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Sistema de Gerenciamento de

Planta Virtual de Geração

C.F.P. Lima, J.B. Almada, R.P.S. Leão, M.C. O. Rêgo, A. S. R. Neto, F. O. O. Segundo

Resumo—Este artigo tem por objetivo o controle e análise em estado permanente de um conjunto de geradores que formam uma Planta Virtual de Geração (PVG). O considerável crescimento em todo o mundo da geração distribuída (GD) tem sido principalmente devido à preocupação com o meio ambiente, ao acesso aberto à rede elétrica e às políticas de apoio à promoção das fontes renováveis de energia. O emprego de plantas de geração distribuída tem contribuído para o conceito de PVG como uma solução ao uso conjunto de plantas convencionais de grande porte e fontes de geração distribuída. As PVGs permitem que geradores de pequeno porte participem do mercado de energia e contribuam para a melhoria da operação do sistema de potência. Quando agregadas, as GDs ganham acesso e visibilidade no mercado de energia e a operação do sistema se beneficia do uso ótimo de toda capacidade disponível e o aumento da eficiência da operação.

Palavras Chaves—Geração Distribuída, Planta Fotovoltaica, Planta Virtual de Geração, Controle de Geração.

  1. Introdução

Com a reestruturação do setor elétrico surgem novos paradigmas e conceitos, em especial no segmento da geração de energia elétrica com a inclusão da geração distribuída (GD). A GD compreende tecnologias de geração de energia elétrica, em geral de escala reduzida, tipicamente na faixa de 3 kW a 30.000 kW, situadas próximas ao usuário (p.ex., residências ou comércio) para fornecer uma alternativa ou melhoria ao tradicional sistema de energia elétrica.

Com ênfase na utilização de fontes renováveis de energia, as GDs proporcionam a redução no crescimento das fontes convencionais poluentes de geração, e as apreensões com o meio ambiente têm levado ao estudo de uma maior integração de GDs ao sistema elétrico [1].

As GDs podem operar em modo isolado ou conectadas à rede elétrica, e qualquer que seja o modo de operação é necessário o desenvolvimento de sistemas de controle de produção destas unidades.

A utilização de fontes renováveis ocasiona um desafio na total integração das GDs à rede elétrica, pois a maioria dessas fontes é intermitente e com limitações na flexibilidade de geração (p.ex. células fotovoltaicas não produzem energia durante os horários de alto consumo e a geração eólica pode apresentar grandes variações na produção de eletricidade), dessa forma o controle na associação das GDs é indispensável [2].

As GDs e suas cargas, quando gerenciadas coletivamente por uma entidade de controle são denominadas de planta virtual de geração (PVG). As PVGs apresentam dimensão compatível às plantas convencionais de geração de médio e grande porte, tornando possível sua participação no mercado de energia e a oferta de serviços ao operador do sistema de distribuição e transmissão [3].

Devido à associação das unidades de geração por um sistema de controle, que pode ser centralizado ou descentralizado, e uma infra-estrutura de comunicação, as GDs de uma PVG cooperam e comportam-se como uma única unidade de geração para o operador do sistema e o mercado de energia. A unidade virtual que é criada, devido à maior capacidade torna-se mais competitiva no mercado de energia [4].

As PVGs inovam e trazem benefícios para todas as áreas do sistema elétrico. Os proprietários das GDs que formam uma PVG têm a ampliação da flexibilidade do seu sistema com a diversidade de tecnologias de geração (fotovoltaicas - PVs, eólicas, PCHs, biomassa, etc.), a redução dos riscos financeiros com a agregação de GDs e melhor capacidade de negociação. As vantagens para o operador do sistema de distribuição e transmissão são: melhor aproveitamento da flexibilidade da PVG para gerenciamento da rede elétrica, melhor coordenação entre transmissão e distribuição e redução da complexidade de operação causada pelo aumento das fontes intermitentes na geração. Os planejadores ganham por uma maior integração das energias renováveis enquanto o sistema continua seguro, permite a abertura do mercado de energia a pequenos investidores, maior eficiência global do sistema por capturar a flexibilidade das GDs e auxílio nas metas de redução de emissão do CO2 [2].

Este artigo trata de estratégias de controle da produção de um conjunto de unidades de GDs ligadas à rede de distribuição, utilizando como fontes de geração unidades movidas por máquinas síncronas e painéis fotovoltaicos, e o gerenciamento no lado da demanda em decorrência da presença de painéis fotovoltaicos. O sistema de gerenciamento da PVG busca o intercâmbio mínimo de energia da concessionária.

  1. Condições para Acesso ao Sistema de Distribuição

A. Procedimentos para a Conexão

No Brasil, a conexão de centrais geradoras ao sistema de distribuição deve ocorrer segundo regras definidas pela ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, mediante contrato entre acessante (unidade produtora) e acessada (rede de distribuição local). Quando a tensão de conexão for superior a 69kV, a elaboração do parecer de acesso (documento obrigatório apresentado pela concessionária acessada, onde são informados as condições de conexão e uso, e os requisitos básicos para a conexão da central geradora à rede de distribuição) pela distribuidora deverá ter a coordenação do ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico.

O processo passa pela escolha do ponto de conexão pelo acessante, estudo da situação entre as duas partes, verificação de viabilidade e novas sugestões, possíveis reformas ou acréscimos à rede. Uma etapa importante é a escolha pelo local que apresente o menor custo global, isto é, menor investimento em reforços nas linhas de distribuição e/ou transmissão e menores custos por perdas elétricas.

A tensão adequada a cada nível de potência é apontada conforme Tabela I [5].

TABELA I

Níveis de Tensão para GDs

POTÊNCIA INSTALADA

NÍVEL DE TENSÃO DE CONEXÃO

< 10 kW

Baixa Tensão (monofásico)

10 a 75 kW

Baixa Tensão (trifásico)

76 a 500 kW

Baixa Tensão (trifásico) / Média Tensão

501 kW a 30 MW

Média Tensão / Alta Tensão

> 30 MW

Alta Tensão

As proteções mínimas necessárias, mostradas na Tabela II, [5], para o ponto de conexão das centrais geradoras são, também, determinadas de acordo com a potência da unidade.

TABELA II

Mínimas Proteções

EQUIPAMENTO

POTÊNCIA INSTALADA

< 10kW

10kW a 500kW

> 500kW

Elemento de desconexão

Sim

Sim

Sim

Elemento de interrupção

Sim

Sim

Sim

Transformador de acoplamento

Não

Sim

Sim

Proteção de sub e sobretensão

Sim

Sim

Sim

Proteção de sub e sobrefreqüência

Sim

Sim

Sim

Proteção contra desequilíbrio de corrente

Não

Não

Sim

Proteção contra desbalanço de tensão

Não

Não

Sim

Sobrecorrente direcional

Não

Não

Sim

Sobrecorrente com restrição de tensão

Não

Não

Sim

B. Avaliações e Atribuições

As unidades de geração com potência instalada superior a 300kW devem avaliar as condições técnicas para uma operação ilhada, no entanto esse tipo de operação só pode ocorrer se, realizados os estudos, a energia produzida pela unidade atender os critérios de qualidade de energia. Entre outras, uma avaliação importante é a possibilidade de a central geradora vir a participar do controle automático de geração – CAG e do esquema de corte de geração – ECG.

As GDs podem atribuir o despacho do agrupamento aos Centros de Despacho da Geração Distribuída – CDGD, os quais podem realizar a supervisão e o comando das respectivas centrais geradoras, podendo também realizar a coordenação e o controle das centrais não despachadas pelo ONS. O CDGD realizará a gestão técnica e administrativa das GDs.

Os estudos básicos efetuados pelo acessante devem avaliar no ponto de conexão e nas áreas de influência do sistema elétrico acessado os seguintes aspectos: nível de curto-circuito, capacidade de disjuntores, barramentos, transformadores de instrumentos e malha de terra, coordenação de proteção e ajustes dos parâmetros de controle de tensão e frequência [5].

B. Qualidade de Energia

Para o acesso das GDs à rede de distribuição é necessário que a energia por elas produzida não afete o sistema. Como já citado, em operações ilhadas, a qualidade da energia é um fator fundamental, por isso a ANEEL estipula os níveis aceitáveis de fator de potência, variação de tensão e/ou de frequência e interrupções, afundamentos e elevações momentâneas e temporárias de tensão, entre outros.

A conexão é realizada em corrente alternada com frequência de 60 Hz. O produtor é o único responsável pela sincronização apropriada de suas instalações com o sistema de distribuição acessado. Os níveis aceitáveis de tensão das GDs devem seguir as mesmas especificações das distribuidoras, nas quais são estabelecidas as durações máximas para valores de tensão fora da faixa adequada em relação à tensão de referência do contrato. A Tabela III, [6] indica os níveis de tensão que são aceitáveis, precários e críticos para pontos de conexão em média tensão. Esses valores são, também, empregados como base para o estudo do melhor ponto de localização das GDs [5].

TABELA III

Intervalos de Tensão Medida

CONDIÇÃO DE TENSÃO

VARIAÇÃO DA TENSÃO DE LEITURA (TL) EM RELAÇÃO À TENSÃO DE REFERÊNCIA DO CONTRATO (TC).

Adequada

0,93TC≤TL≤1,05TC

Precária

0,90TC≤TL<0,93TC

Crítica

TL<0,90TC ou TL >1,05TC

O fator de potência de deslocamento mínimo quando a unidade geradora opera no modo sobreexcitado é 0,90 e no modo subexcitação o fator mínimo é de 0,95 [7].

  1. Sistema de Distribuição

A simulação dos sistemas de controle de uma PVG foi realizada no Simulink/Matlab, e para o fluxo de potência da rede foi utilizado o software PSCAD. Foi adotada a planta de um alimentador comercial com distribuição radial em média tensão (11kV), como mostrado na Fig. 1.

Foram conectadas 9 cargas fixas distribuídas entre 34 barramentos. Os valores de resistência e de reatância das linhas de distribuição estão apresentados na Tabela IV [8].

Fig. 1. Configuração da rede de distribuição.

TABELA IV

Dados do Alimentador

Da barra

À barra

Comp. [km]

R [Ω/km]

X [Ω/km]

Carga [MW]

1

03

1,15

0,195

0,080

0,230

3

06

1,55

0,299

0,083

0,460

3

16

1,00

0,524

0,090

0,230

6

22

3,20

0,299

0,083

1,380

6

07

0,60

0,524

0,090

-

7

10

1,40

0,524

0,090

0,300

7

30

0,90

0,524

0,090

0,225

10

12

0,45

0,524

0,090

0,367

10

34

1,20

0,524

0,090

0,228

22

27

1,95

0,299

0,083

1,287

Total

-

13,40

-

-

4,637

À rede de distribuição apresentada foram conectadas três unidades de geração distribuída, duas das quais são fontes que usam geradores síncronos e a terceira, painéis fotovoltaicos.

A. Máquinas Síncronas

As duas unidades GDs representadas por geradores síncronos têm, cada, potência nominal de 2,245MVA, frequência de 60Hz e tensão de linha de 480V. Adotou-se para os geradores fator de potência de deslocamento igual a 0,9 atrasado, tornando a produção de potência ativa máxima igual a 2,0205 MW. Os geradores foram conectados ao alimentador por transformador trifásico elevador 0,48/11kV.

B. Unidade de Geração Fotovoltaica

A unidade fotovoltaica produz energia elétrica somente quando há radiação solar disponível. Em alguns horários do dia não há quantidade significativa de radiação. O gráfico da distribuição de radiação solar diária considerada neste trabalho é mostrado na Fig. 2.

Fig. 2. Curva da distribuição de radiação solar diária.

Com a curva da radiação solar diária e a potência nominal da unidade geradora pode-se estipular uma distribuição de potência diária. Como a potência gerada varia ao longo do dia, é necessário um controle de carga que leve em consideração a curva de potência diária dos painéis fotovoltaicos, para que a quantidade de energia importada da rede elétrica seja mínima.

Os módulos foram projetados para que a potência produzida seja igual a 2 MW quando uma radiação de 1000 W/m² for aplicada aos módulos fotovoltaicos. Tem-se a distribuição de potência mostrada na Fig. 3.

Fig. 3. Distribuição diária de potência.

C. Localização das Unidades de Geração Distribuída

Para a localização das GDs, as cargas do alimentador foram concentradas na barra final de cada vão (Tabela IV). Três cargas que variam ao longo do dia foram acrescentadas ao sistema nas barras 30, 10 e 22. As curvas da Fig. 4 mostram o perfil das cargas variáveis, denominadas de carga 1, 2 e 3 [9]. Dependendo de sua localização, a GD pode aumentar as correntes de falta, causar variações na tensão, interferência no controle da tensão, diminuir ou aumentar as perdas, etc. É, portanto, importante avaliar os impactos técnicos da GD no sistema de potência a fim de não haja degradação na qualidade da energia e na confiabilidade da instalação elétrica. Com a inclusão de GDs, as perdas na linha no sistema de distribuição podem ser modificadas. Além disso, com a inclusão de uma GD próxima ao terminal remoto de um alimentador radial, corrente é injetada no alimentador reduzindo ou mesmo revertendo o sentido do fluxo de potência no alimentador podendo assim contribuir para o aumento da tensão na barra remota [10].

Três principais critérios foram adotados para a localização das GDs: as perdas nas linhas de distribuição, a regulação e os níveis de tensão nos barramentos. Os critérios foram quantificados em formas de índices para comparar diferentes topologias do sistema para diferentes pontos de conexão das GDs, indicando quais os melhores pontos para a conexão das unidades de geração distribuída [11],[12].

Fig. 4. Curva de demanda das cargas variáveis.

D. Controle de Cargas

Como uma das unidades de geração é baseada em radiação solar, faz-se necessário um gerenciamento das cargas a serem atendidas, já que radiação varia durante o dia. Isso irá garantir que a quantidade de energia importada da rede seja mínima.

Utilizou-se o Matlab/Simulink para realizar esse controle de carga baseado no seguinte critério: a GD 3, representada pela geração fotovoltaica suprirá a carga 3 segundo a capacidade de geração dos painéis fotovoltaicos mostrada na distribuição de potência da Fig. 3. Supostamente, a carga 3 é não essencial podendo ser aplicado o gerenciamento de sua demanda.

Fig. 5. Demanda de cargas após o controle.

Assim, quando os níveis de potência da carga puderem ser supridos pela GD 3, o atendimento à carga continuará normal, porém quando o valor de potência requisitado pela carga for maior que a produzida pelos painéis, então parte da carga vai ser cortada, de forma que só será atendida carga com potência equivalente a produzida pelos painéis.

As demandas das cargas variáveis encontram-se na Fig. 4 e a curva de demanda após o controle de carga encontra-se na Fig. 5.

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