Estimativa contínua da inércia do sistema de potência usando redes neurais convolucionais

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4440 (2023) Citar este artigo

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A inércia é uma medida da capacidade de um sistema de energia para neutralizar perturbações de frequência: em redes de energia convencionais, a inércia é aproximadamente constante ao longo do tempo, o que contribui para a estabilidade da rede. No entanto, à medida que aumenta a quota de fontes de energia renováveis, a inércia associada aos geradores síncronos diminui, o que pode representar uma ameaça à estabilidade global. Estimar de forma confiável a inércia de sistemas de energia dominados por fontes conectadas invertidamente tornou-se, portanto, de suma importância. Desenvolvemos uma estrutura para a estimativa contínua da inércia em um sistema elétrico de potência, explorando técnicas de inteligência artificial de última geração. Realizamos uma investigação aprofundada com base na análise de espectros de potência e correlações de entrada-saída para explicar como a rede neural artificial opera neste domínio específico, esclarecendo assim os recursos de entrada necessários para o treinamento adequado da rede neural. Nós validamos nossa abordagem em uma rede de energia heterogênea compreendendo geradores síncronos, compensadores estáticos e geração com interface de conversor: nossos resultados destacam como diferentes dispositivos são caracterizados por pegadas espectrais distintas - uma característica que deve ser levada em conta pelos operadores de sistemas de transmissão ao executar redes on-line. análises de estabilidade.

Nos últimos anos, a fracção da capacidade de produção de energia atribuída a fontes de energia renováveis ​​tem crescido a um ritmo acelerado1: isto, por sua vez, causou um aumento substancial na percentagem de fontes de energia ligadas à rede através de uma interface electrónica de potência conhecida como um inversor, daí o nome recursos baseados em inversores (IBRs). Comparados aos geradores síncronos, que constituem a principal fonte de energia nos sistemas de energia convencionais, os IBRs têm um comportamento dinâmico fundamentalmente diferente, que deverá ter implicações significativas para a dinâmica geral e estabilidade da rede elétrica2,3.

Em geral, os sistemas de energia são mantidos estáveis ​​limitando as excursões de frequência: uma medida comum da capacidade de um sistema de energia para neutralizar mudanças de frequência é a sua inércia, que, em sistemas de energia convencionais, está relacionada com a energia cinética armazenada nas massas rotativas dos geradores síncronos. e imediatamente disponível em caso de desequilíbrios repentinos de potência4 (mas consulte a ref. 5 para uma investigação do papel desempenhado pelo amortecimento da carga do gerador na manutenção da sincronização estável). As fontes de energia renovável com interface IBR, por outro lado, normalmente não fornecem inércia à rede elétrica. Uma consequência do aumento da penetração dos IBRs foi, portanto, uma redução na quantidade de energia gerada por centrais eléctricas convencionais, o que por sua vez levou a uma diminuição global da inércia juntamente com um aumento na sua variabilidade6: isto pode prejudicar a capacidade de um sistema de potência para contrabalançar adequadamente as oscilações de frequência devido a desequilíbrios de potência ativa7. Assim, além de estudar maneiras de fazer os IBRs imitarem a resposta inercial dos geradores tradicionais8, esforços significativos de pesquisa foram dedicados recentemente ao desenvolvimento de métodos para a estimativa da inércia de um sistema de energia, alguns dos quais foram revisados ​​na ref. 9. Estes podem ser classificados, grosso modo, em duas grandes categorias: (i) algoritmos desencadeados por uma perturbação considerável (ou seja, um evento significativo no sistema de energia em estudo); (ii) métodos que utilizam as medições sob condições normais de operação ou dependem da resposta transitória aos sinais de sondagem injetados para estimular continuamente o sistema de energia. As abordagens do primeiro grupo analisam as medidas de frequência elétrica e potências ativas após a detecção de uma perturbação significativa10,11. Quando se destinam à estimativa online, encontrar o instante exato em que a perturbação ocorreu é de suma importância, pois erros de julgamento afetam significativamente o processo de estimativa. Além disso, esses algoritmos não fornecem valores de inércia atualizados de forma contínua, pois necessitam de um evento desencadeador12,13. Em relação ao segundo grupo de métodos, as técnicas que necessitam de um sinal de sondagem para alimentar os sistemas de potência são impraticáveis ​​para grandes sistemas de potência, e o sinal perturbador influencia a estimativa . Por outro lado, as metodologias que empregam medições ambientais precisam executar um procedimento de identificação do sistema15,16, ou contar com o conhecimento de dados precisos em tempo real17, ambas potenciais limitações às técnicas. Encaminhamos o leitor interessado para 18,19 para revisões aprofundadas sobre o tema da estimativa de inércia em sistemas de potência.