Adaptive VSG-Based Coordinated Frequency Support Strategy for Grid-Following/Grid-Forming Hybrid Wind Farms

A rede elétrica moderna é um equilíbrio delicado entre oferta e demanda, um sistema que tem dependido, por mais de um século, de enormes turbinas giratórias em usinas de carvão e gás. Essas máquinas pesadas atuam como um amortecedor natural; seu peso e momento puramente físicos mantêm a frequência do sistema estável mesmo quando a carga muda subitamente. À medida que o mundo migra para energias mais limpas, parques eólicos estão substituindo essas plantas tradicionais. No entanto, as turbinas eólicas não giram com a mesma inércia pesada. Elas se conectam à rede por meio de interruptores eletrônicos, o que significa que carecem desse amortecimento físico natural. Quando uma grande quantidade de energia eólica é adicionada sem o suficiente "peso rotacional", a rede torna-se frágil. Se ocorrer uma perturbação súbita, como o desligamento de uma grande fábrica ou a falha de um gerador, a frequência do sistema pode cair rápido demais, potencialmente desencadeando apagões.

Para resolver isso, engenheiros desenvolveram duas maneiras diferentes de fazer com que as turbinas eólicas se comportem mais como geradores tradicionais. Um método, chamado de seguimento de rede (grid-following), faz com que a turbina escute a rede e ajuste sua produção de acordo, de forma muito semelhante a um passageiro seguindo um motorista. O outro, o de formação de rede (grid-forming), permite que a turbina atue como o motorista, estabelecendo sua própria voltagem e frequência para apoiar a rede. Embora as turbinas de formação de rede sejam poderosas, elas podem ser instáveis em certas condições, e as turbinas de seguimento de rede são menos eficazes em fornecer suporte imediato. O desafio reside em fazer com que esses dois tipos diferentes de turbinas trabalhem juntas de forma harmoniosa, especialmente quando a velocidade do vento muda e a rede enfrenta um choque repentino.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Marítima de Xangai e do Instituto de Pesquisa de Equipamentos de Energia de Xangai propôs uma nova estratégia para coordenar esses parques eólicos híbridos. Eles reconheceram que a maneira padrão de controlar essas turbinas utiliza configurações fixas que não mudam, independentemente de quão severa seja uma perturbação ou de quanto suporte as outras turbinas estejam fornecendo. Essa rigidez pode levar a uma situação em que as turbinas de seguimento de rede esperam demais para ajudar, ou ajudam demais quando não é necessário, desperdiçando energia e desgastando os equipamentos. Os pesquisadores desenvolveram um sistema onde as turbinas podem adaptar seu comportamento em tempo real, ajustando sua "rigidez" e "amortecimento" internos com base exatamente no que a rede precisa naquele momento.

O cerne de sua solução envolve um método de controle conhecido como gerador síncrono virtual. Esta abordagem baseada em software engana a turbina eólica para que ela aja como se tivesse a massa giratória pesada de um gerador tradicional, permitindo que ela resista às mudanças de frequência. No novo design dos pesquisadores, a força desta massa virtual e a quantidade de amortecimento que ela fornece não são números fixos. Em vez disso, elas mudam dinamicamente dependendo de quão rápido a frequência está caindo e o quanto ela caiu. Se a frequência começar a despencar rapidamente, o sistema aumenta instantaneamente sua inércia virtual para retardar a queda. À medida que o sistema começa a se recuperar, as configurações mudam para ajudar a frequência a retornar ao normal sem ultrapassar o limite ou oscilar descontroladamente. Essa abordagem adaptativa garante que as turbinas de formação de rede forneçam a quantidade certa de suporte no momento exato.

Os pesquisadores também abordaram um problema específico de coordenação entre os dois tipos de turbinas. As turbinas de seguimento de rede geralmente possuem uma "zona morta" (deadband), uma pequena faixa de flutuação de frequência onde elas não fazem nada para evitar reagir a cada pequena oscilação. Em um parque híbrido, se as turbinas de formação de rede já estiverem fornecendo um suporte forte, as turbinas de seguimento de rede não devem intervir desnecessariamente. No entanto, se as turbinas de formação de rede estiverem com dificuldades, as de seguimento de rede precisam intervir imediatamente. A equipe criou uma zona morta dinâmica que muda sua largura com base no desempenho em tempo real das unidades de formação de rede. Se as turbinas de formação de rede estiverem fazendo um bom trabalho, a zona morta se alarga, dizendo às turbinas de seguimento de rede para ficarem quietas e economizarem suas reservas de energia. Se o suporte das turbinas de formação de rede enfraquecer, a zona morta se estreita, sinalizando para as turbinas de seguimento de rede ativarem seu suporte imediatamente. Isso cria uma relação fluida e cooperativa onde os dois tipos de turbinas agem como uma única unidade inteligente, em vez de dois grupos separados.

Para testar essa ideia, os pesquisadores construíram uma simulação computacional detalhada de um sistema de potência contendo dois geradores tradicionais e um parque eólico híbrido com quarenta turbinas de seguimento de rede e vinte turbinas de formação de rede. Eles submeteram esse sistema virtual a perturbações de carga repentinas sob três velocidades de vento diferentes: baixa, média e alta. Em cada cenário, eles compararam sua nova estratégia adaptativa contra dois métodos antigos: um onde as turbinas utilizavam configurações fixas, e outro onde apenas as turbinas de formação de rede se adaptavam enquanto as de seguimento de rede permaneciam estáticas.

Os resultados mostraram uma vantagem clara para a abordagem adaptativa. Quando ocorreu uma grande perturbação, o sistema utilizando a nova estratégia manteve uma frequência mínima mais alta, o que significa que a rede permaneceu muito mais próxima de seu limite operacional seguro. No cenário de baixa velocidade de vento, a frequência caiu para 49,8641 Hz com o antigo método fixo, mas a nova estratégia a manteve em 49,8772 Hz. No cenário de alta velocidade de vento, a melhoria foi ainda mais pronunciada, com a frequência mantendo-se em 49,7326 Hz em comparação com 49,7117 Hz com o método fixo. Essas frequências mínimas mais altas são críticas porque reduzem o risco de o sistema acionar desligamentos de emergência.

Além de manter a frequência mais alta, a nova estratégia também melhorou como as turbinas compartilham a carga de trabalho. As simulações mostraram que as turbinas de formação de rede liberaram mais de sua energia cinética armazenada quando necessário, e as turbinas de seguimento de rede ativaram seu suporte de forma mais eficaz. Crucialmente, a zona morta dinâmica evitou que as turbinas de seguimento de rede fossem ativadas com muita frequência durante flutuações menores. Os pesquisadores descobriram que isso reduziu o número de vezes que as turbinas tiveram que alterar sua saída de potência, o que é vital para reduzir o desgaste nos equipamentos. Ao coordenar os dois tipos de turbinas para que reajam apenas quando necessário e em proporção à necessidade real, o sistema alcançou um melhor equilíbrio entre manter a estabilidade da rede e preservar a vida útil do parque eólico.

O estudo conclui que esta estratégia de coordenação adaptativa oferece uma maneira prática de integrar altos níveis de energia eólica sem sacrificar a estabilidade da rede. Ao permitir que a inércia virtual e os limiares de ativação mudem em tempo real, o parque eólico híbrido pode responder a perturbações com a mesma flexibilidade e resiliência de uma usina de energia tradicional. As simulações sugerem que este método não apenas evita que a frequência caia demais, mas também garante que os diferentes componentes do parque eólico trabalhem juntos de forma eficiente, fornecendo uma solução robusta para o futuro das redes de energia renovável.