Fast detection method for AC short-circuit faults in shipboard power systems based on decoupled double synchronous rotating frame

Resumo Técnico: Método de Detecção Rápida de Falhas de Curto-Circuito AC em Sistemas de Potência Navais Baseado em Referencial Rotativo Síncrono Duplo Desacoplado

Definição do Problema
Os sistemas de potência navais estão evoluindo para microrredes isoladas com capacidade limitada e baixa inércia, integrando cada vez mais fontes de energia renováveis, como fotovoltaica e armazenamento de energia. Neste ambiente, o inversor trifásico de dois níveis conectado à rede é uma interface crítica. No entanto, os métodos tradicionais de detecção de falhas de curto-circuito, que dependem de grandezas elétricas de frequência-potência em regime permanente (como valores RMS), sofrem com velocidades de operação lentas e capacidades de anti-interferência fracas. Essas limitações dificultam o atendimento aos requisitos de rapidez necessários para prevenir danos aos equipamentos, falhas em cascata e perda total de potência em sistemas navais modernos, particularmente dadas as complexas condições transitórias introduzidas pela propulsão e cargas diárias.

Metodologia
O artigo propõe um método de detecção rápida de falhas de curto-circuito AC baseado no Referencial Rotativo Síncrono Duplo Desacoplado (DDSRF). A metodologia procede através das seguintes etapas:

1. Modelagem do Sistema e Análise de Falhas: Um modelo de circuito equivalente de um inversor trifásico conectado à rede é estabelecido. Os autores analisam as características de resposta à falha tanto para falhas simétricas quanto assimétricas. Diferente de sistemas tradicionais onde falhas assimétricas afetam primariamente a fase afetada, a estratégia de controle de desacoplamento dos eixos d e q do inversor faz com que as amplitudes das correntes trifásicas aumentem de forma síncrona, independentemente da simetria da falha.
2. Construção do Vetor de Tensão: O DDSRF é utilizado para construir dois sistemas de coordenadas rotativos síncronos com direções de rotação opostas. Isso permite a separação precisa dos componentes de sequência positiva e negativa de tensão, mesmo sob condições de rede desequilibradas.
3. Construção da Variável de Estado de Falha (FSV): Uma Variável de Estado de Falha (FSV) é definida para integrar características de sequência positiva e negativa. A FSV é um vetor escalar variante no tempo normalizado, calculado como a diferença entre a razão de corrente normalizada e a razão de tensão normalizada:
   $$FSV = k_f \frac{i_m}{I_{pv}} - \frac{u_m}{U_N}$$
   Onde $i_m$ e $u_m$ são as amplitudes instantâneas de corrente e tensão, $I_{pv}$ e $U_N$ são valores nominais, e $k_f$ é um coeficiente de compensação.
4. Critério de Detecção: Sob operação normal ou distúrbios de não-falha (ex: flutuações de PV), a FSV permanece próxima de zero. Durante uma falha de curto-circuito AC, a tensão cai e a corrente surge, fazendo com que a FSV suba significativamente acima de zero. Um limiar ($FSV_{ac} = 0,15$) é definido para distinguir falhas de distúrbios.

Principais Contribuições

• Métrica de Detecção Inovadora: A introdução da Variável de Estado de Falha (FSV), que funde características de sequência positiva e negativa em um único valor escalar, permitindo a detecção rápida sem análise fase a fase.
• Aplicação do Referencial Rotativo Síncrono Duplo Desacoplado: A aplicação do DDSRF especificamente para detecção de falhas em inversores navais, aproveitando sua capacidade de desacoplar componentes de sequência para lidar efetivamente com falhas simétricas e assimétricas.
• Robustez a Distúrbios: O método foi projetado para ser insensível a distúrbios comuns de não-falha, como flutuações de saída fotovoltaica e partida de motores, que frequentemente causam falsos positivos em métodos tradicionais baseados em RMS.

Resultados Experimentais
O método foi validado utilizando um protótipo experimental de um inversor conectado à rede trifásico de dois níveis de 1 kW e modelos de simulação.

• Velocidade de Detecção: O método proposto alcançou tempos de detecção inferiores a 2 ms para vários tipos de falhas. Especificamente, atrasos de detecção foram registrados como 0,34 ms para curtos-circuitos trifásicos, 1,61 ms para faltas de terra monofásicas e tão baixos quanto 0,05 ms para faltas de terra bifásicas e curto-circuito bifásico.
• Comparação com Métodos Tradicionais: Comparado ao método tradicional de Raiz Quadrada Média (RMS), o método FSV proposto demonstrou uma melhoria de velocidade de mais de 50% (e até uma ordem de magnitude em alguns casos). Por exemplo, o método RMS levou até 22,4 ms para detectar um curto-circuito monofásico, enquanto o método FSV levou 1,61 ms.
• Estabilidade e Robustez: O método manteve desempenho estável através de diferentes ângulos de fase iniciais de falha. Além disso, sob distúrbios de não-falha (simulando mudanças de intensidade luminosa e partida de motor), a flutuação da FSV permaneceu bem abaixo do limiar de detecção (flutuação máxima de 0,07), confirmando que não ocorreram julgamentos falsos.

Significância
O artigo afirma que este método fornece um meio técnico eficaz para proteção rápida de falhas em sistemas de potência navais. Ao alcançar detecção em nível de microssegundos (com atrasos mínimos de 0,05 ms), o método oferece uma base de identificação extremamente precoce para disjuntores de estado sólido e limitadores de corrente rápidos. Essa capacidade permite o isolamento da falha antes que a corrente de curto-circuito atinja seu pico, evitando quedas de tensão de grande área que poderiam desconectar cargas críticas, como motores de propulsão e radares de alta potência. Em última análise, a abordagem visa melhorar significativamente a capacidade de operação contínua e os níveis de autorrecuperação dos sistemas de potência navais, particularmente em configurações complexas de microrredes AC/DC ou DC.