Especulando sobre o futuro: Distribuição em CC para Integração de Fontes Distribuídas

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1 Especulando sobre o futuro: Distribuição em CC para Integração de Fontes Distribuídas Eficiência em redes ativas de distribuição Marcelo Lobo Heldwein, Dr. Sc. <heldwein@inep.ufsc.br> INEP 4 o Seminário de Eletrônica de Potência e Controle SEPOC 2010

2 Primeira rede elétrica (CC) no Brasil Iluminação da Central do Brasil, Rio de Janeiro Decreto 7151 do império em 1878 (D. Pedro II) Rede: Velas inventadas por Paul Jablochkoff Alimentadas por dínamo de Zénobe Gramme Fonte: Fonte: 2

3 Parte I Perspectivas para o consumo de energia elétrica 3

4 Fontes de alimentação (CC) 2002: > 6 bilhões de fontes chaveadas no mundo Previsão: => 30% a 50% do consumo global será com equipamentos de ICT INEP Fontes: M. Mills and P. Huber, Dig more coal the pcs are coming," Forbes, Tren, Battery chargers and external power supplies," Bio Intelig. Service,

5 Fonte: Home/images/Scenario-chart.jpg 5 Consumo de eletricidade Tendências Integração de controles e funções inteligentes Aumento de processamento eletrônico (CC) Necessidade de melhoria de rendimento

6 Possíveis cenários para o consumo residencial Distribuição em CA Distribuição em CC Painéis fotovoltáicos Painéis fotovoltáicos LEDs LEDs LEDs LEDs TV/Hifi Laptop TV/Hifi Laptop Lâmpada de alta eficiência Lavadora de alta eficiência Lâmpada de alta eficiência Lavadora de alta eficiência Distribuição CA Distribuição CC Refrigerador de alta eficiência Refrigerador de alta eficiência 6

7 Possíveis cenários para o consumo residencial Distribuição em CA Distribuição em CC Painéis fotovoltáicos Painéis fotovoltáicos LEDs LEDs LEDs LEDs TV/Hifi Laptop TV/Hifi Laptop Lâmpada de alta eficiência Lavadora de alta eficiência Lâmpada de alta eficiência Lavadora de alta eficiência Distribuição CA Distribuição CC Refrigerador de alta eficiência Refrigerador de alta eficiência 7

8 Consumo de eletricidade residencial (Sul do Brasil) Em COPEL, Consumo residencial, 06 Set

9 Consumo de eletricidade industrial (mundo) Em Iron and steel Drives, aquecimento Chemical / petroch. Machinery Transportation Paper and pulp Minerals Aquecimento, drives, DC Drives Drives Steam gen., aquecimento, drives Drives Food industry Ger. de vapor, aquec./resfr. Others Iluminação, aquec./resfr., drives Frohn & Meyer, 2009.

10 Consumo Brasil [GWh] Aumento da demanda Implicações Aumento de perdas na transmissão/distribuição Necessidade de aumento da geração Outros Comercial R esidencial Industrial Fonte: EPE, Plano decenal de expansão de energia elétrica ,

11 Aumento no consumo (Brasil) Taxa de crescimento esperada 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% Electric energy consumption average growth Total Industry EPE, Plano decenal de expansão de energia elétrica , 2008.

12 Consumo de eletricidade (mundo) Consumo de eletricidade (1973) 41,2 57,1 46,3 Industry 51,3 Transport 2,4 Industry Transport Other sectors Other sectors 1,7 Consumo de eletricidade (2005) = 1.67 En(1973) 57,1 International Energy Agency, ,2 1,7 Industry Transport Other sectors

13 Parte II Perspectivas sobre geração distribuída e armazenamento 13

14 Autoprodução INEP Fonte: 14 Plano Decenal de Expansão de Energia 2008/2017. EPE - Empresa de Pesquisa Energética,

15 Geração distribuída e armazenamento 10 s Hz - khz 10 s Hz CC CC Fontes: INEP 15 Fontes: 3/ / images/scenario-chart.jpg 15

16 Parte III A modernização do sistema elétrico 16

17 Infraestrutura atual Geração + armazenamento afastados do consumo Fluxo unidirecional Geração => consumo Sistemas de proteção e medição não toleram geração distribuída Grandes perdas na transmissão Falhas nas linhas reduzem confiabilidade Equipamentos antigos ( não-inteligentes ) 17

18 A iniciativa Smart Grid Smart Grid = modernização da rede elétrica Fonte: 18

19 Microredes: uma solução para Smart Grids Sistema de distribuição Geração distribuída Armazenamento distr. Comunicação Ilhamento ou conectado INEP Fonte:

20 Parte IV Microredes em Corrente Alternada 20

21 Microredes em CA Corrente Alternada: foco inicial do conceito Vantagens: O sistema atual é em CA Facilidade em interromper correntes Alto rendimento de sistemas em MT 21

22 Microredes em CA Desafios Controle de fluxo de potência e estabilidade será diferente do cenário atual (mais complexo) Maior variação de frequência (necessidade de compensação) Fator de potência (necessidade de correção) INEP Retificação/inversão (aumento de perdas) Fonte: Serpa et al., A Modified Direct Power Control Strategy Allowing the 22 Connection of Three-Phase Inverter to the Grid through LCL Filters," IAS,

23 Microrede em CA PV Cond. V Comp. VAr G.G. 13,8 kv 60 Hz 380 V 60 Hz Chave estática Bat. G.E. PV INEP 23 23

24 Parte V Microredes em Corrente Contínua 24

25 Microredes em CC Vários sistemas utilizam CC há muito tempo Recentemente cogita-se a utilização em sistemas com geração distribuída Aparece como uma possível solução para microredes Principalmente em BT (em MT o rendimento de trafos é muito alto) 25

26 Efeito de corrente em seres humanos INEP 26 26

27 Comunicação Há trabalhos recentes na literatura Comunicação não é muito diferente da rede em CA Principal diferença: métodos de supervisão e diagnóstico 27

28 Controle Há diversos trabalhos recentes na literatura O controle de cargas e geradores é facilitado Não há necessidade de sincronismo, controle de reativos e correção do FP Há a possibilidade de se utilizar os níveis de tensão no barramento para controlar a atuação de geradores 28

29 Aterramento e proteção em CC Não há correntes para terra por capacitores Relés baseados em trafos não podem ser utilizados Interromper correntes em CC é mais complexo 29

30 Comparação de eficiência INEP Fonte: Starke et al. Ac vs. dc distribution: A loss comparison, Transmission 30and Distribution Conference and Exposition,

31 Redes em Corrente Contínua Lado bom: Maioria de equipamentos será em CC (eficiência) Controle e interconexão são facilitados Maior capacidade de transmissão Alta qualidade de tensão Bem adaptadas à alimentação rural/remota 31

32 Redes em Corrente Contínua Desafios: Interromper correntes (proteção) Mudar a infra-estrutura existente (criar mercado) Falta de equipamentos adequados Treinamento de pessoal qualificado Falta de informações Falta de regulação 32

33 Parte VI Alternativas para as configurações de futuras redes de distribuição 33

34 Microredes em CC / CA INEP 34 34

35 Microredes em CC INEP 35 35

36 Parte VII Proposta para a configuração de uma microrede em corrente contínua 36

37 Configuração Utilizar as lições de HVDC (linha bipolar) Confiabilidade Maior capacidade de transmissão 37

38 Capacidade de transmissão INEP Fonte: Starke et al. Ac vs. dc distribution: Maximum Transfer Capability, 38 Transmission and Distribution Conference and Exposition,

39 Níveis de tensão Propostas anteriores: ±170V ; ±750V ; ( +325V ; +230 V ; +20 V ) ; +120 V Analisar segurança elétrica! 39

40 Níveis de tensão Segurança ABNT NBR 5410:2004: CC 120 V Limitar potencial de terra durante falhas a 240 V INEP 40 40

41 Rede bipolar escolhida Confiabilidade Eficiência Segurança Compatibilidade 41

42 Desbalanços em uma linha CC bipolar Perdas nos alimentadores são minimizadas se as correntes forem equilibradas r + i + V + r 0 i 0 P + V_ r_ i_ P_ INEP 42 42

43 Conversor multi-funções Co-autor: Eng. Jackson Lago INEP 43 43

44 Desafios Não há equipamentos para CC com tensão mais elevada e +48 V geraria correntes muito elevadas São necessários mais estudos sobre aterramento para distribuição em CC Sistemas CC são, em teoria, mais confiáveis que CA, porém ainda não há informações consolidadas Ainda não há uma cultura ou educação para sistemas CC, principalmente na indústria Falta desenvolver sistemas pilotos e normas para estes tipos de sistemas Deve-se criar um mercado para sistemas CC Já existem conectores e cabos para CC 400 V, porém não há uniformização por parte dos fabricantes Não há multiplicadores de conectores para CC 380 V e também será necessário uniformizá-los Disjuntores CC para 380 V existem, porém de poucos fabricantes e com custo mais elevado Não há estudos sérios sobre os custos de implementação de sistemas de distribuição CC em baixa tensão 44

45 Considerações finais Redes CC se mostram uma solução técnica compatível com requisitos de microredes modernas Dependendo da inserção de cargas em CC, uma microrede CC pode ser superior à uma CA Ainda há muito o que fazer para tornar redes CC comercialmente viáveis Uma rede CC bipolar com níveis de tensão adequados parece ser bem adaptada à distribuição ativa em BT 45

46 Primeira rede elétrica no Brasil Rede: Velas de Jablochkoff (CA) Alimentadas por dínamo de Gramme (CC) Fonte: Fonte: 46

47 Futura rede elétrica no Brasil (?) Rede Iluminação inteligente com LEDs (CC) Geração distribuída (CC + CA) Armazenamento de energia (CC) Fontes: Fonte: vancedsolarphotonics/ / 47

48 Newsweek s top 10 (world) hottest cities 2006 Florianópolis, Brazil Industry: high tech, with beaches', ban on heavy industry ~ people / 17 universities / 2 technological centers Aim: create 40k tech jobs in 10 years

49 Federal University of Santa Catarina (2009) Founded: 1961 Built area: m 2 Entry students /year: 6669 Total undergrad.: = Total grad.: 6242 PhD: 2360 Publications/year (journals): 2023 Scholarships: 7521 Professors+lecturers: 1649 Other staff: 2808

50 Power Electronics Institute INEP Founded: 1979 as LAMEP Re-structured: 1994 as INEP Supervisor Prof. Ivo Barbi Professors Prof. D. Martins Prof. J. Fagundes Prof. E. Kassick Prof. S. Mussa Prof. M. L. Heldwein Prof. A. Perin Prof. H. B. Mohr Administrative staff Techincal staff Students Undergrad. 21 Master 17 PhD 17 PostDoc 2

51 INEP Outcomes Publications 600+ articles Master s Degree Dissertations Doctorate Degree Thesis 223 Dissertations 63 Thesis Power Electronics books Industry projects (last 10 years) 6 books (in Portuguese) + 1 book (in English) 70+ projects Industry projects (current) 12 projects

52 Muito Obrigado! INEP 52 52