Dentro do universo dos sistemas BESS, temas como formação e seguimento de rede fazem parte de praticamente qualquer estudo de aplicação. Mas o que realmente significam esses conceitos e qual é a complexidade envolvida?
Como parâmetro inicial, um sistema estático de armazenamento de energia utiliza conversores eletrônicos para realizar a conversão DC/AC e, portanto, não possui, em sua essência, os elementos eletromecânicos de sincronização característicos de uma máquina rotativa tradicional, seja ela uma turbina hidráulica, uma turbina térmica, uma turbina eólica associada a um gerador ou mesmo um grupo gerador movido a combustível.
Isso é importante porque o BESS, ao se conectar à rede elétrica, seja seguindo uma rede preexistente, seja formando uma nova referência de tensão e frequência, deverá atender às condições necessárias de sincronismo, especialmente quanto à amplitude da tensão, à frequência e ao ângulo de fase.
Diante da ausência de uma referência síncrona eletromecânica própria, o BESS utiliza controles eletrônicos para estabelecer ou acompanhar esses parâmetros, principalmente por meio do PCS (Power Conversion System), em coordenação com o EMS (Energy Management System).
Ou seja, o BESS deverá ser capaz de seguir ou formar a rede elétrica, ajustando suas características operacionais para permitir a conexão, a operação e a eventual desconexão de forma segura e estável. Essas são as duas principais estratégias de controle conhecidas como Grid-Following (GFL) e Grid-Forming (GFM).
Grid-Forming: formação da rede elétrica
Em Grid-Forming, o conversor do BESS atua como uma fonte de tensão controlada, estabelecendo a amplitude e o ângulo da tensão na barra sem depender, para sua referência fundamental de sincronização, de uma rede preexistente.
Tecnicamente, isso pode ser obtido por meio de malhas de controle de tensão e mecanismos de geração da referência de frequência e ângulo, associados a leis de controle baseadas em potência.
As abordagens mais comuns incluem:
(a) Controle Droop P–f e Q–V: nessa estratégia, os desvios de potência ativa influenciam a frequência e o ângulo, enquanto os desvios de potência reativa influenciam a referência de tensão. Esse mecanismo permite o compartilhamento de carga entre múltiplas unidades, contribuindo para a estabilidade do sistema.
(b) VSG — Virtual Synchronous Generator (Gerador Síncrono Virtual): nessa abordagem, são introduzidos parâmetros virtuais de inércia e amortecimento, buscando reproduzir determinadas características dinâmicas de uma máquina síncrona convencional.
O controle VSG pode ser combinado com impedância virtual, frequentemente de característica predominantemente indutiva, além de estratégias de controle e limitação de corrente, incluindo mecanismos de anti-windup.
Durante faltas elétricas, essas estratégias devem coordenar a limitação de corrente, a estabilidade do controle e os requisitos de suporte à rede, incluindo, quando aplicável, a priorização da corrente reativa.
Entendendo melhor o VSG
Em maiores detalhes, o VSG (Virtual Synchronous Generator) é uma estratégia de controle Grid-Forming na qual o conversor é comandado para reproduzir, de forma equivalente, determinadas características dinâmicas de um gerador síncrono.
Na prática, o controlador calcula a frequência e o ângulo elétrico a partir de uma equação de oscilação (swing equation), utilizando parâmetros virtuais de inércia (J) e amortecimento (D), gerando, assim, a referência de tensão do conversor.
Em paralelo, uma lei de excitação virtual, análoga à atuação de um AVR (Automatic Voltage Regulator), pode regular a tensão e/ou a potência reativa (Q), utilizando características de controle Q–V.
O resultado é a capacidade de fornecer uma resposta dinâmica semelhante à inércia de máquinas síncronas, além de suporte rápido à frequência, respeitados os limites de potência, corrente e energia disponíveis no sistema.
Para garantir estabilidade e compartilhamento de carga entre múltiplas unidades, o VSG costuma ser combinado com controle Droop, impedância virtual e estratégias de limitação de corrente durante faltas, procurando preservar a estabilidade do ângulo virtual mesmo em condições de saturação.
Do ponto de vista de projeto, a parametrização de J e D estabelece um compromisso entre resposta dinâmica, robustez e amortecimento.
Uma maior inércia virtual pode reduzir a taxa de variação da frequência (ROCOF), mas também tornar a resposta dinâmica mais lenta. Já o amortecimento contribui para reduzir oscilações e melhorar a estabilidade.
Essa parametrização deve considerar a robustez da rede, frequentemente avaliada pelo SCR (Short-Circuit Ratio), os atrasos de medição e filtragem, a coordenação com controles superiores, como EMS e AGC (Automatic Generation Control), e os requisitos dos códigos de rede, incluindo LVRT/HVRT e suporte de potência reativa durante afundamentos de tensão.
Grid-Following: seguimento da rede elétrica
Já no Grid-Following, o BESS opera tipicamente como uma fonte de corrente controlada.
Nessa condição, o conversor mede a tensão da rede e sincroniza sua referência de ângulo de fase por meio de um PLL (Phase-Locked Loop).
A estrutura clássica utiliza uma malha interna de controle de corrente no referencial dq, com desacoplamento e compensação da tensão da rede, além de uma malha externa que converte as referências de potência ativa e reativa (P* e Q*) em referências de corrente (Id* e Iq*).
Assim, considerando o referencial dq alinhado à tensão da rede, a potência ativa é predominantemente controlada por Id, componente em fase, enquanto a potência reativa é controlada por Iq, componente em quadratura.
Esses controles devem respeitar os limites operacionais do conversor, garantindo que a combinação de potência ativa e reativa permaneça dentro de sua capacidade nominal e de sua curva de capacidade P–Q.
Em redes fracas, caracterizadas por baixo SCR, ou em condições de elevada distorção harmônica, o PLL pode introduzir acoplamentos e instabilidades decorrentes da interação entre o controle do conversor e a rede elétrica.
Por esse motivo, estratégias como PLL robusto, controle de impedância, feedforward filtrado, limitação coordenada de corrente durante eventos de LVRT e, em determinadas aplicações, a adoção de estratégias Grid-Forming podem ser consideradas para ampliar as margens de estabilidade.
A importância da especificação técnica e da integração do BESS
Sistemas BESS de menor complexidade nem sempre possuem funcionalidades Grid-Forming ou controles baseados em VSG.
Dessa forma, é fundamental verificar os requisitos de conexão e obter dos fornecedores garantias técnicas quanto à capacidade efetiva do equipamento de operar nas condições previstas em projeto.
Isso inclui não apenas a capacidade de formar uma rede elétrica, mas também de manter sua estabilidade, suportar perturbações e realizar a transição entre os modos de operação, quando essa funcionalidade for requerida.
É especialmente importante avaliar a capacidade de sincronização e reconexão com a rede da concessionária após uma operação ilhada, considerando as condições de tensão, frequência, ângulo de fase e a atuação dos dispositivos de proteção e manobra.
Deve-se evitar situações nas quais, de um lado, existam baterias perfeitamente carregadas e, do outro, uma rede elétrica disponível, mas sem que seja possível estabelecer o sincronismo e o acoplamento elétrico entre os sistemas.
Essas situações podem ocorrer em instalações com especificação inadequada, integração deficiente entre equipamentos ou estratégias de controle e proteção insuficientemente coordenadas.
Em síntese, a capacidade de armazenar energia não significa, necessariamente, a capacidade de formar uma rede elétrica, sustentá-la durante perturbações ou realizar uma transição segura entre operação ilhada e conectada à rede.
É justamente nessa diferença que reside uma parcela importante da complexidade técnica dos sistemas BESS.Flavio Marqueti – Engenheiro e Diretor Executivo da EVENERGY