V SBQEE PROBLEMAS DE CONTROLE DE TENSÃO EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO COM FONTES DISTRIBUÍDAS DE GERAÇÃO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA

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1 V SBQEE Semiário Brasileiro sobre Qualidade da Eergia Elétrica 7 a 0 de Agosto de 003 Aracaju Sergipe Brasil Código: AJU 074 Tópico: Aplicações de Novas Tecologias PROBLEMAS DE CONTROLE DE TENSÃO EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO COM FONTES DISTRIBUÍDAS DE GERAÇÃO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA L. N. Caha V. A. Popov A. L. Köig D. P. Berardo F. A. Farret UFSM/PPGEE UFSM/PPGEE UFSM/PPGEE UFSM/PPGEE UFSM/PPGEE RESUMO A istalação de fotes de geração distribuída as redes de distribuição represeta uma opção às cocessioárias para a expasão do forecimeto de eletricidade detro do atual modelo competitivo do mercado de eergia elétrica. A preseça de várias fotes, mesmo com pequeas potêcias e sem a ijeção de eergia a rede primária, poderá provocar perturbações os íveis de tesão do sistema. Em algus casos, pode-se ter a ecessidade de adotar providêcias para evitar uma possível ifluêcia egativa das mesmas sobre a qualidade da eergia forecida aos cosumidores. Neste trabalho são apresetadas cosiderações básicas para a aálise e a adequação da tesão as redes de distribuição, devido à preseça de fotes de geração distribuída. PALAVRAS-CHAVE Qualidade da Eergia Elétrica; Geração Distribuída; Queda de Tesão; Reajuste de Tap; Célula de Combustível..0 - INTRODUÇÃO O ovo modelo do mercado de eergia elétrica impõe às cocessioárias exigêcias crescetes a qualidade da oferta de eletricidade. Detre elas, destacam-se a dispoibilidade, a coformidade e a cotiuidade do forecimeto de eergia elétrica []. Deste modo, a qualidade assume um papel importate o processo de plaejameto estratégico das empresas. As microgerações distribuídas, istaladas as redes de distribuição (RD), mesmo sem a ijeção de eergia a rede primária (RP) cotribuem para o quesito dispoibilidade. Uma vez que tais meios de geração também ifluem sobre o ível de tesão do sistema, podem, da mesma forma, colaborar para a redução o úmero de cosumidores atedidos com tesão iadequada. Por outro lado, a ifluêcia pode atigir ão só o regime de tesão, mas também a defiição dos parâmetros dos meios de cotrole de tesão. Em algus casos pode-se ter a ecessidade de reajustar os taps de algus trasformadores de distribuição (TDs) para evitar uma possível ifluêcia egativa das mesmas sobre a qualidade da eergia forecida aos cosumidores. Detro desse cotexto, este trabalho apreseta propostas para a aálise e a otimização da qualidade de eergia, com o objetivo de adequar os íveis tesão das RD às alterações provocadas pela preseça de fotes de geração distribuída. O critério de otimização utilizado para solucioar este problema é a miimização da quatidade de eergia forecida com íveis de tesão fora do padrão. Não existe uma defiição úica para o termo qualidade da eergia, porém, todas as regras utilizadas avaliam as mesmas características: quato a sua amplitude (iterrupção, subtesão, sobretesão), quato a sua duração (trasitória, mometâea ou permaete), quato a sua forma de oda (harmôica, iterarmôicas, Uiversidade Federal de Sata Maria, Cetro de Tecologia, Programa de Pós Graduação em Egeharia Elétrica, Campus Camobi - CEP Sata Maria - RS - BRASIL Tel.: +55 (55) FAX: +55 (55) lcaha@ct.ufsm.br

2 56 otchig, ruído), quato ao desequilíbrio ou assimetria de tesão, e quato à flutuação que causa uma citilação lumiosa ( flicker ) []. Para a defiição dos prejuízos causados pelas violações os íveis permissíveis de tesão, as cocessioárias devem ter a possibilidade de modelar adequadamete as cargas (p. ex. para cada hora) e em seguida calcular a tesão ao logo dos alimetadores (ALs), tato para as RD quato para as redes de baixa tesão (BT). Como, em geral, as cocessioárias ão têm dispoível a modelagem horária das cargas é que a estimação da qualidade da tesão ocorre, muitas vezes, com base a aálise das assim chamadas variações máximas permissíveis da tesão. Neste caso, são aalisados os íveis de tesão que correspodem aos regimes de demada máxima e míima. Em tais abordages, além de ser impossível levar em cosideração a duração, supõe-se que as curvas de carga de todos os cosumidores são bastate homogêeas. De um modo geral as curvas de carga apresetam formas bastate heterogêeas, por estas razões, este artigo propõe também uma ova metodologia para a modelagem e estimação de estado dos modos de operação dos ALs, permitido processar de forma mais adequada todos os dados dispoíveis as cocessioárias. Obtedo-se, assim, fluxos de carga mais precisos e melhores resultados o processo de aálise da ifluêcia das microgerações dispersas sobre a qualidade da eergia elétrica forecida..0 - ESTIMAÇÃO DE ESTADO EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO Coforme mostram as experiêcias mudiais, as iformações dispoíveis as compahias de eergia sobre a carga elétrica da maioria dos cosumidores são, geralmete, os dados de cosumo mesal. Etretato, estes dados são isuficietes para modelagem dos modos de operação. Devido à grade quatidade de cosumidores que costituem o sistema de distribuição, torase impossível moitorar o comportameto de suas cargas através de medições, sedo ecessária a criação de metodologias para a estimativa das mesmas. Para obter um melhor processameto dos dados dispoíveis as cocessioárias, para a coversão do cosumo de eergia em demada horária, é proposto um método com base o uso de curvas típicas de carga. Neste caso, as estimativas prévias de carga dos TDs são corrigidas com relação às medidas verificadas a saída dos ALs, levado em cosideração ão só os valores das demadas ativa e reativa, mas também o ível de cofiabilidade dos dados.. Curvas típicas de carga. As curvas típicas represetam o comportameto diário de carga dos cosumidores similares. Como descrevem curvas de carga com a mesma forma, mas com demadas diferetes, é racioal represetá-las com valores ormalizados. O úmero ótimo de curvas típicas de carga deve ser defiido de acordo com a diversidade dos cosumidores. Iicialmete, para cada classe, foram criadas subclasses, difereciadas pelos valores de cosumo mesal de eergia elétrica e atividade ecoômica. É importate salietar que, a maioria das vezes, os dados dispoíveis para a costrução das curvas típicas ão são suficietes para a utilização de métodos estatísticos, portato, este trabalho são propostos algoritmos e métodos mais adequados para o processameto das medidas.. Curvas de carga para trasformadores de distribuição. O algoritmo apresetado a seguir para a costrução da curva de carga horária dos TDs, baseia-se o cosumo mesal de eergia e as curvas típicas, permitido difereciar dias úteis e fiais de semaa. Para isto, as curvas típicas de carga para dias úteis, sábados e domigos de cada grupo (k) de cosumidores típicos são ormalizadas em relação à demada máxima verificada (D Máx ). D ukt = Dukt Dkmáx D ; D skt = D skt kmáx D ; D dkt = D dkt kmáx No passo seguite, determia-se a demada média para cada curva típica: D ukméd = Dukt Dskt Ddkt t= t= t= ; D skméd = ; D dkméd = ode: = úmero de ordeadas da curva de carga cosiderada. Admitido que W, W,...W k = cosumo mesal dos cosumidores dos grupos,,...k; em N m dias, sedo: N m = N u + N s + N d. ode: N u = úmero de dias úteis; N s = úmero de sábados; N d = úmero de domigos. É determiada, assim, a seguite característica: W k = Dukméd Nu + Dskméd Ns + Ddkméd Nd De posse destas iformações, defie-se o valor da carga máxima para o grupo (k) de cosumidores:

3 57 kmáx Wk Wk D = para k =,..,k Estes dados são suficietes para a costrução das curvas de carga para cada tipo de cosumidor. D ukt = D ukt Dkmáx ; D skt = D skt Dkmáx ; D dkt = D dkt Dkmáx ; t =,...,; k =,...,K; E a curva de carga completa do trasformador de distribuição (TD). K K K D ut = Dukt ; Dst = Dskt ; Ddt = Ddkt ; t =,,. k = k = k = Com a costrução da curva horária estimada dos TDs, é possível calcular a potêcia da fote de geração e armazeameto de eergia a ser istalada para cada situação em particular..3 Coordeação de carga. As estimativas prévias de carga dos TDs são corrigidas com relação às medidas verificadas a saída dos ALs, levado em cosideração as difereças de carga e o ível de cofiabilidade dos dados iiciais. A cofiabilidade é determiada pelo cálculo da média poderada das variâcias das curvas típicas de carga..4 Fluxo de carga. Para cálculo do fluxo de carga a RP criou-se um software deomiado ASD Aálise de Sistemas de Distribuição, o qual permite verificar todas as características elétricas em tempo real ou quase real, tais como: queda de tesão, potêcias ativa e reativa, fator de potêcia, perdas, curto-circuito e topologia gráfica da rede CONSIDERAÇÕES BÁSICAS PARA O CONTROLE DE TENSÃO A Figura apreseta um AL covecioal de uma subestação (SE) e algus TDs istalados ao logo da rede, com seus respectivos taps. 3,8 kv V S, V S V T E T () V T E T () 3 V b V T E T () V m V T V (3) T (3) E T E T Figura Represetação de um AL de uma RD. A partir dos dados da Figura, determia-se a Equação. V = VS + ET Vm VT Vb () ode: V = tesão o poto de cosumo da eergia elétrica; V S = tesão a barra da SE; E T = aumeto o ível de tesão, devido à variação de tap do TD; V m = queda a tesão da RP; V T = queda a tesão do TD; V b = queda da tesão a rede secudária. Para apresetar o pricípio de cotrole de tesão, pode-se aalisar algus casos críticos sob o poto de vista do regime de tesão [3]. Caso : cosiderado o regime de demada máxima, para mater a tesão detro dos íveis padroizados, o tap do trasformador a SE está a posição que proporcioa o aumeto permissível o valor da tesão. O primeiro TD diretamete coectado com as barras da SE é o TD para serviços auxiliares da SE. Nesta situação, a tesão a SE ão deve provocar um ível de tesão, o poto de cosumo, acima da máxima tesão permissível. Caso : em regime de demada míima, a queda de tesão a RP será meor que o aumeto de tesão os TDs. Neste caso, deve-se impedir que o ível de tesão o primeiro TD com maior aumeto de tesão ultrapasse o limite máximo permitido. Caso 3: em regime de demada míima, deve-se assegurar aos cosumidores mais distates, ligados ao último TD com tap, que a tesão de forecimeto ão ultrapasse o limite míimo permitido. Para a defiição da lei de cotrole de tesão (LCT) para o trasformador da SE, são defiidos, portato, três potos, em fução de sua carga. coforme a Figura. O poto A correspode ao regime de demada máxima, B e C correspodem ao regime de demada míima. Assim, qualquer reta detro do triâgulo ABC defie a LCT desejada. V s I mi I máx B I (A) C Figura Defiição da lei de cotrole de tesão. 3. Algoritmo para o cotrole de tesão em RD com cargas homogêeas. Nem sempre apeas pelo uso dos meios básicos de cotrole de tesão é possível garatir a A

4 58 qualidade da tesão para todos os cosumidores. Como mostra a Figura 3, p. ex., em regime de demada máxima, com grade queda de tesão a RD, executadas todas as exigêcias para a defiição da LCT, é impossível garatir a qualidade da eergia para todos os cosumidores. Uma parte, atedida em BT, fica com o ível de tesão abaixo do permissível, V -, coforme o triâgulo KLM. As microgerações distribuídas, localizadas em algus potos da RD, podem ifluir tato o regime de tesão quato para a defiição de parâmetros dos meios de cotrole de tesão. Para ilustrar tais cosiderações, este trabalho são utilizadas, como fotes de geração distribuída, as células de combustível (FC), de pequeo porte, sem a ijeção de eergia a RP e istaladas os termiais de BT de algus TDs. Em [4] são apresetados algoritmos para o cálculo da potêcia da FC e do eletrolisador. É possível utilizar duas tecologias pricipais para uso das FC: a) o hidrogêio (H ) ecessário para o fucioameto da FC é distribuído comercialmete ou produzido o local através da reforma que utiliza outros combustíveis para a sua produção; b) o H é produzido através da eletrólise da água e o eletrolisador pode estar istalado o mesmo local da FC. É atural que o eletrolisador, este caso, deve cosumir eergia elétrica da RD o período de demada míima. A FC irá utilizar este H para gerar eergia para o cosumidor o horário de pota. Neste caso, temse a ifluêcia para ambos os regimes extremos que são cosiderados como base para a escolha da LCT as SEs e taps dos TDs. Supodo que em algum poto A da RD da Figura 3 esteja istalada a FC. Seu fucioameto o horário de demada máxima deve dimiuir o fluxo de carga a rede os trechos da RP etre a SE e o lugar de istalação da FC. Coseqüetemete, devem ser dimiuídas as quedas de tesão os mesmos trechos da RD e o TD ode está istalada a FC. Estes fatores trazem como coseqüêcia alterações a Figura 3. V ' V S ' V T V + ' V c V - Q Q P R P R E T (K) A FC (K ) (M) V m (4) (3) (L) (M ) () (6) () (5) Figura 3 - Diagrama de varição de tesão em redes de distribuição com demada máxima. ode: () tesão ao logo da RP; () Tesão a RP com a istalação da FC o poto A; (3) tesão os termiais de BT dos TDs; (4) Tesão os termiais de BT dos TDs após a istalação da FC o poto A; (5) tesão o fial das redes de BT; (6) tesão o fial das redes de BT após a istalação da FC o poto A; Eergia forecida com tesão fora do padrão permitido sem a istalação da FC; Eergia forecida com tesão fora do padrão permitido, após a istalação da FC. A aálise da Figura 3 mostra que o uso de fotes de geração distribuída o horário de pota pode melhorar a qualidade de tesão para algus cosumidores (triâgulo K LM, que reflete a quatidade de eergia forecida fora do padrão após a istalação da FC e que é meor que o triâgulo KLM, que represeta a mesma característica ates da istalação da FC) e, ao mesmo tempo, piorar a qualidade para outros cosumidores. Para alguma parte dos cosumidores a tesão vai ultrapassar o ível permissível (triâgulos P Q R e P Q R ). Isto ocorre porque, com a redução da queda de tesão a RD, tedo sido escolhidos previamete os taps dos TDs, estes já ão correspodem à ova realidade dos atuais regimes de tesão. Ao mesmo tempo, depois das alterações dos taps de algus TDs é possível perceber o efeito positivo sob o poto de vista do aumeto da qualidade da tesão. Etretato, a prática, a suposição sobre a homogeeidade das curvas de carga em sempre correspode à realidade. Por esta razão, é apresetada a seguir uma ova abordagem sobre o cotrole de tesão as redes de distribuição. 3. Modelagem das redes de baixa tesão. As codições ótimas de fucioameto dos equipametos de uma istalação ocorrem quado se trabalha com um certo ível de tesão, p. ex., a omial. Como, a prática, é impossível coseguir tal codição para todos os cosumidores, foi proposto em [5] escolher o regime de fucioameto dos meios básicos de cotrole de tesão de tal forma que seja matido o regime de tesão o mais próximo do omial o poto chamado cetro de carga da rede de BT de cada TD. Assim, calcula-se de acordo com a Equação 6 a queda de tesão do TD até o cetro de carga da rede de BT do mesmo TD, poderada pela potêcia, para o período de tempo t.

5 59 M Vm t Pm t m = V Ct =, t =,..., T (6) M Pm t m = ode: V m t = queda de tesão percetual a partir do termial de BT do TD até o cosumidor m, o período de tempo t, P = t m potêcia do cosumidor m do TD o período de tempo t, M = quatidade de cosumidores de BT do TD. Os íveis de tesão as barras de BT dos TDs defiem-se o processo de modelagem dos modos de operação das RD. Esta codição possibilita idetificar o ível de tesão para cada cosumidor virtual (levado em cota a hipótese de distribuição de carga uiforme) da rede de BT. Para as redes de BT são utilizados, como exemplo, algus esquemas típicos, como mostra a Figura 4. Figura 4 Esquemas típicos para as redes de BT Com base a Equação 6, é possível defiir a queda de tesão poderada pela eergia da barra da SE ode está istalado o trasformador com cotrole de taps sob carga até o cetro de carga de cada TD. T ( Vdt + VTt + VCt )Pt V = t = S (7) T Pt t = ode Vdt = queda de tesão percetual a RD da barra da SE até o termial de alta tesão do TD o período de tempo t; VTt = queda de tesão percetual do TD o período de tempo t. Calculados de acordo com a Equação 7, os valores de VS, =,..., N permitem defiir as posições ótimas dos taps de todos os TDs. O valor do aumeto da tesão em cada TD deve ser escolhido de forma que o próximo valor padroizado de aumeto de tesão E T deve ficar meor que o valor calculado de VS. É claro que, escolhidos de tal maeira, os taps dos TDs possibilitam garatir o melhor ível de tesão, em média, para um cojuto de cosumidores de cada TD, mas ão podem, de forma completa, levar em cota as alterações diárias de carga e os íveis de tesão. Depois da escolha dos taps (a) (b) dos TDs, como passo seguite, cosidera-se a defiição da LCT a SE que deve compesar as alterações diárias de carga e os íveis de queda de tesão as RD. Supõe-se que as codições ótimas de cotrole de tesão ocorrem quado, para cada período de tempo t a barra da SE, é possível garatir o aumeto o ível de tesão igual ao valor e (iverso do sial) da queda de tesão poderada pela potêcia em relação a todos os cetros de carga de todos os TDs que recebem eergia da barra desta SE. Assim, com base a a Equação 7, chega-se até a Equação 8. N (ET Vdt VTt VCt )Pt = E t = (8) N Pt = ode P t = carga total do TD o período de tempo t, N = quatidade de TDs que recebem eergia da barra da SE INFLUÊNCIA DAS FONTES DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA NA ESCOLHA DOS TAPS DOS TRANSFORMADORES E LCT O uso de fotes de geração distribuídas coectadas com os termiais de BT dos TDs ão iflui o fluxo de carga e as quedas de tesão ao logo das redes de BT. Ao mesmo tempo, a utilização de FC, p. ex., e a geração de H a partir da eletrólise, altera a Equação 6 o período de fucioameto do eletrolisador. Tem-se, assim, um aumeto o somatório das cargas ligadas ao TD devido à operação do eletrolisador (P e ). M Vm t Pm t m V Ct =, t = t M el,..., T el (9) Pm t + Pe m ode t el,..., T el = tempo de fucioameto do eletrolisador. Para defiir as modificações que ocorrem com a utilização das FC, é ecessário levar em cota que os compoetes da Equação 7 (o caso da istalação da FC em um ó l, p. ex.) devem ser corrigidos da seguite forma: Vdt = Vdt + 00Pe Ri / V, t = t el,..., T el ; i Pl, VTlt = VTlt + 00Pe Rl / V, t = t el,..., T el ; Vdt = Vdt 00Pf Ri / V, t = t fc,..., T fc ; i Pl, VTlt = VTlt 00Pf Rl / V, t = t fc,..., T fc. ode t el,..., T el, t fc,..., T fc são, respectivamete, os tempos de fucioameto do eletrolizador e da FC; i Pl, sigifica que é ecessário

6 50 cosiderar todos os trechos da rede que forecem eergia, ao mesmo tempo, para os TDs e l. 60,0 50,0 GRÁFICO DE TENSÃO 40, RESULTADOS PRÁTICOS 30,0 0,0 Como objeto de estudo aalisou-se a qualidade de tesão do trasformador 456.7, do AL CAX3-06 da cocessioária Rio Grade Eergia - RGE. O alimetador é composto por 6 TDs, atededo 3500 cosumidores, sedo que TD escolhido atede 4 cosumidores comerciais e 64 resideciais. Primeiramete, validaram-se os resultados da estimação de estado com as medições realizadas em campo. 50,00 45,00 40,00 35,00 COMPARAÇÃO DA CURVA ESTIMADA E MEDIDA PARA O TD 0,0 00,0 90,0 80,0 70, Limite Superior Precário Limite Iferior Precário Limite Superior Crítico Limite Iferior Crítico VA (V) VB (V) VC (V) Figura 7 Comportameto da tesão com a ifluêcia das FCs AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a AES-Sul, por seu apoio fiaceiro e também a RGE pelas iformações do sistema elétrico que foram dispoibilizadas CONCLUSÕES 30,00 5,00 0,00 5,00 0,00 5,00 0,00 Figura 5 Comparação da curva horária de carga medida e estimada para o TR Também se verificou que os íveis de tesão o TD estão fora do padrão segudo a resolução vigete [6], coforme apreseta a Figura 6. 60,0 50,0 40,0 30,0 0,0 0,0 00,0 90,0 80,0 70, P (kw) estimado Q (kvar) estimado P (kw) medido Q (kw) medido GRÁFICO DE TENSÃO Limite Superior Precário Limite Iferior Precário Limite Superior Crítico Limite Iferior Crítico VA (V) VB (V) VC (V) Figura 6 Comportameto da tesão o secudário do TD. A Figura 7 apreseta o comportameto da tesão após a istalação de 5 FC e eletrolisadores em potos estratégicos do AL cosiderado. Verificou-se que com a istalação das FC os íveis de tesão ficaram regularizados, coforme apreseta a Figura 7. Como os resultados da estimação foram bastate satisfatórios, pode-se dizer que a simulação represetará a situação real. Coclui-se que os algoritmos já implemetados para a estimação de estado das RD apresetam resultados positivos, permitido a aálise da ifluêcia das fotes de geração e armazeameto de eergia istaladas as RD sobre os íveis de tesão do sistema. A partir dos resultados, verificou-se que, quado se cosidera como alterativa a istalação das fotes de geração distribuída, a ecessidade de alterações a LCT depede de muitos fatores, em particular, da quatidade e modos de operação de todos os ALs ligados à barra da SE. Isto se justifica pelo fato de que a escolha da LCT deve ser realizada sob o poto de vista do iteresse de todos os cosumidores e ão dos cosumidores de apeas um AL. Assim, muitas vezes, com a correção do regime de tesão detro de um úico AL, a correção da LCT ão se faz ecessária REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [] Borestei, C., Regulação e Gestão o Setor Elétrico Brasileiro, Edição, Ed. Sagra-Luzzatto, 999. [] Aldabó, Ricardo, Qualidade a Eergia Elétrica, Edição, Ed. Art-Liber, 00. [3] Holmsky V., Zori V., Buslova N., Maliy N., Voltage Cotrol i Distributio Systems Eergetics ad Electrificatio, 968, 0, pp 3-8 (i Russia) [4] Caha, L. N.; Popov, V. A.; Farret, F. A., Determiatio of the Optimal Parameters of the Fuel Cells for Load Curve Maagemet, V INDUSCON - Coferêcia de Aplicações Idustriais, Salvador Bahia, 00, v., pp [5] Aberso, M., Optimizatio of Voltage Regulatio, Moscow, Eergy, 975, 60 p.. [6] Agêcia Nacioal de Eergia Elétrica ANEEL, Resolução 505, 6 de ovembro de 00.