As diferenças entre as estratégias de controle PQ, VF, droop e VSG dos PCS de armazenamento de energia.
2025-09-25
O conversor de armazenamento de energia PCS, também conhecido como inversor bidirecional de armazenamento de energia, é o componente central que possibilita o fluxo bidirecional de energia elétrica entre o sistema de armazenamento de energia e a rede elétrica. Ele é usado para controlar o processo de carga e descarga da bateria e realizar a conversão AC/DC.
1. Princípio de Operação do Conversor de Armazenamento de Energia
O princípio de operação do conversor PCS baseia-se principalmente na tecnologia de eletrônica de potência, realizando a conversão de energia e o fluxo bidirecional por meio do controle de chaveamento liga/desliga dos dispositivos de comutação.
- Modo de descarga: Quando a rede exige que o sistema de armazenamento libere energia, o conversor PCS converte a energia DC da bateria de armazenamento em energia AC e a envia para a rede.
- Modo de carga: Quando a rede exige que o sistema de armazenamento carregue energia, o conversor PCS converte a energia AC da rede em energia DC e a armazena na bateria de armazenamento.
Durante o processo de carga e descarga, o conversor PCS também requer controle preciso de potência e gerenciamento de energia com base na demanda da rede e no estado da bateria de armazenamento, garantindo operação estável e utilização eficiente do sistema de armazenamento de energia.
2. Modos de Operação do Conversor de Armazenamento de Energia
Quando o sistema de armazenamento de energia está conectado à rede principal, ou seja, o PCS opera em modo conectado à rede, o sistema de armazenamento é normalmente considerado um nó PQ, e seu PCS frequentemente utiliza uma estratégia de controle PQ simples e fácil de implementar (com o controle de potência como objetivo).
Quando o sistema de armazenamento de energia está desconectado da rede, ou seja, o PCS opera em modo off-grid, os métodos de controle comuns incluem controle mestre-escravo e controle droop. O controle mestre-escravo (controle VF, fornecendo referências de tensão e frequência) utiliza curvas droop de potência ativa e frequência, bem como curvas droop de tensão e potência reativa. Existem três modos: modo conectado à rede, modo off-grid e modo híbrido.
2.1 Modo Conectado à Rede
No modo conectado à rede, o PCS realiza a conversão bidirecional de energia entre o banco de baterias e a rede, e também apresenta características de inversor. As principais funcionalidades incluem:
Proteção anti-ilhamento: Em caso de falha na rede, o PCS interrompe automaticamente o fornecimento de energia à rede, prevenindo o efeito de ilhamento.
Sincronização com a rede: O PCS acompanha automaticamente a fase e a frequência da tensão da rede para garantir operação sincronizada.
Suporte a baixa tensão (Low Voltage Ride-Through): Durante quedas breves da tensão da rede, o PCS mantém a operação, garantindo a estabilidade do sistema.
Aplicações específicas:
Carga fora de pico: Durante períodos de baixa carga na rede, o PCS converte a energia AC da rede em energia DC para carregar a bateria, utilizando suas capacidades de gestão de carga e descarga para assegurar eficiência e segurança.
Descarga em pico: Durante períodos de alta demanda na rede, o PCS inverte a energia DC da bateria para AC e a injeta na rede pública, aliviando a pressão sobre a rede.
Regulação da qualidade de energia: Em períodos de baixa qualidade de energia, o PCS pode fornecer ou absorver potência ativa para a rede, além de compensação de potência reativa para melhorar a qualidade de energia.
2.2 Off-grid Mode
O modo off-grid, também conhecido como modo de operação em ilha, refere-se a situações em que o PCS pode se desconectar da rede principal e fornecer energia de forma independente para cargas locais.
As principais funções deste modo incluem:
Fornecimento de energia independente: Quando a rede não consegue fornecer eletricidade estável, o PCS pode, de acordo com os requisitos predefinidos, fornecer AC de forma independente que atenda aos requisitos de qualidade de energia da rede para cargas locais.
Fornecimento de energia de emergência: Em caso de falha da rede ou apagão causado por desastres naturais, o PCS pode alternar rapidamente para o modo off-grid para garantir fornecimento contínuo de energia para cargas críticas.
2.3 Hybrid Mode
O modo híbrido é um modo de operação avançado para sistemas de armazenamento de energia, permitindo a alternância flexível entre os modos conectado à rede e off-grid para garantir confiabilidade e flexibilidade do sistema.
Operação em Microgrid: O sistema de armazenamento de energia está localizado dentro da microgrid. Em circunstâncias normais, a microgrid está conectada à rede pública, e o PCS opera em modo conectado à rede.
Se a microgrid estiver desconectada da rede pública, o PCS alterna imediatamente para o modo off-grid, fornecendo a fonte de energia principal para a microgrid.
Aplicações Versáteis: O modo híbrido não só fornece filtragem, estabilização da rede e controle da qualidade de energia, mas também permite autocura e restauração de energia em caso de falha.
Cenários comuns de aplicação do modo híbrido incluem:
Regulação de Energia: Ao alternar frequentemente os modos de operação, a frequência e a tensão da rede são ajustadas para manter a estabilidade do sistema elétrico.
Autocura: Em caso de falha da rede, o sistema de armazenamento de energia alterna automaticamente para o modo off-grid para restaurar rapidamente o fornecimento de energia.
3. Grid-Following and Grid-Building Control
Para entender as diferenças entre as quatro estratégias de controle, primeiro devemos estabelecer uma estrutura de classificação de alto nível. Esta estrutura simplifica problemas complexos de controle em uma relação binária direta: "líder" e "seguidor". Esses dois papéis, grid-building e grid-following, definem a interação básica entre o inversor e a rede.
- Controle Grid-Following: Um “Seguidor Fiel” da Rede.
O núcleo do controle grid-following funciona como um “seguidor fiel” ou “fonte de corrente controlada” da rede. A tarefa principal de um inversor grid-following é se adaptar a uma rede existente e estável e segui-la. Usando seu circuito interno de loop de fase travada (PLL), ele detecta e se prende com precisão à forma de onda de tensão da rede externa como um radar, sincronizando assim sua frequência e fase. Uma vez sincronizado, injeta ou absorve quantidades específicas de potência ativa (P) e reativa (Q) na rede ou dela, com base em instruções do sistema de despacho de nível superior ou valores predefinidos internamente. - Controle Grid-Building: Um Construtor Ativo da Rede.
No seu núcleo, o controle grid-building atua como um construtor ativo da rede ou fonte de tensão controlada. Diferente do grid-following passivo, inversores grid-building estabelecem e mantêm proativamente uma rede AC independente. Eles não dependem de uma rede externa, mas geram autonomamente uma forma de onda de tensão estável que define a amplitude e frequência do sistema. Isso permite operação independente sem suporte da rede principal, como em cenários de islanding, microgrid ou black start da rede.
A figura a seguir compara as capacidades das quatro principais estratégias de controle. A seguir, detalham-se seus princípios, funções e diferenças com base em suas capacidades.
4. Comparação das Diferentes Estratégias de Controle
| PQ | V/F | Droop | VSG | |
|---|---|---|---|---|
| Tipo de controle | Seguidor de rede (GFL) | Formador de rede (GFM) | Formador de rede (GFM) | Formador de rede (GFM) |
| Objeto de controle | Corrente de saída (controle P/Q) | Tensão de saída (V/F constante) | Tensão de saída (V/I queda) | Tensão de saída (simulação de gerador) |
| Princípios básicos | Malha de corrente dq desacoplada | Referência de tensão fixa interna | Curva de queda P–I/Q–V | Equação virtual da máquina síncrona |
| Suporte inercial | Nenhum | Nenhum | Nenhum | Sim (vantagem clara) |
| Capacidades de ilha | Nenhuma | Sim (autônomo) | Sim (múltiplas máquinas em paralelo) | Sim (múltiplas máquinas em paralelo) |
| Capacidade paralela | Apenas conectada à rede principal | Nenhuma | Paralelo autônomo | Paralelo autônomo |
| Complexidade | Baixa | Baixa | Média | Mais alta |
| Cenários típicos | Conexão/controle de rede |
Máquina única off-grid/UPS
|
Conexão paralela de múltiplas máquinas em microrrede isolada | Rede fraca / alta proporção de energias renováveis |
4.1 Controle PQ:
Princípio típico de controle Grid-Following: o núcleo desta estratégia de controle está no controle de desacoplamento de corrente no sistema de coordenadas giratórias d-q.
Primeiro, utiliza-se um PLL (Phase-Locked Loop) para travar a fase da tensão da rede.
Em seguida, a potência trifásica AC é transformada no sistema de coordenadas síncronas d-q. Nesse caso, a potência ativa P está principalmente relacionada à corrente do eixo d, e a potência reativa Q à corrente do eixo q. Dois controladores PI independentes ajustam os componentes de corrente dos eixos d e q, permitindo controle independente e rápido de P e Q.
4.2 Controle V/F:
Princípio básico de controle baseado na rede: o princípio do controle V/F é bastante direto.
O controlador gera internamente uma onda senoidal ideal com amplitude e frequência fixas como sinal de referência de tensão. Em seguida, por meio de um sistema de controle de duplo laço fechado composto por tensão e corrente, a tensão real nos terminais de saída do inversor é medida em tempo real e comparada com o sinal de referência interno.
O regulador PI aciona o módulo PWM, forçando a tensão de saída a acompanhar com precisão esta referência interna. Essencialmente, esta é uma característica de “fonte de tensão” — o próprio inversor define a amplitude e a frequência da tensão, atuando efetivamente como uma “mini-rede” independente.
O regulador PI aciona o módulo PWM, forçando a tensão de saída a acompanhar com precisão esta referência interna. Essencialmente, esta é uma característica de “fonte de tensão” — o próprio inversor define a amplitude e a frequência da tensão, atuando efetivamente como uma “mini-rede” independente.
4.3 Controle Droop:
Princípio avançado de configuração de rede: o controle droop se baseia no controle V/F incorporando as características de droop frequência-potência ativa (f-P) e droop tensão-potência reativa (V-Q).
Exemplo: quando a potência ativa de um conversor excede o valor nominal, o sistema reduz proporcionalmente o ponto de frequência, fazendo com que outros conversores assumam mais potência, equilibrando automaticamente a carga entre múltiplos conversores.
Vantagens: Distribui energia entre vários conversores em paralelo sem necessidade de comunicação, alta confiabilidade e adequado para microgrids distribuídos (parques industriais, microgrids rurais).
Limitações: Erros permanentes inerentes; frequência e tensão do sistema desviam do nominal com variações de carga; precisão de distribuição de energia afetada por impedância de linha; resposta dinâmica relativamente lenta; fornece apenas amortecimento, sem suporte inercial.
4.4 Controle VSG:
Princípio avançado de formação de rede: o controle VSG se baseia no droop adicionando um fator de inércia (simulando a inércia do rotor de uma máquina síncrona) e um fator de amortecimento (para suprimir flutuações de frequência).
Ele também permite resposta dinâmica da potência ativa através do ajuste do “ângulo de potência virtual”.
Exemplo: quando a frequência da rede cai abruptamente, o VSG libera energia armazenada (inércia virtual) para reduzir a queda de frequência, semelhante a uma máquina síncrona real.
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