UTILIZAÇÃO DE USINA RENOVÁVEL COMO COMPENSADOR DE POTÊNCIA REATIVA CONECTADA AO SIN SNAIDER, A HERSZTERG, K. S. SOUZA, L. M.

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1 UTILIZAÇÃO DE USINA RENOVÁVEL COMO COMPENSADOR DE POTÊNCIA REATIVA CONECTADA AO SIN SNAIDER, A HERSZTERG, K. S. SOUZA, L. M. SILVA, L. F. F. M. NEVES, P. S. MARTINS, R. S. OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELÉTRICO - ONS RESUMO DO ARTIGO: Este trabalho apresenta uma proposta de uso dos inversores de usinas renováveis, tais como plantas fotovoltaicas e eólicas, como compensadores de potência reativa, bem como uma discussão dos benefícios que este uso pode agregar ao desempenho do SIN. A proposta é validada através do estudo de caso do Conjunto Fotovoltaico Pirapora 2, instalado em Minas Gerais. Propõe-se também que seja regulamentada a possibilidade de contratação de prestação de serviços ancilares de suporte reativo para usinas renováveis, de forma semelhante ao que é praticado atualmente para unidades geradoras que operam como compensadores síncronos. PALAVRAS-CHAVE: Inversor; Compensador de Potência Reativa; Potência Reativa; Controle de Tensão; Operação; Planejamento; Fotovoltaica; Eólica; Serviço Ancilar.

2 UTILIZAÇÃO DE USINA RENOVÁVEL COMO COMPENSADOR DE POTÊNCIA REATIVA CONECTADA AO SIN 1. INTRODUÇÃO A crescente demanda por energia elétrica, associada à preocupação com a preservação do meio ambiente e a busca pela diversificação da matriz energética, vem impulsionando a geração de energia, no Brasil e no mundo, através de fontes renováveis, como a solar fotovoltaica e a eólica. No Brasil, existe a previsão de um crescimento exponencial destas fontes de energia para os próximos anos, chegando a marca de mais de 10% da capacidade instalada ao final do ano 2022 [1]. Tal crescimento é amparado pelo desenvolvimento da indústria, que implica em redução dos custos dos sistemas eletrônicos de potência. Tabela 1 - Matriz de Energia Elétrica de 2017 e 2022 Tipo Crescimento MW % MW % MW % Hidráulica ,8% ,6% ,5% Nuclear ,3% ,1% 0 0,0% Gás / GNL ,1% ,0% ,2% Carvão ,0% ,0% 282 9,0% Óleo / Diesel ,0% ,9% 286 6,0% Biomassa ,8% ,9% 206 1,5% Outras 779 0,5% 950 0,5% ,0% Eólica ,9% ,8% ,9% Solar 952 0,6% ,1% ,1% Total ,0% ,0% ,0%

3 Dada a característica de variabilidade de geração de potência ativa a partir destas fontes renováveis e das dificuldades operativas decorrentes desta característica, existem diversos trabalhos e pesquisas em andamento com o objetivo de avaliar os impactos causados pela alta penetração destas fontes no Sistema Interligado Nacional (SIN), além de investigar as melhores estratégias de planejamento e de operação do sistema. Contudo, um aspecto interessante em relação a estas plantas diz respeito à capacidade de geração/absorção de potência reativa através do uso de seus inversores de frequência. De acordo com as curvas de capabilidade dos inversores que têm sido utilizados nos últimos empreendimentos, observa-se que é possível explorar a capacidade de absorver ou gerar potência reativa mesmo em condições de geração nula de potência ativa. Este recurso, pode ser ajustado via sistema supervisório para operar em modo de tensão (automático) ou modo por potência, de forma similar a compensadores estáticos e síncronos. A Figura 1 apresenta uma curva típica de capabilidade de uma usina eólica ou fotovoltaica que pode operar gerando/absorvendo potência reativa mesmo nos períodos em que não estão produzindo potência ativa. Figura 1 - Curva de Capabilidade Típica Cabe ressaltar que atualmente, conforme o Submódulo 3.6 dos Procedimentos de Rede do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) [2], nas condições em que os geradores não estejam produzindo potência ativa, a central de geração eólica ou fotovoltaica deverá ter recursos de controle para disponibilizar ao SIN sua capacidade de geração/absorção de potência reativa, observando o requisito mínimo de propiciar injeção/absorção nula no ponto de conexão, conforme figura abaixo:

4 Figura 2 - Curva de Capabilidade do Submódulo 3.6 dos Procedimentos de Rede do ONS Dessa forma, apesar de muitas instalações possuírem centenas de inversores com capacidade significativa de geração/absorção de potência reativa que poderiam contribuir para o controle de tensão do SIN, não há um compromisso para estes agentes disponibilizarem este recurso para operação quando não estão gerando potência ativa. Adicionalmente, é importante destacar que quando essas plantas operam no modo de compensação de potência reativa, há um consumo de potência ativa pelos inversores e que não existe nenhum procedimento para contratação de prestação de serviços ancilares definido na Resolução Normativa 697 da ANEEL, de 16 de dezembro de 2015 [3], e nos Procedimentos de Rede do ONS Módulo 14 [4], que pudessem viabilizar a utilização dessas usinas como compensadores de potência reativa. Este trabalho apresenta uma proposta de uso dos inversores das plantas eólicas e fotovoltaicas como compensadores de potência reativa, bem como uma discussão dos benefícios que este uso pode agregar ao desempenho do SIN. A proposta citada é validada através do estudo de caso do Conjunto Fotovoltaico Pirapora 2, instalado em Minas Gerais. Por fim, propõe-se também que seja regulamentada a possibilidade de contratação de prestação de serviços ancilares de suporte reativo para usinas renováveis, de forma semelhante ao que é praticado atualmente para unidades geradoras que operam como compensadores síncronos. 2. ESTUDO DE CASO DO CONJUNTO FOTOVOLTAICO PIRAPORA 2 O Conjunto Fotovoltaico Pirapora 2 tem capacidade instalada de 321 MW de potência ativa, com um total de 329 inversores modelo GE LV5 que são capazes de gerar ou absorver potência reativa de acordo com a sua curva de capabilidade. Existe ainda a possibilidade de operação no modo noturno (geração de potência ativa nula), onde também é possível gerar ou absorver potência reativa. Segundo informações do fabricante [5], o conjunto tem a capacidade de gerar ou absorver potência reativa no modo noturno de acordo com a equação: Q at night = (AC Voltage of grid)

5 x ( 2 x 1.10) x (Number of Inverters). Considerando uma condição de tensão de 1pu da rede, a capacidade total do conjunto é de: Q at night = (550) x ( 2 x 1.10) x 329 = 281 Mvar. Neste modo de operação, vale destacar que há um consumo de potência ativa pelos inversores, que conforme dados do fabricante é de 22,7 kw/inversor para geração/absorção na capacidade nominal. Para o caso de utilização de todos os inversores desta planta, o consumo é de 7,4 MW. A figura a seguir ilustra a curva de capabilidade de um inversor do conjunto fotovoltaico de Pirapora 2. Figura 3 - Curva de capacidade de um inversor GE LV5 Tensão de 100% a 35ºC O Conjunto Fotovoltaico Pirapora 2 está conectado no barramento 138 kv da SE Pirapora 2, localizada na malha Norte da região central de Minas Gerais. A Figura 4 apresenta o diagrama da rede de atendimento desta região.

6 Figura 4 - Sistema de Atendimento à Malha Regional Norte A região Norte de Minas Gerais possui baixa densidade de carga e extensas linhas de transmissão destinadas ao intercâmbio de energia. Essa característica leva à dificuldade de controle da tensão máxima dos barramentos nos períodos de carga leve e mínima dessa área. Em virtude disso, foi recomendado pelo ONS, no Plano de Ampliações e Reforços (PAR) [6], a instalação do segundo reator de barra de 80 Mvar na SE Pirapora kv. Tal reforço entrou em operação comercial em dezembro de 2017, contribuindo de maneira significativa para a redução da tensão máxima verificada nas subestações Pirapora 2, Montes Claros 2 e Várzea da Palma 1 em regime normal de operação. Até a entrada em operação do reator de Pirapora 2, a falta de recursos para controle de tensão desta região era tão evidenciada que era usual o processo de abertura de linhas de 345 kv e 500 kv para redução de tensão quando esgotados os demais recursos. Tal procedimento encontra-se ainda definido na instrução de operação normal da área 500/345 kv Minas Gerais (IO-ON.SE.5MG) do ONS [7]. As aberturas de linhas de transmissão só são realizadas como último recurso para controle de tensão, dada a redução da confiabilidade. Considerando a capacidade de geração e absorção de até 281 Mvar do conjunto fotovoltaico de Pirapora 2, a utilização deste recurso foi comparada com os ganhos obtidos da instalação do segundo reator 80 Mvar/345 kv da SE Pirapora 2. A tabela a seguir apresenta a redução nos níveis de tensão com a utilização de ambos os recursos.

7 Tabela 2 - Influência no Controle de Tensão - Malha Norte de MG Barramento Influenciado Tensão Caso Base (kv) Influência do Reator (kv) Influência da UFV (kv) Pirapora kv 553,2-6,8-22,5 Pirapora kv 362,9-5,5-18,1 Pirapora kv 143,8-2,0-9,9 Várzea da Palma kv 362,4-4,8-15,6 Montes Claros kv 357,9-4,1-13,6 Os resultados apresentados na tabela acima demonstram a possibilidade de uma importante contribuição deste tipo de empreendimento no efetivo controle de tensão do sistema. Vale destacar que para o caso da UFV Pirapora 2 foi considerada sua máxima capacidade de absorção de reativos, de 281 Mvar, e que tal valor pode ser controlado com base no modo de operação definido para os inversores. Tal possibilidade agrega qualidade na operação do sistema, dada a possiblidade de realização de um controle com maior discretização dos valores de absorção/injeção de potência reativa. Dessa forma, considerando a região de conexão desta usina, sua significativa capacidade instalada e os resultados obtidos na análise anterior, o ONS e o Agente responsável pela usina acordaram pela disponibilização do recurso de operação como compensador de potência reativa (modo noturno) durante o processo de integração do Conjunto Fotovoltaico Pirapora 2, a título de avaliação de desempenho elétrico. Tal recurso foi utilizado durante o período do Natal e Ano Novo do ano de 2017, em função da carga ser menor nestas datas e o problema de controle de tensão ser mais crítico. A Figura 5 apresenta a operação do Conjunto Fotovoltaico Pirapora 2 e a curva de tensão do barramento de 138 kv da SE Pirapora 2 para o período do dia 26/12/2017 até 30/12/2017. É possível notar que durante os períodos sem incidência solar, onde a usina não gerou potência ativa, ela operou no modo noturno absorvendo potência reativa de aproximadamente 40 Mvar. Pode ser observado também, na Figura 6, que no dia 27/12/2017 a medida que a usina inicia a geração de potência ativa, a geração de potência reativa é zerada em função da injeção de fluxo de potência ativa bem como a entrada de carga no sistema.

8 Figura 5 - Operação Modo Noturno - Conjunto Fotovoltaico Pirapora 2 3. CONCLUSÃO Figura 6 - Operação Modo Noturno - Conjunto Fotovoltaico Pirapora 2 (Dia 27/12) Os resultados obtidos durante a utilização do recurso do modo de operação do conjunto fotovoltaico Pirapora 2 como compensador de potência reativa foram benéficos para operação do SIN, uma vez que a usina auxiliou a absorção do excedente de potência reativa da região e minimizou a necessidade de realizar aberturas de linhas de transmissão para controle de tensão, contribuindo diretamente para aumentar a confiabilidade do SIN. Em função dos resultados positivos obtidos, a proposta apresentada neste trabalho já faz parte de um esforço que o ONS está realizando para viabilizar junto ao órgão regulador a possibilidade

9 de utilização do modo de compensação de potência reativa através de celebração de contrato de prestação de serviços ancilares (CPSA) com usinas fotovoltaicas e eólicas. No âmbito da operação, a possibilidade de utilização destes parques como compensadores de potência reativa promoverá uma operação mais segura, uma vez que, para os casos de excesso de reativos na rede, esse recurso reduzirá a necessidade de abertura de linhas de transmissão para controle de tensão. Também em situações de contingências na rede, o sistema elétrico de potência poderá contar com uma resposta rápida de suporte de potência reativa, de forma controlada e ajustável, reduzindo a possibilidade de perda de cargas por subtensão. Do ponto de vista do planejamento da expansão do sistema elétrico, é importante observar que a utilização da capacidade de geração e absorção de potência reativa destes empreendimentos pode contribuir no sentido de, no mínimo, adiar a indicação de novos equipamentos para controle de tensão, tais como compensadores estáticos, banco de capacitores ou reatores, postergando investimentos. Neste ponto, ressalta-se que, ao considerar uma instalação existente, não há necessidade de aquisição de novos equipamentos, apenas a remuneração pelo serviço prestado. Dessa forma, a proposta apresentada neste trabalho viabilizará uma capacidade significativa ociosa de usinas fotovoltaicas e eólicas capazes de operar como compensadores de potência reativa, contribuindo para o controle de tensão, estabilidade, segurança elétrica do sistema e otimização dos recursos, gerando economia para a sociedade brasileira. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ONS RE /2017 PLANO DA OPERAÇÃO ENERGÉTICA 2017/ PEN 2017; [2] Submódulo 3.6 (Revisão: Vigência: 01/01/2017) dos Procedimentos de Rede do ONS - Requisitos Técnicos Mínimos para a Conexão às Instalações de Transmissão; [4] RESOLUÇÃO NORMATIVA ANEEL Nº 697, DE 16 DE DEZEMBRO DE 2015; [3] Módulo 14 (Revisão: Vigência: 01/01/2017) dos Procedimentos de Rede do ONS - Módulo 14 - Administração dos Serviços Ancilares; [5] Carpe Vie Engenharia Ltda Estudo de Serviços Ancilares em Usinas Fotovoltaicas. [6] RE / PLANO DE AMPLIAÇÕES E REFORÇOS NA REDE BÁSICA - PAR - PERÍODO 2014 A 2016 [7] IO-ON.SE.5MG Instrução de Operação Normal da Área 500/345 kv de Minas Gerais Revisão Módulo 10 dos Procedimentos de Rede do ONS. a) Para uma citação de Conferência: [3] I.L. Alqueres and J.C.G. Praça, "The Brazilian power system and the challenge of the Amazon transmission", Proceedings of the 1991 Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, 91CH , pp

10 BIOGRAFIAS DOS AUTORES André Snaider graduou-se em engenharia elétrica na Universidade Federal Fluminense (UFF) em 2011, possui especialização no Curso de Qualificação Profissional em Sistemas Elétricos pela Fundação de Pesquisa e Assessoramento à Indústria (FUPAI) e atualmente está cursando Mestrado na Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Ingressou no ONS no ano 2011 onde atua na área de Análise e Procedimentos para Operação. andre.snaider@ons.org.br Fone: (21) Lucia Mariana de Souza de Abreu graduou-se em engenharia elétrica em 2005 na Universidade do Estado do Rio de Janeiro - UERJ. Ingressou no ONS no ano 2005 onde atua na área de Estudos Especiais. lmariana@ons.org.br Fone: (21) Luiz Felipe Ferreira Marques da Silva, graduou-se em Engenharia Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) em Trabalhou no ONS de 2011 a 2016 na área de Ampliações e Reforços PAR, na Jordão Engenharia em 2016 na área de estudos elétricos e desde 2016 atua na área de planejamento da operação elétrica do ONS. lmsilva@ons.org.br Fone: (21) Karina Stockler Herszterg é engenheira eletricista formada pelo CEFET/RJ em Obteve o título de Mestre em Engenharia Elétrica pela COPPE/UFRJ em Atua como engenheira no ONS na área de Estudos Especiais. karina.herszterg@ons.org.br Fone: (21) Patrícia Silva Neves, graduou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) em Em 2017 recebeu o título de Mestre em Sistemas de Energia pela mesma instituição. Ingressou no Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) em 2016, onde atua na área de planejamento da operação elétrica. patricia.neves@ons.org.br Fone: (21) Rodrigo Silva Martins graduou-se em engenharia elétrica em 2013 na Universidade do Estado do Rio de Janeiro - UERJ. Ingressou no ONS no ano 2015 onde atua na área de Análise e Procedimentos para Operação. rodrigos.martins@ons.org.br Fone: (21)