Baixe GAT XXI SNPTEE Floripa - gat 13 e outras Notas de aula em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! (*) Caixa Postal 68504 – CEP 21941-972 – Rio de Janeiro, RJ – Brasil Tel: (+55 21) 2562-8027 – Fax: (+55 21) 2562-8080 – Email: carmen@nacad.ufrj.br XXI SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão 1.0 23 a 26 de Outubro de 2011 Florianópolis - SC GRUPO - IV GRUPO DE ESTUDO DE ANÁLISE E TÉCNICAS DE SISTEMAS DE POTÊNCIA - GAT INFLUÊNCIA DO ILHAMENTO NA AVALIAÇÃO DA CONFIABILIDADE PROBABILÍSTICA DE MICRORREDES Carmen L. T. Borges (*) Leonardo F. Rocha Julio A. Dias Universidade Federal do Rio de Janeiro RESUMO Este artigo apresenta um modelo que incorpora a influência do ilhamento nas avaliações da confiabilidade de microrredes baseadas em fontes alternativas de energia. São avaliados os efeitos do processo de ilhamento em termos de tensão e de freqüência e o impacto das falhas dos componentes nos índices de confiabilidade da microrrede. É combinada a avaliação probabilística da confiabilidade, por Simulação Monte Carlo, com a análise dinâmica do ilhamento, por simulação da estabilidade transitória. As fontes alternativas são representadas por modelos estocásticos a múltiplos estados. O sucesso do ilhamento é pré-requisito para o cálculo dos índices de confiabilidade da microrrede. PALAVRAS-CHAVE Confiabilidade Probabilística, Microrredes, Ilhamento, Geração Distribuída, Fontes Alternativas. 1.0 - INTRODUÇÃO A conexão de geração distribuída (GD), muitas vezes associada com fontes de natureza intermitente, pode causar impactos positivos e negativos à rede da concessionária de distribuição. Para explorar ao máximo o benefício da GD, tem sido introduzida a idéia das redes ativas para descrever sistemas de distribuição auto-gerenciáveis, onde geradores de pequeno e médio porte estão integrados aos centros de controle da distribuição, com o objetivo de fornecer uma forma eficiente, segura e confiável, que permita a operação das chamadas microrredes [1]. As microrredes podem ser definidas como redes de distribuição de baixa e/ou média tensão contendo geradores distribuídos, sistemas de armazenamento e cargas controláveis, e que podem operar interligadas à rede da distribuidora ou, em situações de emergência, de forma ilhada, alimentadas por seus recursos próprios. Um ponto fundamental envolvido na implantação de microrredes está na alternância entre o modo de operação conectado e o modo de operação ilhado [2]. O ilhamento de parte da rede de distribuição (formação da microrrede) e a reconexão da mesma ao sistema principal pode ser considerado como um dos maiores desafios atualmente existentes no estudo da confiabilidade das microrredes. Em geral, os estudos de confiabilidade abordam os impactos de falhas de componentes da rede ou da GD na operação da microrrede sem explorar o processo de ilhamento e reconexão ao sistema principal. A rigor, a confiabilidade da microrrede está diretamente ligada às características dinâmicas do sistema, tendo em vista que nas redes ativas de distribuição a presença de unidades geradoras impõe novas restrições dinâmicas aos processos de ilhamento e reconexão. Para o processo de ilhamento, é importante estudar seu efeito na estabilidade tanto da microrrede como do sistema principal. Já para o processo de reconexão, é importante analisar os desvios de frequência entre a microrrede e o sistema principal antes de sincronizá-los. Ou seja, a complexidade envolvida pode ser comparada com os fenômenos de ilhamento e recomposição de sistemas de transmissão. No entanto, o grau de complexidade e os dados estocásticos necessários para se incorporar análises dinâmicas em estudos de confiabilidade são extremamente elevados, tornando-se necessário a exploração de abordagens alternativas. 2 O objetivo deste artigo é incorporar a influência do processo de ilhamento na confiabilidade das microrredes compostas por GD baseadas em fontes alternativas de energia. Para isso, são analisados tanto os efeitos do ilhamento na tensão e na frequência da microrrede quanto o impacto nos índices de confiabilidade devido a falhas nos componentes da própria microrrede. O modelo proposto está baseado na combinação da avaliação probabilística da confiabilidade com a simulação da dinâmica do processo de ilhamento. A avaliação da confiabilidade utiliza simulação Monte Carlo Não-Sequencial e Fluxo de Potência Ótimo Não-Linear para análise da adequação dos estados da rede. O objetivo final é identificar formas de incorporar o grau de sucesso do ilhamento nos índices de confiabilidade da microrrede, verificando se a mesma é capaz de sobreviver ao processo, além de avaliar sua influência na confiabilidade do restante do sistema de distribuição. Resultados serão apresentados para uma rede de distribuição de média tensão [3] onde, para os casos em que a microrrede sobrevive ao processo de ilhamento, sua confiabilidade é avaliada considerando tanto falhas na rede como a disponibilidade de geração das unidades de GD. Ao final, o grau de sucesso do ilhamento é incorporado dando origem a índices mais realistas da confiabilidade das microrredes. 2.0 - MICRORREDES Os incentivos governamentais, como consequência de crescentes preocupações socioambientais e relacionados com a ampliação da produção de energia baseada em fontes alternativas, têm contribuído para o surgimento de um novo conceito de redes de distribuição. Essas redes, denominadas de microrredes, são definidas como uma associação do sistema de distribuição de Média Tensão – MT e/ou Baixa Tensão – BT, com geradores distribuídos de pequeno e médio portes, além de cargas e de dispositivos de armazenamento, controlados por um sistema de gerenciamento, capaz de operá-la de forma conectada com a rede principal ou, em caso de falha na distribuidora, ilhada em relação à mesma. No modo de operação conectado, a microrrede pode importar ou exportar energia e/ou fornecer serviços ancilares. Já no modo ilhado, ela opera independentemente da rede da concessionária, usando recursos locais e passando do estado de controle de potência para controle de frequência e cortando carga, se necessário [4]. Diversas tecnologias de geração estão associadas com esse tipo de aplicação, tais como células combustíveis, turbinas eólicas, painéis solares, micro-turbinas e unidades de geração combinada de energia elétrica e calor/frio. Assim, os possíveis benefícios relacionados com a utilização das microrredes são: melhoria da confiabilidade, redução de perdas e fornecimento de serviços ancilares, como, por exemplo, controle de tensão. Além disso, são esperados benefícios sociais como redução do impacto ambiental do sistema de geração, menor exposição dos consumidores participantes à grandes falhas no sistema e, dependendo do caso, uma diminuição nos custos dos consumidores com energia [5]. Por outro lado, o aumento no número de unidades geradoras nas redes de distribuição, principalmente durante a operação ilhada, pode ser responsável por problemas de coordenação e controle, flicker de tensão e até mesmo instabilidade no sistema. Com isso, o desafio está em permitir a mudança de um modo de operação para o outro sem causar impacto no suporte de tensão, na estabilidade e na confiabilidade, tornando o controle e a proteção da microrrede itens importantes para a qualidade do fornecimento de energia. Dentro do conceito de microrredes, a rede de distribuição pode ser subdividida automaticamente, durante faltas ou interrupções, em pequenas ilhas com geradores assumindo parcialmente ou integralmente as cargas participantes. Assim, o problema está em avaliar se os recursos disponíveis são capazes de produzir energia suficiente e ao mesmo tempo manter adequados os níveis de tensão e de frequência para os consumidores da microrrede [2]. Nesse contexto, a estabilidade da microrrede está associada com a resposta da mesma ao tipo de perturbação e aos recursos disponíveis. Perturbações severas podem ser responsáveis por grandes variações de frequência, de tensão e de fluxo de potência. Dependendo do evento, podem ser observadas saídas em cascata de forma incontrolável, deteriorando o sistema e levando a uma perda significativa da carga. Dessa forma, ações de controle devem ser direcionadas para preservar o máximo possível do sistema de um colapso total [6]. A resposta do sistema para uma condição de ilhamento está relacionada, basicamente, com um transitório de frequência [7]. Com isso, o controle de velocidade e o sistema de suprimento de energia desempenham um importante papel na determinação do desempenho dinâmico da rede. Porém, frequentemente, a situação está associada, também, com questões de variação de tensão devido à reservas insuficientes de reativos. Assim, podemos afirmar que durante o chaveamento, duas situações podem ocorrer: Ilha com nível de geração insuficiente ou Ilha com geração superior à carga. No primeiro caso, se a capacidade dos geradores for inferior à carga, a frequência irá cair. Caso não exista a possibilidade de aumentar o nível de produção de energia das máquinas pertencentes à microrrede, a frequência pode alcançar patamares inviáveis, levando a saída das unidades geradoras por meio dos esquemas de proteção por subfrequência e piorando ainda mais o problema. Nesse caso, para evitar um colapso total da microrrede, devem ser empregados esquemas de corte de cargas, de forma a compatibilizar a carga e a geração, com o objetivo de estabilizar o nível de frequência do sistema. 5 estados de 1 a N e a taxa λij indica a transição do estado de vazão i para o estado de vazão j, conforme mostrado na Figura 2. As transições entre estados de operação e reparo do gerador são representadas por λ e µ. FIGURA 1 – RBTS-Barra2. As usinas térmicas a biomassa foram representadas através de modelos a três estados, como mostrado na Figura 3. Nesse modelo, as falhas de determinados componentes não acarretam a saída da unidade, mas implicam uma condição de operação com potência reduzida. FIGURA 2 – Modelo da PCH. FIGURA 3 – Modelo da Biomassa. 6.2 Dinâmica do Ilhamento Para avaliar o desempenho dinâmico do processo de ilhamento, a ocorrência de um curto-circuito trifásico no trecho 16 do RBTS-Barra2 foi considerada, seguido pela abertura dos respectivos disjuntores, formando a microrrede. As simulações foram realizadas através da utilização de unidades de 5,5 MW, 6 MW e 9 MW. Nos modelos dos geradores estão incluídos os modelos das máquinas síncronas, dos reguladores de tensão e do conjunto turbina-regulador de velocidade. Para o caso da GD de 5,5 MW, a microrrede não sobrevive ao ilhamento, conforme mostrado nas Figuras 4 e 5, onde se observa uma variação de tensão que ultrapassa 1,3 pu, acarretando a desconexão da unidade por meio dos esquemas de proteção de sobretensão. No que se refere à variação da freqüência, no entanto, a mesma fica dentro dos limites de 59,9 Hz e 60,1 Hz estabelecidos nos Procedimentos de Distribuição – PRODIST [10], após o transitório inicial. FIGURA 4 – Frequência da Microrrede - GD 5,5MW. FIGURA 5 – Tensão Barra 61 da Microrrede - GD 5,5MW. 59,40 59,90 60,40 0 ,0 2 ,2 4 ,5 6 ,7 8 ,9 1 1 ,1 1 3 ,4 1 5 ,6 1 7 ,8 F re q u ên ic a (H z) Tempo (s) 0,00 0,50 1,00 1,50 0 ,0 2 ,2 4 ,5 6 ,7 8 ,9 1 1 ,1 1 3 ,4 1 5 ,6 1 7 ,8 T en sã o ( p u ) Tempo (s) µ2 λ2 Operação (Capacidade plena) Estado degenerado (Capacidade parcial) Reparo (Capacidade nula) µ1 λ1 6 Este resultados demonstram a importância de incorporar o processo dinâmico de ilhamento na avaliação da confiabilidade das microrredes. Na avaliação da confiabilidade da microrrede, é usual considerar-se que, se a capacidade da GD é maior ou igual à carga total da microrrede, então não há corte de carga. Em estudos um pouco mais detalhados, é solucionado o fluxo de potência na microrrede para incorporar as perdas e avaliar se há violação dos limites de tensão e carregamento. Por estes critérios, chegar-se-ia ao diagnóstico de que não há corte de carga para a GD de 5,5 MW. No entanto, a simulação dinâmica do ilhamento mostrou que a microrrede, na verdade, não sobrevive ao processo de ilhamento e, consequentemente, toda a carga da mesma é cortada na ocorrência do falha considerada. Para as unidades de 6 MW e 9 MW, foi observado que a microrrede sobrevive ao processo de ilhamento, uma vez que a tensão permanece abaixo de 0,8 pu e acima de 1,1 pu durante menos de 3s, conforme determina o PRODIST [10]. Em relação à frequência, percebe-se uma pequena variação da mesma durante o curto. Porém, após o período transitório, onde se observam pequenas oscilações dentro dos limites aceitáveis, a frequência da microrrede se estabiliza em 60 Hz, graças à atuação do regulador de velocidade da unidade em questão. Os resultados obtidos para a GD de 9MW são mostrados nas Figuras 6 e 7, respectivamente, para as variações da frequência e da tensão na microrrede. FIGURA 6 – Frequência da Microrrede - GD 9MW. FIGURA 7 – Tensão Barra 61 da Microrrede - GD 9MW. O objetivo de avaliar o desempenho da microrrede associada com uma unidade de maior porte (9MW) é verificar se a ilha é capaz de sobreviver mesmo quando a geração é consideravelmente superior à carga, no momento da ocorrência do curto-circuito. Assim, mesmo com um nível de geração quase 50% superior à carga da microrrede, a frequência retorna ao patamar de 60 Hz em, aproximadamente, 10 segundos. Vale destacar que a rede principal é capaz de sobreviver ao ilhamento para todas as três capacidades de GD, se mantendo estável em todas as situações avaliadas. A freqüência do sistema varia muito pouco dentro do intervalo de 59,5 Hz a 60,5 Hz, mantendo-se dentro da faixa usualmente aceitável. 6.3. Índices de Confiabilidade – GD de 9 MW Depois de identificado que a microrrede com GDs de 6MW e de 9MW sobrevive ao processo de ilhamento, foram calculados os índices de confiabilidade para ambos os casos. A título de exemplo, serão mostrados os índices para o segundo caso, por ser esta a opção que fornece os melhores resultados. As Tabelas 2 e 3 mostram os índices de confiabilidade para o sistema RBTS-Barra2 íntegro, ou seja, antes da formação da microrrede, para o sistema todo e para cada ponto de carga do alimentador 3, respectivamente. Tabela 2 – Índices de confiabilidade da RBTS-Barra2. Índices Resultados do Sistema Resultados por Alimentador Alimentador 1 Alimentador 2 Alimentador 3 Alimentador 4 Ni 1908 652 2 632 622 SAIFI 0.135 0.105 0.125 0.152 0.149 SAIDI 3.587 3.445 0.626 3.707 3.623 ASUI 0.000409 0.000393 0.000072 0.000423 0.000414 ENS 64036.341 21511.6 2220.9 19522.252 20781.572 AENS 33.562 32.993 1110.5 30.9 33.411 Tabela 3 – Índices de confiabilidade dos pontos de carga do alimentador 3. LP10 LP11 LP12 LP13 LP14 LP15 Ni 210 210 200 1 1 10 λ 0.103 0.177 0.174 0.172 0.183 0.224 Ui 3.593 3.772 3.731 3.896 4.034 4.199 ENS 3114.5 3269.6 2720.1 3571.4 3697.6 3149.1 AENS 14.831 15.570 13.600 3571.402 3697.6 314.9 Os índices calculados para a microrrede, considerando GD do tipo biomassa ou PCH de 9MW, estão mostrados na Tabela 4, para o sistema, e nas Tabelas 5 e 6, para os pontos de carga. 59,70 59,90 60,10 60,30 0 ,0 2 ,0 4 ,0 6 ,0 8 ,0 1 0 ,0 1 2 ,0 1 4 ,0 1 6 ,0 1 8 ,0 F re q u ên ic a (H z) Tempo (s) 0,30 0,80 0 ,0 2 ,0 4 ,0 6 ,0 8 ,0 1 0 ,0 1 2 ,0 1 4 ,0 1 6 ,0 1 8 ,0 T en sã o ( p u ) Tempo (s) 7 Tabela 4 – Índices de confiabilidade da microrrede. Indices Biomassa 9 MW PCH 9 MW Ni 632 632 SAIFI 0.218 0.257 SAIDI 4.218 4.073 ASUI 0.000481 0.000465 ENS 19270.94 19131.878 AENS 30.491 30.272 Tabela 5 – Índices de confiabilidade dos pontos de carga da microrrede (Biomassa 9 MW) LP10 LP11 LP12 LP13 LP14 LP15 Ni 210 210 200 1 1 10 λ 0.266 0.218 0.177 0.111 0.132 0.073 SAIDI 4.766 3.959 3.959 4.253 3.299 3.373 ASUI 0.000544 0.000452 0.000452 0.000485 0.000377 0.000385 ENS 4131.1 3432.0 2886.8 3898.4 3024.6 2529.6 AENS 19.7 16.3 14.4 3898.4 3024.6 252.9 Tabela 6 – Índices de confiabilidade dos pontos da microrrede (PCH 9 MW). LP10 LP11 LP12 LP13 LP14 LP15 Ni 210 210 200 1 1 10 λ 0.296 0.293 0.189 0.090 0.152 0.082 SAIDI 4.555 4.030 3.679 4.380 3.154 2.803 ASUI 0.000520 0.000460 0.000420 0.000500 0.000360 0.000320 ENS 3948.368 3492.787 2682.451 4051.066 2890.847 2102.358 AENS 18.802 16.632 13.412 4015.066 2890.847 210.236 Ao comparar-se os índices do Alimentador 3 (Tabela 2) com os da microrrede (Tabela 4), pode ser observado que, em geral, os índices do alimentador, quando conectado ao sistema principal, são melhores do que na operação como microrrede. A operação como microrrede provê apenas melhoria em termos de ENS e AENS, tanto para GD do tipo PCH como Biomassa. Isso se deve ao fato de que, na operação como microrrede, as cargas podem ser mantidas pela GD, implicando em redução da energia não-suprida do sistema. Já para alguns pontos de carga, a operação como microrrede (Tabelas 5 e 6) implica em melhoria de todos os índices de confiabilidade em relação à operação conectada (Tabela 3), tanto para GD do tipo PCH como Biomassa. Essa melhoria ocorre, principalmente, para os pontos de cargas mais próximas da GD, como LP14 e LP15, pois na operação conectada, estes pontos se situam no final do alimentador 3, tendo assim pior confiabilidade. Os índices obtidos com a GD do tipo biomassa são, em geral, melhores dos que os obtidos com a PCH. O motivo está na menor intermitência da biomassa, que é uma geração térmica, em relação à PCH, onde a disponibilidade de energia depende da vazão do rio. 7.0 - CONCLUSÃO Este artigo apresentou um modelo que incorpora a influência do ilhamento na avaliação de sistemas de distribuição com microrredes, incluindo a representação de fontes alternativas de energia. Os efeitos do processo de ilhamento na tensão e na frequência tanto do sistema principal quanto da microrrede foram apresentados. Os resultados mostram que, em certos casos, a microrrede pode não sobreviver aos processo e, portanto, a avaliação da confiabilidade sozinha não é suficiente para uma apropriada avaliação da microrrede. Adicionalmente, foi observado que, dependendo do caso, as cargas da microrrede podem estar sujeitas à grandes variações de tensão e de frequência, especialmente para eventos severos. Então, os esquemas de controle e proteção para microrredes são realmente importantes para garantir a qualidade do suprimento de potência. O uso dos modelos que tratam adequadamente as fontes intermitentes de energia dentro da avaliação probabilística é de grande importância para a captura dos estados de geração da microrrede, uma vez que essas unidades não possuem a mesma disponibilidade que os geradores convencionais. Embora o nível de confiabilidade de alguns pontos de carga seja inferior quando a microrrede opera de forma ilhada, em comparação com a operação em conjunto com a rede da concessionária, a possibilidade da operação ilhada é uma grande alternativa, já que permite manter o suprimento mesmo em casos de falha no sistema principal. Adicionalmente, a confiabilidade dos pontos de carga próximos da conexão da GD é significativamente melhorada sob o modo de operação como microrrede.