólica e de biomassa, à rede de distribuição sob as formas de geração distribuída, microrredes e pequenas e médias usinas (incluindo usinas de armazenamento de energia e estações de carregamento para veículos elétricos), a rede elétrica inteligente (smart grid) diante do novo cenário enfrenta muitos problemas inéditos. A estrutura de controle da qualidade de energia dentro da arquitetura da smart grid é composta principalmente por geração distribuída, redes de transmissão e distribuição, cargas elétricas, compensadores de qualidade de energia, entre outros. Por um lado, como força motriz central para a integração das novas energias, a ampla utilização de equipamentos de conversão de energia por eletrônica de potência trouxe novas características e problemas à qualidade de energia nas redes de transmissão e distribuição, exigindo soluções urgentes. Por outro lado, a diversidade, não linearidade e impacto das cargas no lado do consumo de energia tornaram-se cada vez mais graves, tornando urgente a questão do uso eficiente da energia elétrica. Esses novos problemas trazem tanto oportunidades quanto desafios à tecnologia de controle da qualidade de energia. Como núcleo da smart grid, a microrrede é um sistema complexo não linear que acopla múltiplas fontes de energia. As fontes de energia distribuídas nela presentes possuem características como intermitência, complexidade, diversidade e instabilidade. Os novos problemas e características relativos à qualidade de energia estão se tornando cada vez mais proeminentes. Por isso, um dos pontos críticos que precisam urgentemente ser estudados e resolvidos para garantir a operação segura e estável da rede de distribuição com a conexão de microrredes é exatamente o problema da qualidade de energia.
Classificação de compensadores de qualidade de energia
A tecnologia de controle de compensação de qualidade de energia pode ser dividida em tecnologia de controle ativo e tecnologia de tratamento passivo. Para diferentes problemas de qualidade de energia, os dispositivos de compensação correspondentes são classificados e apresentados. A tecnologia de controle passivo suprime ou resolve problemas de qualidade de energia, como harmônicas, potência reativa e desequilíbrio trifásico, conectando compensadores eletrônicos de potência adicionais em paralelo ou em série. Os dispositivos de compensação incluem principalmente filtros passivos de potência (PPF), filtros ativos de potência (APF), filtros híbridos ativos de potência (HAPF), compensadores de potência reativa, restauradores dinâmicos de tensão (DVR) e reguladores integrados de qualidade de energia (UPQC), entre outros. Dentre eles, o compensador de qualidade de energia baseado em conversor modular multinível (MMC) está se tornando um foco de pesquisa e tendência futura na tecnologia de gerenciamento de qualidade de energia de média e alta tensão, devido à sua estrutura modular em cascata de baixa tensão. A tecnologia de controle ativo envolve equipamentos elétricos ou fontes de potência distribuídas alterando suas características de impedância de entrada ou saída para equilibrar a função de gerenciamento da qualidade da energia. A tecnologia de controle ativo de qualidade de energia não apenas aumenta a taxa de utilização da energia, mas também melhora a qualidade geral da energia do sistema, sem necessidade de adicionar compensadores adicionais.
2. Métodos de controle para compensadores de qualidade de energia
Atualmente, os compensadores de qualidade de energia adotam principalmente conversores do tipo fonte de tensão ou fonte de corrente. Os métodos de controle de corrente comumente utilizados para compensadores incluem principalmente: controle por histerese, controle sem etapas (step-free), controle preditivo baseado em modelo, controle proporcional-integral (PI), controle proporcional ressonante (PR), controle repetitivo e controle robusto não linear, entre outros. Além disso, melhorando o controle de corrente convencional, o desempenho de controle do modo único de corrente pode ser aprimorado. Por exemplo, o método de controle que combina PI convencional e PI vetorial pode simplificar o processo de detecção de harmônicas. O método de compensação por divisão de frequência harmônica, em comparação com o método tradicional de compensação de banda completa, melhora a precisão de detecção e de compensação de cada harmônica, sendo especialmente adequado para diversos dispositivos de filtro ativo de potência híbridos de alta e baixa tensão, entre outros.
3. Análise e controle da qualidade de energia de estações de geração distribuída em larga escala
Com o aumento da taxa de penetração de grandes estações de geração distribuída, como as de energia fotovoltaica e eólica (níveis de 10 kV a 35 kV), a interação e acoplamento dos harmônicos gerados pelos sistemas de usinas distribuídas, compostos principalmente por múltiplos inversores, com os sistemas de transmissão e distribuição de energia tornaram-se cada vez mais complexos. Os harmônicos emitidos pelas usinas de geração distribuída apresentam características de alta frequência e ampla faixa de frequência. A relação entre o fator de amplificação ressonante, a ordem harmônica e a distância de transmissão em uma usina de geração distribuída típica. Durante a propagação dos harmônicos na rede de transmissão, eles são afetados por fatores como a capacitância distribuída nas linhas de transmissão e a tensão harmônica de fundo, o que pode causar amplificação ressonante de corrente e tensão. Existem duas soluções para mitigar o problema de ressonância série-paralelo de harmônicos de banda larga na rede de transmissão, a saber: alterar os parâmetros da rede de transmissão e eliminar a ressonância por meio de reatores paralelos; instalar dispositivos de filtro ativo híbrido de alta tensão para reduzir o conteúdo da corrente harmônica que flui para a rede elétrica.