Photovoltaic Generation Allocation on a Radial Distribution Feeder Case Study

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1 549 Photovoltac Generaton Allocaton on a Radal Dstrbuton Feeder Case Study (Alocação de Geração Fotovoltaca em um Almentador de Dstrbução Radal Estudo de Caso) C.P.Texera, M.A.Olvera, M.R.Santos, M.Z.Fortes, Member, IEEE, V.H.Ferrera, Member, IEEE and W.F.Correa Abstract - Wth technologcal developments and the appeal for ratonal use of electrcty, new equpment was developed to promote a change n the relatonshp between consumers and power utlty companes. The ntroducton of smart meters and the development and mprovement of new sources of power generaton near of energy consumpton pont, become the customer n an actve agent n the electrcal grd, where the power source nstalled nsde consumer home can at tmes when ths source s not supplyng energy for ther own consumpton feed on ths excess of energy to the electrcal utlty grd. Ths paper proposes the optmal allocaton of a photovoltac panel n a dstrbuton grd n order to reduce techncal losses and mprovng voltage levels over the dstrbuton system. Index Terms - Photovoltacs systems; Smart grds; Loss measurements; Energy effcency. I. INTRODUÇÃO rede ntelgente surgu como alternatva para conclar o A crescmento energétco com a melhor utlzação dos recursos naturas. A mcrogeração dstrbuída é um dos seus benefícos, permtndo que o consumdor realze a geração da sua própra energa para consumo. O aumento do consumo por energa elétrca ncentva novas formas de geração de energa e a mcrogeração permte que mas fontes renováves possam ser ntegradas a matrz energétca, melhorando o aprovetamento dos recursos naturas, como o sol e o vento. Com uma medção em tempo real e uma comuncação blateral, também será possível que o consumdor nsra C.P.Texera, was wth Ampla Energa e Servços SA and Flumnense Federal Unversty, PPGEET, Nteró, Brazl (e-mal: carolnacpt@yahoo.com.br). M.A.Olvera, was wth Ampla Energa e Servços SA and Flumnense Federal Unversty, PPGEET, Nteró, Brazl (e-mal: moses@ampla.com). M.R.Santos, was wth Ampla Energa e Servços SA and Flumnense Federal Unversty, PPGEET, Nteró, Brazl (e-mal: mrocha@ampla.com). M.Z.Fortes, was wth Flumnense Federal Unversty, PPGEET/TEE, Nteró, Brazl (e-mal: mzf@vm.uff.br). V.H.Ferrera, was wth Flumnense Federal Unversty, PPGEET/TEE, Nteró, Brazl (e-mal: vtor@vm.uff.br). W.F.Correa, was wth Ampla Energa e Servços SA, Nteró, Brazl (e-mal: weules.correa@enel.com) /5/$ IEEE energa na rede de dstrbução. O benefíco ao sstema elétrco é o alívo da demanda no horáro de ponta, pos esses consumdores estarão utlzando energa própra ou njetando energa na rede. Assm, as undades de geração dstrbuídas contrbuem no suprmento da demanda e proporconam benefícos ao sstema elétrco, como a partcpação atva do consumdor no sstema de potênca,o aumento na dversdade da matrz energétca e a redução das perdas de energa. No Brasl já exstem projetos com a aplcação da Rede Intelgente. Na cdade de Armação de Búzos, no Estado do Ro de Janero, há o projeto Cdade Intelgente do Grupo Enel no qual utlzam a mcrogeração de energa e a medção ntelgente, entre outras tecnologas [-3]. Esse trabalho tem o objetvo de estudar a nserção da geração solar em um almentador dentro da área de estudo do projeto Cdade Intelgente Búzos, analsando a relação da sua localzação para a redução das perdas. II. OBJETIVO As perdas do sstema de potênca podem ser dvddas através dos seus subsstemas conforme Tabela I. TABELA I PERDAS EM UM SISTEMA DE POTÊNCIA, ADAPTADO DE [4] Subsstema Perda (%) Transformadores de Dstrbução 7 Rede Secundára Meddores SE s (elevadora e transmssão) Lnhas de Transmssão SE de subtransmssão 3 Almentadores Prmáros 4 É possível notar que o maor ofensor para as perdas é a rede de méda tensão. Exstem dversas alternatvas para reduz-las e assm evtar o desperdíco de energa. Nesse trabalho utlzaremos a nserção da energa solar em um almentador de dstrbução para contrbur com a redução das perdas. III. REDES INTELIGENTES E MICROREDES Bascamente um sstema elétrco de potênca é composto de geração, transmssão e dstrbução de energa elétrca. No

2 550 sstema de potênca convenconal a geração é predomnantemente centralzada em grandes usnas conectadas a rede de transmssão, e as redes de dstrbução almentam os consumdores. No sstema convenconal o fluxo de energa elétrca é undreconal, ncando-se na geração e fnalzando nos consumdores, que se comportam como agentes passvos. Usuáros com pequena geração de energa nterlgados à rede de dstrbução dão orgem a um novo tpo de sstema de potênca denomnado de mcrorredes. O modelo de mcrorrede surge com o objetvo de facltar a mplantação da geração dstrbuída. Dferente do que ocorre no sstema convenconal, onde o dagrama é undreconal, a mcrorrede apresenta um dagrama multdreconal, com a energa percorrendo a rede em dferentes dreções. O consumdor resdencal, que no sstema convenconal é um agente passvo, apenas consumndo energa, se torna um agente atvo na mcrorrede através da geração de energa. De acordo com a resolução 48 estabelecda pela ANEEL [5], o consumdor poderá njetar energa na rede, provenente da geração da sua resdênca, ganhando crédtos em energa, em kwh, para serem utlzados no futuro. O benefíco não será somente para o consumdor, mas também para o sstema, sendo mas uma fonte geradora nterconectada ao sstema para atender demandas cada vez mas crescentes. Fg.. Esquemátco smplfcada para cálculo do fluxo de carga P Q P Q Lo = r. V P Q Lo = x. V = P LLo PL PGD () () P (3) Q (4) V = Q QLo QL QGD = V ( r P x Q ) ( r x )(. P Q ) V (5) IV. METODOLOGIA A localzação ótma de uma undade de geração deve ser feta de forma a mnmzar as perdas totas do almentador. A barra cuja nserção da geração produzr a menor perda total é defnda como a barra escolhda. Exstem dferentes métodos para solução do fluxo de potênca. Devdo ao menor esforço computaconal e a smplcdade do método, neste trabalho fo aplcado o método de fluxo de carga dstrbuída analsando somente o fluxo de potênca atva. Nesse trabalho é apresentada uma metodologa para a alocação da geração fotovoltaca(gf) consderada como Geração Dstrbuída (GD), em um almentador de dstrbução. Esse método tem o objetvo de mnmzar as perdas na dstrbução de energa. Optou-se pela metodologa smplfcada de resolução de crcutos lneares, cuja formulação se fundamenta nas les das tensões e correntes de Krchhoff. Para facltar o entendmento, consdere o crcuto esquemátco lustrado na Fgura. De acordo com o método de fluxo de carga para redes radas encontrado em [6], foram utlzadas as Equações () a (6) para o cálculo das perdas. n P Loss = P Lo = Onde: Potênca atva njetada na barra ; - Potênca reatva njetada na barra ; - Potênca atva absorvda pela barra ; - Potênca reatva absorvda pela barra ; - Perda de potênca no trecho de rede ; - Tensão efcaz na barra ; - Tensão efcaz na barra ; - Resstênca elétrca do trecho de rede ; - Reatânca elétrca do trecho de rede ; - Potênca atva njetada pelo GD na barra ; (6) - Potênca atva njetada pelo GD na barra ; Os cálculos se ncaram consderando a GD na prmera barra após a barra da subestação, até chegar na últma barra. Para cada barra, os valores de resstênca do cabo e perdas foram acumulados no trecho de rede.

3 55 V. PREMISSAS ADOTADAS A. O Almentador Para a aplcação da metodologa fo utlzado um almentador de Búzos Ro de Janero. Esse almentador é caracterzado pelo atendmento à undades de consumdoras resdencas. Sua extensão em méda é de aproxmadamente 6 km em rede de alta tensão, classe 5 kv, atendendo a um total de 5.0 consumdores. A Fgura lustra a representação deste almentador (unflar). Fg. Unflar do almentador BUZ06 com dentfcação da subestação Fo utlzada como referênca a medção da corrente do almentador BUZ06 na saída da subestação ao longo de um da útl. A Tabela II mostra os valores médos das medções com o ntervalo de uma hora ao longo de um da. Para o cálculo das perdas ao longo do tronco do almentador, fo consderado a utlzação em toda a sua extensão do Condutor de Lga de Alumíno nu AAAC engraxado de 60 mm. Esse condutor é ndcado para áreas de polução salnas (condções típcas do local em estudo) e possu a resstênca elétrca máxma à 0 o C de 0,05 /km. B. Curva de Carga No almentador BUZ06 exstem consumdores que são atenddos por meddores ntelgentes. Esses meddores realzam a letura da energa consumda a cada 5 mn e possuem uma tecnologa avançada com capacdade de processamento para a comuncação bdreconal. O almentar BUZ06 atende 5.0 consumdores, porém, desses, somente.5 possuem tal medção que esta em mplantação no projeto (consderando a referenca de junho de 05). Assm, para fns de smulação, foram estmados os demas consumos consderando o perfl da curva de carga dos clentes que possuem medção no mesmo trecho. Por razões de smplfcação, não fo levado em consderação a medção de potênca reatva desse almentador. C. Geração de Energa Fotovoltaca Neste trabalho consderou-se o uso de panés fotovoltacos solares de fabrcante atuante no mercado braslero. As curvas característcas do panel fotovoltaco são defndas para uma condção padrão de radação.000 W/m e temperatura de 5ºC. Através de dados fornecdos pelo fabrcante do panel SE solar é possível determnar uma equação da potênca elétrca em função da radação solar, como a Equação (7). P = ε. A. R (7) Onde: P - Potênca elétrca convertda [W] ε - Efcênca de conversão do panel solar [%] A - Área do panel solar [m ] R - Radação Solar [W/m ] TABELA II MEDIÇÃO DE CORRENTE DO ALIMENTADOR BUZ06 Horáro Corrente (A) 00:00 57, 0:00 56,5 0:00 56,5 03:00 55,0 04:00 53,0 05:00 48,6 06:00 46,4 07:00 40,8 08:00 36,0 09:00 3,9 0:00 9,9 :00 6, :00 6,8 3:00 5,3 4:00,8 5:00,7 6:00,7 7:00,3 8:00,8 9:00 5,6 0:00 39,0 :00 45,8 :00 53, 3:00 55,6 Para o cálculo da potênca gerada pelo panel solar, será consderado como dado de entrada a radação solar horára méda ao longo de um da. Para realzar o estudo, fo utlzado o perfl de radação solar obtdo com a méda hstórca da radação solar dos últmos 0 anos, no Aeroporto Santos Dumont, localzado do Ro de Janero, apresentado na Fgura 3 com base em [7]. Com a radação solar, e com as característcas técncas do panel fotovoltaco, é possível determnar a curva da potênca do sstema de panés fotovoltacos ao longo do da. Esta curva é apresentada na Fgura 4.

4 55 A. Cenáro A tabela III mostra a redução das perdas em cada barra com a alocação de um sstema de panés fotovoltacos. Nesta tabela, fo consderado o somatóro das perdas reduzdas ao longo de um da com a locação da geração em cada barra. É possível notar que a maor redução acontece quando a geração é alocada na barra 0. Fg.3 Radação Solar ao longo de um da TABELA III REDUÇÃO DAS PERDAS PARA O CASO DA ALOCAÇÃO DA GF Localzação da Geração Redução das Perdas (W) Barra Barra Barra Barra Barra Barra Barra Barra Barra Barra Fg.4 Potênca gerada por um dos sstemas de panés fotovoltacos ao longo do da para este estudo. Em alguns momentos do da, a geração de energa alocada na barra 0 é maor que o consumo dessa barra, assm a energa excedente é njetada no sstema. A Fgura 5 apresenta o perfl de tensão no sstema antes e depos da alocação da geração fotovoltaca na barra 0. VI. CÁLCULO DAS PERDAS Para formulação do problema utlzou-se o segunte procedmento para alocação da GF ao longo dos almentadores: a) Letura dos dados de entrada: - Radação solar ao longo do da; - Curva de carga; - Dstânca entre os trechos do almentador; - Carregamento do almentador. b) Sem a geração de energa fotovoltaca, calcula-se a corrente, a potênca e as perdas de cada trecho; c) Insere-se a GF em cada barra e calcula-se as correntes nos trechos, as potêncas e as tensões nas barras; d) Compara-se os valores potênca perdda em cada trecho com a nserção da geração e assm é determnado a localzação ótma para a alocação da geração VII. RESULTADOS Para realzar o estudo do caso, foram fetos dferentes cenáros de nserção da GF. Lembramos que o objetvo do trabalho não é o dmensonamento de uma undade de geração, mas sm, verfcar a redução da perda no almentador com a nserção da geração. Para o cenáro, consdera-se a alocação de um sstema de panés fotovoltacos ao logo do almentador. Para o cenáro, consdera-se a alocação de dos sstemas de panés fotovoltacos ao logo do almentador, podendo ser os dos sstemas em um mesmo ponto. Fg.5 Perfl de Tensão no Almentador Esse método pode ser utlzado para correção de queda de tensão. Fo verfcado que a tensão nas barras do sstema melhorou com a geração fotovoltaca, dmnundo a queda de tensão ao longo do almentador de dstrbução. B. Cenáro No cenáro consdera-se que um sstema fotovoltaco já estava nstalado na barra 0, assm, encontra-se o melhor local para a alocação de um segundo sstema ao longo do almentador. A tabela IV mostra a redução das perdas em cada barra com a alocação de um sstema de panés fotovoltacos. Ao se nserr no almentador um segundo sstema de geração fotovoltaca, consderando que o prmero sstema fo conectado na barra 0, encontra-se a solução ótma ao nserr a geração na Barra, reduzndo as perdas em 94,9 kw.

5 553 TABELA IV REDUÇÃO DAS PERDAS PARA O CASO DA ALOCAÇÃO DE SISTEMAS DE GF Localzação da Geração Redução das Perdas (W) Barra Barra Barra Barra Barra Barra Barra Barra Barra Barra Nesse caso, com a nserção de dos sstemas fotovoltacos, verfcamos que as perdas em alguns trechos podem aumentar. Isso ocorre devdo à nversão do sentdo da corrente desse trecho com essa nova fonte de almentação. Essa nversão ocorre sempre que a geração de energa for maor que o consumo daquela barra. A Fgura 6 apresenta o perfl de tensão no sstema antes e depos da alocação da geração fotovoltaca na barra. casos em que a perda em determnados trechos podem aumentar devdo à nversão do fluxo. O trabalho apresentou um estudo em sstema real para a redução das perdas e consequentemente melhora dos níves de tensão ao longo do almentador com a nserção da geração fotovoltaca na rede de dstrbução. Com os testes realzados em cada cenáro, e alocação da geração em dferentes barras, observou-se que a defnção da localzação do sstema fotovoltaco é o fator preponderante para a redução das perdas e análses como esta descrta devem fazer parte dos estudos quando da mplantação de novos sstemas de GD nas redes de dstrbução. REFERÊNCIAS [] N.M.C.A.A.Vlaca, V.N. Fgueredo, L.B. Olvera, V.H.Ferrera, M.Z.Fortes, W.L.Correa and O.L.C.Pacheco, Smart Cty Caso de Implantação em Búzos, SODEBRAS, vol.9, pp.6-, 04. [] M.Z.Fortes, V.H.Ferrera, L.Ararba, W.F.Correa and R.S.Rosa, Power Qualty Analyss for DG n Smart Cty Buzos, n Proceedngs of 3 rd Internatonal Conference on Electrcty Dstrbuton CIRED, Paper 58, pp.-5, 05. [3] M.Z.Fortes, V.H.Ferrera, G.G.Sotelo, A.S.Cabral, W.F.Correa and O.L.C.Pacheco, Deployment of Smart Meterng n the Buzos Cty, n Proceedngs of IEEE T&D Transmsson and Dstrbuton Conference and Exposton, 04. do: 0.09/TDC-LA [4] A.S.Pabla, Electrc Power Dstrbuton Systems, Tata Mc Graw Hll, 98. [5] ANEEL, Resolução 48/0. Dsponível em < Acessado em 5 de julho de 05 [6] M.E.Baran, F.F.Wu, Optmal szng of capactors placed on a radal dstrbuton system, IEEE Trans. Power Delvery, vol.4, pp , 989. do: 0.09/ [7] EnergyPlus Energy Smulaton Software - Weather Data, Dsponível em: < fm/regon=3_south_amerca_wmo_regon_3/country=bra/cname=braz l> Acessado em 08 de agosto de 03. Fg.6 Perfl de Tensão no Almentador após alocação de novo GF na barra VIII. CONCLUSÕES Para o trabalho apresentou um método para alocação da geração fotovoltaca em um almentador de dstrbução com o objetvo de dmnur as perdas técncas do mesmo. Nos cenáros estudados foram observadas uma redução nas perdas atvas totas do sstema com a nserção da geração fotovoltaca. Além da redução das perdas, também fo observada uma melhora no perfl de tensão das barras do almentador sem o uso de nenhum método específco para correção das mesmas. Os resultados apontam para uma maor sensbldade nas regões do almentador com maor densdade de carga e nas barras mas dstantes da subestação. O trabalho mostrou que com a locação de um únco sstema de geração fotovoltaco pode-se chegar à redução de 83,3 kw de perdas ao longo do almentador em um da, correspondendo à uma redução de 3% das perdas totas desse almentador. Quando a locação de dos sstemas de geração fotovoltaca é realzada, encontra-se uma redução das perdas de 94,9 kw, correspondendo à uma redução de 34% das perdas no almentador. Com a nserção de uma nova fonte, verfcam-se