Transferring the driveshaft inertia to the grid via the DC-link in MV drive systems

Resumo Técnico: Transferência da Inércia do Eixo de Transmissão para a Rede via o Link CC em Sistemas de Acionamento de Média Tensão

Definição do Problema
Sistemas de acionamento de média tensão (MT) são componentes críticos em processos industriais de alta potência, propulsão elétrica e geração de energia. À medida que as regulamentações de rede evoluem (ex: IEEE 1547.3, IEC 61400), há uma expectativa crescente para que essas cargas forneçam serviços ancilares, como suporte de inércia, suporte de salto de fase e compensação de potência reativa, tradicionalmente fornecidos por geradores síncronos. Embora exista pesquisa significativa sobre o controle do lado do motor e conformidade com a rede, a interação dinâmica entre a energia mecânica armazenada no trem de força e a rede elétrica permanece subexplorada. Conversores de formação de rede (grid-forming) convencionais tipicamente emulam inércia usando modelos de máquina síncrona virtual (VSM) ou loops de inércia sintética. No entanto, este artigo aborda o desafio de utilizar a inércia rotacional física já presente no eixo do trem de força, transferindo-a para a interface da rede sem introduzir inércia virtual, aumentando assim as capacidades de suporte durante faltas (fault ride-through) e a estabilização da rede.

Metodologia
Os autores propõem uma abordagem de controle em duas etapas para acoplar organicamente a inércia do eixo de transmissão à rede através do capacitor do link CC.

1. Acoplamento Elástico do Eixo de Transmissão ao Link CC:
   A primeira etapa envolve a modificação da referência de controle de velocidade para criar um elemento virtual de mola-amortecedor entre o eixo de transmissão e o link CC. Ao aplicar uma transformação de coordenadas onde a tensão do link CC ($v_{dc}$) é interpretada como a velocidade angular de um elemento de massa adicional ($w_{dc}$), o sistema efetivamente acopla a inércia mecânica ($M_1, M_2$) à capacitância elétrica ($C_{dc}$). Esta transformação torna o sistema total passivo em relação à tensão da rede e ao torque de carga, criando uma capacitância equivalente "grande" na interface da rede dentro da largura de banda do controle de velocidade.

2. Estratégias de Controle do Lado da Rede:
   O artigo avalia duas arquitetias de controle para induzir o comportamento de máquina síncrona (SM) na rede:

• Controle PI em Cascata Modificado: A estrutura de controle em cascata padrão é adaptada ao realizar o droop da referência de tensão do barramento CC com base na frequência da rede (saída de um PLL - Phase-Locked Loop). Isso cria um acoplamento onde a tensão do link CC rastreia a frequência da rede, efetivamente transferindo a inércia mecânica e elétrica combinadas para a rede.
• Controle de Correspondência (Matching Control): Esta abordagem utiliza uma estratégia de correspondência de modelo baseada na complementaridade "raio-círculo". Ela interpreta tanto os PLLs padrão quanto o controle de correspondência como esquemas de otimização de feedback. O controlador atua diretamente no vetor de modulação para minimizar a distância de energia entre o estado do sistema e um mapa de estado estacionário desejado (definido por setpoints de potência ativa/reativa). Este método incorpora inerentemente a sincronização (substituindo a necessidade de um PLL separado), regulação do link CC e rastreamento de corrente dentro de um único controlador baseado em gradiente.

Principais Contribuições

• Transferência de Inércia Física: O artigo demonstra que, ao acoplar elasticamente o eixo de transmissão ao link CC e utilizar leis de controle específicas, a inércia rotacional física do trem de força torna-se dinamicamente visível na interface da rede. Isso evita a necessidade de emulação de inércia virtual.
• Perspectiva de Controle Unificada: Os autores fornecem um framework teórico interpretando PLLs padrão e o controle de correspondência como algoritmos baseados em gradiente (Otimização de Feedback Online). Esta perspectiva revela que o controle de correspondência incorpora um mecanismo de PLL e oferece capacidades inerentes de limitação de corrente e rastreamento.
• Novo Design de PLL: Um novo design de PLL é proposto com base na decomposição do gradiente em componentes tangenciais e transversais em relação a um caminho circular (decomposição raio-círculo). Isso permite a reconstrução da magnitude e do ângulo da tensão da rede via descida de gradiente, melhorando a robustez em cenais de redes fracas.
• Validação Comparativa: O estudo apresenta um benchmark de simulação abrangente utilizando um modelo de alta fidelidade de um sistema de acionamento de usina de bombeamento (7 MVA do lado da rede, 5 kV de link CC, 6 MW de trem de força). Os métodos propostos são testados sob condições de rede rígida (SCR=49) e rede fraca (SCR=1).

Resultados
Os resultados da simulação, cobrindo saltos de fase, curtos-circuitos trifásicos, degraus de frequência e quedas de tensão, indicam o seguinte:

• Suporte durante Faltas (Fault Ride-Through): Tanto o controle em cascata modificado quanto o controle de correspondência mantêm com sucesso a estabilidade e suportam a rede durante distúrbios severos, incluindo saltos de fase e curtos-circuitos.
• Resposta de Inércia: O sistema acoplado exibe uma inércia total significativamente maior em baixas frequências (dentro da largura de banda do controle de velocidade), amortecendo efetivamente as oscilações de frequência da rede.
• Desempenho do Controle de Correspondência: A abordagem de controle de correspondência demonstra uma resposta de frequência-para-potência mais rápida em comparação com a abordagem em cascata, sugerindo uma largura de banda de regulação do link CC efetiva superior. Ela alcança o comportamento de formação de rede (suporte de frequência e tensão) sem um loop externo de barramento CC distinto ou um PLL separado, mantendo a estabilidade em condições de rede fraca onde sistemas em cascata poderiam enfrentar dificuldades.
• Limitação de Corrente: Ambas as abordagens aderem com sucesso aos limites de corrente durante transientes, com o controle de correspondência oferecendo um mecanismo unificado para sincronização e rastreamento de corrente.

Significância e Alegações
O artigo afirma que esta abordagem oferece um método "natural e baseado em passividade" para sistemas de acionamento interconectados. Ao transferir a inércia mecânica existente para o domínio elétrico, o método aumenta as capacidades de suporte à rede dos acionamentos de MT sem comprometer suas funções industriais primárias. Os autores destacam que o framework de controle de correspondência permite a substituição completa da estrutura em cascata tradicional, eliminando a necessidade de mecanismos de PLL separados ou loops externos de barramento CC, além de evitar instabilidades comuns em redes fracas. O trabalho sugere que esta metodologia é particularmente relevante para topologias de eixos complexos e futuros designs de sistemas de acionamento que exijam provisão robusta de serviços ancilares. A estabilidade dos sistemas propostos é sustentada por argumentos de separação de escalas de tempo e análise baseada em Lyapunov no apêndice.