Análise quantitativa dos benefícios de sistemas de armazenamento de energia em baterias para o controle de frequência em microrredes de corrente alternada

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2017.Esta dissertação propõe uma estrutura de controle de sistemas de armazenamento de energia em baterias de íons de lítio para apoio aos controles primário e secundário de frequência em microrredes de corrente alternada operando em modo isolado. A microrrede apresentada é constituída de geradores síncronos convencionais, geração fotovoltaica, sistema de armazenamento de energia por baterias (BESS) de íons de lítio e cargas a serem alimentadas. A partir destes elementos a estrutura de controle para o sistema é estabelecida. Em microrredes operando em modo isolado, a relativamente baixa inércia tende a produzir dificuldades adicionais para a manutenção da frequência dentro de limites adequados. Em situações de ilhamento, a demanda do sistema terá que ser atendida unicamente pelas fontes distribuídas. Como a frequência da rede isolada é o melhor indicador do equilíbrio entre carga e geração, fica evidenciada a importância de se utilizar os desvios desta variável em relação ao seu valor nominal para acionar as fontes de energia controláveis e assim restaurar o balanço de potência na microrrede. Comparando com outras fontes de energia, os BESSs apresentam tempos de resposta extremamente baixos. Consequentemente, sua instalação em microrredes surge como potencial solução para manter a estabilidade de frequência e assim melhorar o qualidade do fornecimento de energia elétrica. As estratégias de controle de frequência propostas nesta dissertação são executadas em dois níveis, emulando os controles primário e secundário adotados em sistemas de potência de grande porte. O controle primário é executado localmente junto às fontes geradoras controláveis (geradores convencionais e BESS). Como, por si só, este controle não elimina o erro de frequência, contempla-se ainda um segundo nível de controle, que é centralizado e implementado no Controlador Central da Microrrede (MGCC). Além do controle de frequência propriamente dito, a estratégia utilizada neste trabalho também considera a monitoração simultânea do estado de carga (SoC) do sistema de armazenamento por baterias. Isto tem o objetivo de evitar sua operação próximo aos limites inferior e superior de armazenamento de energia, e assim preservar a vida útil dos componentes do BESS. A eficiência das estratégias de controle propostas é averiguada por meio de diferentes simulações realizadas em uma microrrede-teste típica utilizando ferramentas da plataforma Simulink associada ao programa computacional Matlab.Abstract : This dissertation proposes a control structure of energy storage systems in lithium-ion batteries to support the primary and secondary frequency controls in alternating current microgrids operating in isolated mode. The presented microgrid is constituted of conventional synchronous generators, photovoltaic generation, lithium-ion battery energy storage system (BESS) and loads to be fed. From these elements the control structure of the system is established. In microgrids operating in isolated mode, the relatively low inertia tends to produce additional difficulties in maintenance of the frequency within suitable limits. In islanding situations, the demand of the system must be met only by the distributed sources. As the frequency of the isolated grid is the best indicator of the balance between load and generation, it is evident the importance of using the deviations of this variable in relation to its nominal value to drive the controllable energy sources and thus restore the power balance at the microgrid. Compared to other energy sources, the BESSs have extremely low response times. Consequently, their deployment at microgrids arises as a potential solution to maintain frequency stability and thus improve the quality of the electrical power supply. The frequency control strategies proposed in this dissertation are performed in two levels, emulating the primary and secondary controls adopted in large-scale power systems. The primary control is executed locally, via controllable generator sources (conventional generators and BESS). Since the primary control does not eliminate the frequency error by itself, a second level of control, which is centralized, is also contemplated and implemented by the Microgrid Central Controller (MGCC). In addition to the frequency control itself, the strategy used in this work also considers the simultaneous monitoring of the battery storage system State of Charge (SoC). The purpose is to avoid its operation near both the lower and upper limits of energy storage, thus preserving the life of BESS components. The efficiency of the proposed control strategies is verified assessed by means of a variety of simulated case studies performed on a typical microgrid through the use of the Simulink platform of Matlab