Inversores Formadores de Rede vs. Inversores Seguidores de Rede

Num sistema de energia isolado, escolher entre um inversor formador de rede e um inversor seguidor de rede não é uma questão de alguns pontos percentuais de eficiência. Trata-se da diferença entre um sistema capaz de estabelecer a tensão e outro que simplesmente não consegue iniciar. Essa distinção resume-se a um único princípio de controle: fonte de corrente versus fonte de tensão.

Fonte de Corrente versus Fonte de Tensão

Um inversor seguidor de rede comporta-se como uma fonte de corrente controlada. Ele utiliza um laço de travamento de fase para medir a fase de uma tensão CA existente e injeta corrente em sincronismo com essa referência. Ele depende inteiramente de uma referência externa de tensão e frequência para funcionar. Em um ambiente isolado da rede, onde tal referência não existe, um inversor seguidor de rede não tem nada a seguir.

Um inversor formador de rede, por outro lado, opera como uma fonte de tensão. Ele estabelece seu próprio fasor de tensão interno com magnitude e frequência definidas localmente, e outras fontes e cargas sincronizam-se a essa referência. Nesse sentido, seu comportamento assemelha-se ao de um gerador síncrono: ele não espera que uma rede exista; ele cria as condições para que ela exista.

Por que Sistemas Isolados da Rede Requerem Controle Formador de Rede

Num microgrid ou sistema isolado, não há rede elétrica pública para fornecer a referência de tensão e frequência. Se o sistema de conversão de potência (PCS) operar no modo seguidor de rede, nenhum dispositivo no sistema assume a responsabilidade por estabelecer essa referência. O microgrid não consegue ser energizado. Trata-se de uma condição funcional essencial, não de uma limitação marginal de desempenho.

O mesmo princípio se aplica quando cargas de motores de alta potência são conectadas. Motores de indução consomem uma corrente de pico elevada na partida, e essa corrente pode interferir nos laços de controle do inversor num microgrid isolado. Um inversor formador de rede deve permitir uma queda momentânea de tensão dentro dos limites de suporte definidos pela norma IEEE Std. 1547, mantendo ao mesmo tempo a regulação de tensão e evitando desligamento.

Inversores seguidores da rede não possuem essa capacidade em um contexto fora da rede, pois não são os dispositivos que estabelecem a tensão em primeiro lugar. Em microrredes, instalações industriais isoladas e operações remotas de mineração ou processamento, a capacidade de formação de rede é, portanto, um requisito básico, não uma atualização opcional.

O que procurar em um PCS de formação de rede

As capacidades essenciais incluem partida a frio (estabelecimento de tensão a partir de um estado sem energia), resposta de inércia em escala de milissegundos, contribuição de corrente de curto-circuito para suportar transientes causados pela partida de motores e transição suave entre os modos conectado à rede e isolado.

Um exemplo prático é um PCS formador de rede integrado a um transformador elevador, como os oferecidos pela Zhongmeng (Jiangsu Zhongmeng Electrical). A unidade integrada de reforço do PCS formador de rede especifica um tempo de resposta de 10 ms ou menos e operação estável com uma razão de curto-circuito (SCR) inferior a 1,1 — uma faixa que equipamentos convencionais seguidores de rede normalmente não conseguem suportar.

A unidade também incorpora resposta de inércia, controle de amortecimento, operação paralela de múltiplas unidades, partida em negro (black start) e tolerância a saltos de ângulo de fase, com eficiência de conversão igual ou superior a 98,5%. Essas especificações são relevantes não como dados meramente promocionais, mas porque correspondem diretamente às condições fora da rede descritas acima.

Uma breve lista de verificação para seleção

Antes de especificar um PCS para um projeto fora da rede, vale a pena fazer quatro perguntas.

1. O projeto envolve, de fato, operação isolada (islanded)? Se sim, o controle formador de rede é uma condição prévia.

2. O PCS consegue realizar uma partida em negro (black start) e estabelecer tensão em um barramento vazio?

3. Qual é o tempo de resposta à inércia, e ele é especificado em milissegundos em vez de segundos?

4. A unidade consegue suportar a corrente de pico das cargas de motores sem desarmar?

Se alguma dessas respostas for incerta, o modo de controle não foi adequadamente verificado.

Cenários de aplicação

Um inversor formador de rede não é um inversor seguidor de rede "melhor". É uma categoria distinta de dispositivo, adequado a condições distintas de rede. Em sistemas isolados, escolher a arquitetura de controle correta é mais importante do que comparar classificações de potência.

Perguntas Frequentes

P: Qual é a principal diferença entre inversores formadores de rede e inversores seguidores de rede?

R: O formador de rede atua como uma fonte de tensão que cria sua própria referência; o seguidor de rede atua como uma fonte de corrente que necessita de uma tensão existente para seguir.

P: Um inversor seguidor de rede pode operar em um sistema isolado?

R: Não. Sem uma referência externa de tensão, um inversor seguidor de rede não possui sinal com o qual se sincronizar e não consegue iniciar.

P: O que é capacidade de partida em vazio (black start)?

R: A capacidade de energizar um barramento desenergizado e estabelecer tensão sem qualquer fonte de energia externa.

P: Por que o tempo de resposta é importante para os PCS fora da rede?

R: Uma resposta rápida (10 ms ou menos) garante a estabilidade da tensão durante mudanças repentinas de carga e partida de motores em sistemas isolados.

P: O que significa um SCR abaixo de 1,1 para um PCS?

R: Indica que o PCS pode manter a operação estável em condições de rede fraca, onde a relação de curto-circuito é muito baixa. vel operation in weak grid conditions where the short-circuit ratio is very low.