Grid Forming: o que é, como funciona e qual o papel em BESS, microrredes e estabilidade

Entenda o que é grid forming, diferenças para grid following, como inversores formadores de rede controlam tensão e frequência e quais estudos, proteções e testes são necessários em BESS e microrredes.

Confira!

Grid forming é uma estratégia de controle na qual um inversor participa ativamente da formação das grandezas elétricas da rede, estabelecendo ou sustentando referência de tensão e frequência em vez de depender exclusivamente de uma onda externa já formada para sincronizar sua injeção. Essa capacidade é especialmente relevante em sistemas com alta participação de recursos baseados em inversores, BESS e microrredes, e pode permitir operação em redes fracas, ilhamento e até black start quando a arquitetura completa foi projetada para isso.

Grid forming não é sinônimo de “inversor que funciona sem rede” nem uma propriedade que, sozinha, garante estabilidade. O comportamento depende do algoritmo de controle, limites de corrente, fonte de energia no barramento DC, coordenação com outros conversores, proteção, transformadores, impedâncias, cargas e estratégia operacional. Um PCS pode declarar capacidade grid-forming e ainda exigir estudos específicos para demonstrar desempenho na rede onde será instalado.

A diferença essencial em relação ao grid following é a referência. Em um controle grid-following convencional, o inversor identifica ângulo e frequência da tensão existente e injeta corrente de acordo com essa referência. Em grid-forming, o conversor controla a tensão de forma a contribuir para criar a referência elétrica local. Em BESS, a disponibilidade controlável de potência ativa e reativa torna essa função particularmente interessante, mas o projeto precisa integrar bateria, PCS, EMS/PPC, proteção e sistema elétrico.

Grid following e grid forming: a diferença de princípio

A maior parte dos inversores conectados historicamente às redes foi desenvolvida para operar seguindo uma tensão já estabelecida por máquinas síncronas ou por outra fonte formadora. O controle mede a rede, sincroniza-se e determina a corrente a injetar.

Em termos conceituais, grid-following se comporta mais como uma fonte de corrente controlada conectada a uma referência existente. Grid-forming se aproxima do comportamento de uma fonte de tensão controlada atrás de uma impedância, embora implementações reais sejam mais complexas e incluam limitadores, malhas internas e funções de suporte.

Característica	Grid Following	Grid Forming
Referência de fase/frequência	segue uma tensão existente	participa da criação da referência
Variável externa dominante	corrente injetada	tensão/frequência e potência conforme controle
Rede forte	ambiente natural de operação	também pode operar
Rede fraca	pode exigir maior cuidado de estabilidade	pode oferecer suporte, conforme projeto
Operação ilhada	geralmente depende de outra fonte formadora	pode formar a rede local
Black start	não é característica típica isolada	pode ser possível com energia e arquitetura adequadas

A comparação não significa que grid-following seja uma tecnologia “ruim” ou ultrapassada. Redes modernas continuarão combinando diferentes controles. A decisão deve considerar função do recurso, força da rede, proporção de IBRs, requisitos de conexão, contingências e estudos de estabilidade.

Por que grid forming ganhou importância

A transformação do sistema elétrico aumenta a participação de geração solar, eólica e armazenamento conectados por eletrônica de potência. Ao mesmo tempo, em determinados períodos podem existir menos máquinas síncronas diretamente acopladas à rede.

Máquinas síncronas contribuem naturalmente com características eletromecânicas que historicamente fizeram parte da estabilidade do sistema: relação física entre rotação e frequência, energia cinética armazenada, corrente de falta elevada e resposta de tensão associada à excitação. Recursos baseados em inversores não reproduzem automaticamente esse comportamento; ele precisa ser criado pelo controle dentro dos limites físicos do conversor e da fonte primária.

O DOE mantém o consórcio UNIFI justamente para amadurecer tecnologias grid-forming, modelagem, interoperabilidade, demonstração e padrões. O NREL também pesquisa estabilidade de sistemas com maior participação de recursos baseados em inversores.

O ponto para engenharia é que a substituição de uma fonte síncrona por potência eletrônica não é uma troca “MW por MW” do ponto de vista dinâmico. A capacidade de fornecer serviços de rede precisa ser especificada e demonstrada.

Como um inversor grid-forming estabelece tensão e frequência

Um inversor não possui rotor mecânico que determine naturalmente a frequência. Seu controlador gera referências eletrônicas para as chaves de potência, modulando a forma de onda de saída.

Em grid-forming, malhas de controle definem amplitude e ângulo da tensão com base em algoritmos que podem usar relações de potência ativa-frequência e reativa-tensão, modelos de máquina virtual, controles por oscilador ou outras abordagens. O objetivo funcional é permitir que o conversor responda a mudanças de carga e interaja com outras fontes sem precisar de uma referência externa rígida.

É comum utilizar conceitos como droop: quando a potência ativa muda, a referência de frequência se ajusta segundo uma característica definida; de forma análoga, potência reativa e tensão podem ser relacionadas. Essa característica permite compartilhamento de carga entre fontes em paralelo.

O projeto deve tratar os parâmetros como parte da arquitetura, não como configuração deixada para a partida. Ganhos, slopes, limites, deadbands e prioridades de corrente afetam a interação dinâmica.

Grid forming não significa inércia física

O termo “inércia sintética” ou “inércia virtual” aparece frequentemente, mas precisa ser usado com precisão. Um BESS não cria massa girante. O controle pode emular determinadas respostas que relacionam frequência e potência, desde que haja energia e potência disponíveis.

A resposta é limitada pelo PCS, pelo estado de carga, pela energia armazenada e pelos algoritmos. Se o BESS estiver no limite de SOC ou de potência, não existe margem infinita para sustentar a mesma resposta.

Por isso, serviços de estabilidade precisam ser traduzidos em requisitos quantitativos: magnitude, tempo de resposta, duração, recuperação e condições iniciais. Dizer apenas “o inversor possui inércia virtual” não é um critério de projeto ou de aceite.

BESS é uma plataforma natural para grid forming

BESS combina uma fonte DC controlável com um PCS capaz de trocar potência ativa e reativa rapidamente. Diferentemente de uma fonte solar cuja potência primária depende da irradiância instantânea, a bateria pode manter reserva de energia e potência para responder a eventos, dentro de seus limites operacionais.

Isso não significa que qualquer BESS seja grid-forming. A arquitetura BESS precisa prever PCS com função adequada, estratégia de EMS/PPC, reservas de SOC, proteção, comunicação e modos de operação coerentes.

O dimensionamento de potência, energia e duração do BESS também é afetado. Um projeto que usa a bateria para arbitragem até o SOC mínimo pode não deixar reserva para black start ou suporte de frequência. Aplicações concorrentes precisam ser hierarquizadas.

Grid forming em microrredes

Microrredes são uma aplicação direta porque precisam de uma referência local quando desconectadas da rede principal. Durante operação conectada, a concessionária pode fornecer referência de tensão e frequência. Após a abertura do PCC, algum recurso interno precisa sustentar o barramento.

Um BESS grid-forming pode assumir essa função, enquanto geração fotovoltaica grid-following e outras fontes continuam injetando potência seguindo a referência local. O artigo sobre Microgrid e Microrrede detalha a sequência de ilhamento, balanço entre geração e carga, proteção e ressincronização.

A transição entre modos é crítica. O projeto deve definir se o sistema opera com transição aberta, fechada ou seamless, quais cargas serão mantidas, como o BESS absorve o desbalanço inicial e como a geração local reage.

Um inversor grid-forming capaz de energizar o barramento não resolve, sozinho, o balanço de energia. Se a carga exceder geração e capacidade do BESS, a frequência ou tensão não poderão ser mantidas indefinidamente. Load shedding e priorização de cargas podem ser necessários.

Black start: capacidade que precisa ser demonstrada

Black start é a capacidade de iniciar um sistema sem depender de uma rede externa energizada. Grid forming pode ser elemento central dessa função porque o inversor consegue estabelecer tensão e frequência a partir de um barramento desenergizado.

Mas black start envolve muito mais que o PCS. É necessário energizar transformadores, lidar com corrente de magnetização, alimentar serviços auxiliares, inicializar BMS e EMS, estabelecer comunicação, sequenciar cargas e fontes e controlar sobretensões ou transitórios.

A fonte DC também precisa estar disponível. Um BESS descarregado não realizará black start apenas porque o PCS possui essa função. O projeto pode definir SOC mínimo reservado, alimentação auxiliar independente e lógica de bloqueio para preservar capacidade de restauração.

O DOE destaca grid-forming como tecnologia capaz de contribuir para reinicialização de redes, mas a função em um empreendimento deve ser validada pela arquitetura e pelos testes específicos.

Rede fraca e força do sistema

O comportamento de inversores depende da impedância vista no ponto de conexão. Redes chamadas de “fracas” apresentam maior sensibilidade da tensão às injeções de corrente e podem criar interações entre controles.

Índices como short-circuit ratio são usados em determinados contextos para caracterizar força de rede, mas não devem ser aplicados mecanicamente. Em sistemas com múltiplos inversores, compensação, topologias complexas e controles diferentes, métricas simples podem não capturar todas as interações.

Grid-forming pode melhorar o comportamento em redes fracas, mas não elimina a necessidade de estudos. A estabilidade depende do conjunto: algoritmos, impedâncias, filtros, transformadores, número de unidades, limites de corrente e controles de outros recursos.

Potência ativa, frequência e reserva de SOC

Suporte à frequência exige disponibilidade de potência ativa. Se o sistema precisa aumentar rapidamente injeção quando a frequência cai, o BESS deve operar abaixo de sua potência máxima para manter headroom. Se precisa absorver energia em eventos de frequência alta, também deve haver espaço de SOC.

Isso cria conflito com outras aplicações. Um BESS dedicado a maximizar load shifting pode terminar o período de descarga próximo do SOC mínimo. Um sistema dedicado a absorver excedentes renováveis pode permanecer alto em SOC. Nenhuma dessas condições é ideal para fornecer resposta bidirecional completa em todos os momentos.

O EMS precisa coordenar reserva energética e reserva de potência. A especificação deve dizer qual serviço tem prioridade e quais condições suspendem aplicações econômicas para preservar segurança ou estabilidade.

Potência reativa e controle de tensão

PCS modernos podem controlar potência reativa dentro de sua capacidade aparente. Em grid-forming, a resposta de tensão e reativa faz parte da formação da rede local e do compartilhamento entre fontes.

A potência ativa e a reativa competem pelo limite de corrente do conversor. Em condições de tensão baixa ou durante faltas, a prioridade definida pelo controle pode alterar substancialmente a capacidade de fornecer cada componente.

Por isso, especificações precisam incluir curvas de capacidade, prioridades, limites térmicos e comportamento durante eventos. Uma declaração nominal de “±Q” não descreve necessariamente a resposta dinâmica em todas as condições.

Limitação de corrente durante faltas

Uma diferença relevante entre inversores e máquinas síncronas é a contribuição de curto-circuito. Conversores normalmente limitam corrente para proteger os semicondutores, e seu comportamento durante faltas é determinado pelo controle.

Essa limitação afeta proteção. Relés originalmente ajustados para correntes de falta muito superiores à carga podem perder sensibilidade em modos ilhados alimentados predominantemente por inversores. A direção e a sequência das componentes também podem mudar.

O Estudo de Curto-Circuito, Seletividade e Coordenação de Proteções deve representar os modos conectado e ilhado, considerando dados de contribuição fornecidos para os conversores e lógica de proteção prevista.

Proteção em sistemas grid-forming

A proteção precisa funcionar em diferentes topologias. Uma microrrede conectada à concessionária pode ter elevada corrente de falta disponível; quando ilhada e alimentada por BESS, o mesmo defeito pode produzir corrente limitada.

Funções de sobrecorrente simples podem não ter sensibilidade suficiente em todos os modos. Proteções direcionais, diferenciais, baseadas em tensão ou comunicação podem se tornar relevantes, dependendo da arquitetura.

O artigo sobre proteção de alimentadores com geração distribuída mostra como fontes distribuídas alteram premissas de direção e coordenação.

Intertravamentos também precisam impedir paralelismos indevidos e garantir sequências seguras de ilhamento e reconexão.

Grid-forming e grid-following podem operar juntos

Uma rede não precisa ser composta exclusivamente por inversores grid-forming. Em muitos projetos, uma ou algumas unidades formam a referência enquanto outras seguem essa referência.

Em uma microrrede, por exemplo, o BESS pode operar como grid-forming e os inversores fotovoltaicos como grid-following. Em uma planta híbrida, múltiplos PCS podem dividir funções. Em sistemas de grande porte, a proporção e localização dos recursos formadores podem ser variáveis de planejamento.

A coordenação entre fabricantes e algoritmos diferentes requer estudos de interoperabilidade. Mesmo controles estáveis isoladamente podem interagir quando conectados por impedâncias e malhas com faixas de frequência semelhantes.

Estratégias de controle grid-forming

Grid-forming é uma família de abordagens, não um algoritmo único. Entre conceitos encontrados na literatura estão droop control, virtual synchronous machine, virtual oscillator control e outras implementações proprietárias.

Para o proprietário, o ponto principal não é exigir um nome de algoritmo por preferência, mas especificar desempenho. Requisitos podem incluir resposta a degraus de carga, estabilidade em determinada faixa de impedância, recuperação de frequência, comportamento diante de faltas, operação em paralelo, transição de modo e black start.

O fornecedor precisa declarar modelos, limites e parâmetros necessários aos estudos. Se o modelo de controle não é disponibilizado ou validado, parte do risco de integração fica invisível até a fase de comissionamento.

Estudos RMS e EMT

Estudos de fluxo de carga e curto-circuito continuam necessários, mas podem não representar fenômenos rápidos de controle. Sistemas com elevada participação de conversores podem exigir análises dinâmicas RMS e, em casos mais críticos, simulação eletromagnética transitória — EMT.

A escolha do modelo depende do fenômeno e da decisão. RMS pode ser adequado para estabilidade de frequência e tensão em determinadas escalas; EMT representa chaveamento e interações rápidas com maior detalhe, mas exige modelos e dados mais complexos.

O erro é escolher a ferramenta antes da pergunta. O plano de estudos deve definir quais fenômenos precisam ser demonstrados e selecionar a modelagem compatível.

Pergunta	Tipo de análise possível
carregamentos e tensões em regime	fluxo de potência
níveis de falta	curto-circuito
resposta de frequência/tensão	dinâmica RMS, conforme modelo
interação rápida de controles	EMT quando tecnicamente necessário
proteção no modo ilhado	curto-circuito + análise funcional
black start	sequência dinâmica e testes integrados

Modelos de fabricante e validação

Grid-forming é fortemente dependente do controle, portanto modelos genéricos podem ser insuficientes para estudos finais. Durante a viabilidade, modelos simplificados ajudam a comparar arquiteturas; na fase de projeto e conexão, modelos validados do equipamento selecionado podem ser necessários.

A especificação deve exigir versionamento do modelo, parâmetros, limites de uso e correlação com firmware. Uma atualização de firmware que altera controle sem atualizar o modelo pode invalidar parte dos estudos.

Esse é um tema de gestão de configuração: equipamento, firmware, parâmetros e modelo de simulação precisam ter rastreabilidade até o aceite.

EMS, PPC e a hierarquia de controles

O PCS executa controles rápidos, mas não decide sozinho a estratégia de operação da planta. EMS e Power Plant Controller podem definir setpoints, reservas, modos e prioridades em escalas mais lentas.

A arquitetura precisa evitar comandos contraditórios. Um EMS tentando maximizar descarga econômica não pode consumir a reserva necessária a uma função crítica sem autorização. Um PPC que controla potência no ponto de conexão precisa coordenar múltiplos inversores sem desestabilizar as malhas locais.

A Projeto de Automação Industrial é uma referência para estruturar controle, supervisão, redes OT e interfaces. Em BESS, a fronteira entre elétrica e automação precisa ser tratada explicitamente.

Grid forming e qualidade de energia

Formar tensão não significa que qualquer forma de onda será aceitável. Harmônicas, desequilíbrio, flicker, transitórios e interação com filtros continuam relevantes.

Durante ilhamento, a impedância equivalente pode mudar substancialmente em relação à operação conectada. Cargas não lineares que eram pequenas diante da rede forte podem representar fração maior da potência da microrrede. O BESS grid-forming passa a sustentar essa condição.

A Análise e Diagnóstico da Qualidade de Energia Elétrica pode ser incorporada ao comissionamento quando os requisitos de desempenho justificam medições específicas.

Como especificar grid-forming em um projeto BESS

Uma boa especificação evita exigir apenas “PCS com grid-forming”. O requisito precisa dizer o que o sistema deve fazer e em quais condições.

Podem ser definidos:

• modos conectado, ilhado e de transição;
• faixa de tensão e frequência;
• droops ou critérios equivalentes;
• potência e energia reservadas;
• comportamento durante faltas;
• capacidade de energização de transformadores;
• black start, se aplicável;
• número e combinação de unidades em paralelo;
• requisitos de compartilhamento de potência;
• interfaces com EMS/PPC e relés;
• modelos para estudos RMS/EMT;
• critérios de FAT, SAT e testes integrados.

A especificação deve distinguir funções obrigatórias, funções opcionais e funções futuras. Isso evita pagar por recursos que não serão utilizados ou descobrir depois que uma função crítica não fazia parte do escopo de fornecimento.

Comissionamento de um sistema grid-forming

Funções dinâmicas precisam ser comprovadas por testes. O Comissionamento de Equipamentos pode estruturar a cadeia FAT → instalação → SAT → partida → aceite.

Para grid-forming, testes podem incluir, conforme a arquitetura:

1. energização do barramento;
2. degraus de carga;
3. compartilhamento entre unidades;
4. variações de geração;
5. ilhamento;
6. load shedding;
7. recuperação após contingência;
8. ressincronização com a rede;
9. black start;
10. comportamento com perda de comunicação.

Critérios quantitativos devem ser definidos previamente: limites de tensão, frequência, tempo de recuperação, overshoot, estabilidade, alarmes e evidências a registrar.

Quando grid forming faz sentido

A necessidade cresce quando o sistema precisa operar sem uma rede forte fornecendo referência ou quando a estabilidade com elevada participação de IBRs é uma preocupação. Microrredes ilhadas, BESS de suporte à rede, ilhas elétricas industriais e sistemas com black start são exemplos típicos.

Isso não significa que todo BESS behind-the-meter deva operar grid-forming. Um sistema destinado apenas a peak shaving em uma instalação permanentemente conectada a uma rede robusta pode cumprir sua função com outra estratégia de controle.

A decisão deve vir de requisitos e estudos, não de tendência tecnológica. Grid-forming acrescenta capacidades, mas também aumenta exigência de modelagem, coordenação e testes.

Riscos de tratar grid forming apenas como feature de catálogo

Os principais riscos surgem quando uma função de sistema é reduzida a uma checkbox comercial:

• não definir quem forma a rede em cada estado;
• ignorar reserva de SOC e potência;
• presumir black start sem estudar auxiliares e magnetização;
• não revisar proteção para corrente limitada;
• usar modelos genéricos na fase final;
• não estudar operação paralela;
• deixar parâmetros de controle para a partida;
• não definir critérios quantitativos de aceite.

Cada um desses pontos pode aparecer somente durante testes, quando alterações de arquitetura se tornam mais caras.

Como contratar estudos e engenharia para grid forming

O escopo deve partir dos modos operacionais desejados. É necessário definir diagrama, fontes, cargas, contingências, ponto de conexão, requisitos de disponibilidade e funções esperadas do BESS.

A engenharia pode então estruturar modelos, estudos, filosofia de proteção, arquitetura de controle, requisitos de equipamento, procurement e matriz de testes. Em projetos com tecnologia de múltiplos fornecedores, Design Review e Owner’s Engineering ajudam a preservar interfaces.

O Electrical Readiness deve ser considerado quando a instalação existente receberá um BESS grid-forming ou será convertida para operação em microrrede.

Considerações finais

Grid forming é uma mudança importante na forma como recursos baseados em inversores interagem com o sistema elétrico. Em vez de apenas seguir uma referência externa, o conversor pode participar da formação de tensão e frequência e sustentar redes locais em condições nas quais grid-following não é suficiente.

Mas a capacidade só produz valor quando integrada ao sistema: fonte de energia, PCS, SOC, EMS, proteção, transformadores, cargas, automação e modos operacionais precisam ser coordenados. Black start, ilhamento e suporte de estabilidade não são promessas genéricas; são funções que devem ser modeladas, especificadas e testadas.

Para BESS e microrredes, grid-forming deve ser tratado como requisito de engenharia de sistema, não como atributo isolado de equipamento.

Referências técnicas

[1] U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. UNIFI Consortium. Disponível em: https://www.energy.gov/cmei/systems/unifi-consortium.

[2] U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. Solar Integration: Inverters and Grid Services Basics. Disponível em: https://www.energy.gov/cmei/systems/solar-integration-inverters-and-grid-services-basics.

[3] U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. Powering On with Grid-Forming Inverters. 2021. Disponível em: https://www.energy.gov/cmei/systems/articles/powering-grid-forming-inverters.

[4] NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY. Planning for Reliable Operations — Modernized Grid Stability. Disponível em: https://www.nrel.gov/grid/planning-for-reliable-operations.html.

Perguntas frequentes

O que é grid forming?

É uma estratégia de controle na qual o inversor participa da formação ou sustentação da tensão e frequência da rede, em vez de depender exclusivamente de uma referência externa já estabelecida.

Qual é a diferença entre grid forming e grid following?

Grid following sincroniza-se com uma tensão existente e controla principalmente a corrente injetada. Grid forming controla a tensão de forma a contribuir para criar a referência elétrica local.

Todo BESS é grid-forming?

Não. O PCS precisa suportar a função e a arquitetura deve coordenar bateria, SOC, EMS/PPC, proteção, comunicação e modos operacionais adequados.

Grid forming permite black start?

Pode permitir, mas não garante sozinho. Black start também depende de energia disponível, serviços auxiliares, energização de transformadores, sequência de cargas, proteção, automação e estratégia de partida.

Grid forming substitui estudos de estabilidade?

Não. A interação depende de impedâncias, controles, número de inversores, limites de corrente e outros recursos. Estudos RMS e, em casos específicos, EMT podem ser necessários.

Por que a proteção precisa mudar em uma microrrede grid-forming?

Porque, no modo ilhado, a corrente de curto-circuito pode ser limitada pelos inversores e muito diferente daquela disponível quando a instalação está conectada à rede principal.

Grid-forming sempre é necessário em peak shaving?

Não. Um BESS dedicado apenas a reduzir pico de demanda em uma instalação permanentemente conectada a uma rede robusta pode não precisar dessa função. A necessidade depende dos modos operacionais.

Como aceitar tecnicamente uma função grid-forming?

Definindo previamente critérios de tensão, frequência, resposta a degraus, ilhamento, compartilhamento, contingências e black start quando aplicável, e comprovando-os em FAT, SAT e testes integrados.

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Conteúdos principais sobre o tema

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• Microgrid e Microrrede: arquitetura, operação ilhada e integração de recursos energéticos
• BESS: como dimensionar potência, energia e duração do sistema de baterias
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