Implementação de técnica Active Disturbance Rejection Control (ADRC) no controle de velocidade do Regulador Eletromagnético de Frequência (REF)

Salazar, Andrés Ortiz

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

2025-07-02

Regulador Eletromagnético de Frequência (REF)

Fontes de energias renováveis

Geração híbrida

Sistemas de controle

Active Disturbance Rejection Control (ADRC)

Linear Active Disturbance Rejection Control (LADRC)

O aumento contínuo da demanda energética, aliado às crescentes preocupações sociais e políticas com a sustentabilidade, tem impulsionado a pesquisa e desenvolvimento de Fontes de Energias Renováveis (FERs), com destaque para a geração eólica e fotovoltaica (PV, do inglês Photovoltaic). A complementariedade temporal de fontes distintas e possibilidade de aproveitamento de estruturas existentes favorecem a utilização de arranjos híbridos de geração. Nesse contexto, o Regulador Eletromagnético de Frequência (REF) consolida-se como uma alternativa promissora, ao possibilitar a hibridização eletromecânica por meio de uma máquina de indução modificada, cuja armadura rotativa é acoplada à turbina eólica, enquanto uma segunda fonte primária fornece energia elétrica à máquina através de um inversor de tensão (VSI, do inglês Voltage Source Inverter). Esse arranjo físico confere ao REF vantagens importantes em relação às arquiteturas convencionais baseadas em conversores estáticos, como maior inércia eletromecânica e menor injeção de harmônicos na rede elétrica. Além disso, o REF torna o projeto da caixa de engrenagens do sistema eólico mais simples, tornando o conjunto mais compacto e eficiente. Por outro lado, o controle do REF é desafiador, devido à forte presença de distúrbios externos, como a variabilidade do perfil de vento das cargas conectadas. Como o REF alimenta a rede ou cargas locais por meio de um gerador síncrono, torna-se essencial manter a velocidade do rotor constante, a fim de garantir estabilidade e qualidade da energia entregue. Neste trabalho, propõe-se uma estratégia de controle baseada no Controle Orientado a Campo (FOC, do inglês Field-Oriented Control), na qual a malha externa de controle de velocidade substitui o tradicional controlador PI, amplamente utilizado em acionamentos de máquinas, por dois controladores mais robustos: o Active Disturbance Rejection Control (ADRC) e sua versão linear (LADRC). Tais controladores utilizam um Estimador de Estado Estendido (ESO, do inglês extended state observer) para identificar e rejeitar em tempo real as perturbações que afetam o sistema, tanto internas quanto externas, simplificando a dinâmica da planta para o projeto do controlador. A eficácia da técnica proposta é validada por meio de simulações computacionais no ambiente MATLAB/Simulink e ensaios experimentais em bancada, considerando diferentes condições operacionais e cenários de distúrbio.

The continuous increase in energy demand, combined with growing social and political concerns about sustainability, has driven research and development in Renewable Energy Sources (RES), with particular emphasis on wind and photovoltaic (PV) generation. The temporal complementarity of different sources and the possibility of utilizing existing infrastructure favor the adoption of hybrid generation systems. In this context, the Electromagnetic Frequency Regulator (EFR) emerges as a promising alternative, enabling electromechanical hybridization through a modified induction machine whose rotating armature is coupled to the wind turbine, while a second primary energy source supplies electrical power to the machine via a Voltage Source Inverter (VSI). This physical arrangement provides the EFR with important advantages over conventional architectures based on static converters, such as greater electromechanical inertia and reduced harmonic injection into the power grid. Additionally, the EFR simplifies the design of the gearbox in wind systems, resulting in a more compact and efficient setup. On the other hand, controlling the EFR is challenging due to the strong presence of external disturbances, such as variations in wind profile and the behavior of connected loads. Since the EFR supplies the grid or local loads through a synchronous generator, it becomes essential to maintain a constant rotor speed in order to ensure stability and power quality. In this work, a control strategy based on Field-Oriented Control (FOC) is proposed, in which the outer speed control loop replaces the traditional PI controller—commonly used in machine drives—with two more robust alternatives: Active Disturbance Rejection Control (ADRC) and its linear version (LADRC). These controllers employ an Extended State Observer (ESO) to estimate and reject, in real time, the internal and external disturbances affecting the system, thereby simplifying the plant dynamics for the controller design. The effectiveness of the proposed technique is validated through computational simulations using the MATLAB/Simulink environment and experimental bench tests, considering different operating conditions and disturbance scenarios.