Integração de Microgeração em Larga Escala nas Redes de Baixa Tensão Alice Maria Cepeda da Assunção

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1 Integração e Microgeração em Larga Escala nas Rees e Baixa Tensão Alice Maria Cepea a Assunção Relatório e Projecto para obtenção o grau e Mestre em Engenharia Inustrial Ramo Engª Electrotécnica Dezembro 2008

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3 Projecto realizao sob a orientação e: Professora Doutora Fernana Resene 2

4 AGRADECIMENTOS A minha orientaora, a Professora Doutora Fernana Resene, pelo apoio, incentivo e orientação. A toos ue irectamente ou inirectamente contribuirão para este trabalho. Um agraecimento muito especial aos meus pais e irmão pelo apoio e pela motivação. Ao meu mario, Luís Pimentel. 3

5 RESUMO A necessiae a reução as emissões e gases com efeito e estufa juntamente com o aparecimento e novas tecnologias e proução istribuía mais eficientes e mais amigas o ambiente têm conuzio a novos esafios no ue iz respeito às explorações os sistemas e energia. Estes novos esafios prenem-se, sobretuo, com o facto e ue a ligação e uniaes e proução istribuía nas rees e istribuição, utilizano, na sua maioria, energia renováveis como fonte primaria, fez com ue estas eixassem e ser exploraas como rees passivas para serem exploraas como rees activas e forma coorenaa com o sistema a montante. No entanto, a proução ispersa poe contribuir para a melhoria a ualiae e serviço, através o fornecimento e serviços e sistema sob a forma e controlo e tensão e freuência, e, em particular, para a melhoria a continuiae e serviço, através o funcionamento as rees e istribuição em ree isolaa. A microgeração, efinia como a activiae e proução e electriciae em baixa tensão, tem também contribuío para a muança e filosofia e operação os sistemas e energia. As tecnologias e microgeração isponíveis ou em fase e esenvolvimento incluem sistemas fotovoltaicos, microgeraores eólicos, microturbinas e pilhas e combustível. No entanto, teno em conta a legislação, nomeaamente o Decreto-Lei N.º 363/2007, e a isponibiliae o recurso, os sistemas fotovoltaicos apresentam uma probabiliae maior e virem a ser utilizaos para microgeração em comparação com as outras tecnologias. Neste trabalho foi avaliaa a capaciae as rees e baixa tensão integrarem uantiaes significativas e proução e electriciae proveniente os sistemas e microgeração one preominam os sistemas fotovoltaicos. Foi consieraa a possibiliae o sistema e istribuição funcionar em ree interligaa ou em ree isolaa e analisaa a possibiliae os sistemas e microgeração contribuírem para o fornecimento e serviços e sistema. Para tal foram realizaos estuos em regime estacionário, utilizano o software MATPOWER, e em regime inâmico através a utilização e uma ferramenta e simulação inâmica implementaa em ambiente MatLab Simulink, a ual inclui os moelos matemáticos capazes e escrever o comportamento em regime inâmico e euilibrao as tecnologias e microgeração utilizaas. Os resultaos obtios permitem concluir ue a integração e microgeração nas rees e BT é benéfica para a exploração os sistemas e istribuição, principalmente uano os consumos são elevaos, consierano os ois moos e funcionamento: ree interligaa ou ree isolaa. No entanto, é necessário ter cuiao nos períoos em ue os consumos são baixos, uma vez ue as tensões na ree e BT sobem, seno o valor a subia epenente a potência geraa e a localização a uniae e microgeração. Por outro lao, o efeito a intermitência o recurso primário (raiação solar) no perfil as tensões é significativo. Estes factores poem comprometer a exploração o sistema no caso as rees e BT integrarem uantiaes significativas e microgeração, na meia em ue poerá eixar e ser garantia a ualiae e serviço os consumiores finais. 4

6 ABSTRACT The nee of reucing greenhouse gas emissions together with the evelopment of new istribute generation technologies with high efficiency an environmentally friens have lea with new challenges concerning the power systems operation. These new challenges result from the fact that istribution systems with istribute generation units, which use renewable energy sources, change from passive networks to active networks that will be operate in a coorinate manner with the upstream power system. However, istribute generation can improve power uality by proviing ancillary services to the system, such as voltage an freuency control. In aition, istribute generation can increase the system reliability, allowing the operation of istribution systems in islane moe. Microgeneration, efine as the generation of electricity at low voltage networks, has contribute for changing the operation philosophy of power systems. Microgeneration technologies alreay available or uner evelopment comprise photovoltaic systems, micro win generators, microturbines an fuel cells. However, base on the legislation (DL 363/2007) an taking into account the resource availability, photovoltaic systems are a very promising technology to be use as microgeneration units. In this work the capacity for large scale integration of microgeneration, mainly photovoltaic systems, in low voltage networks was assesse, consiering both operation moes of the istribution system: Interconnecte with the upstream system or operate in islane moe. In aition, the microgeneration sytems capability for proviing ancillary services is analyse. For these purposes, power system steay state an ynamic behaviour were stuie. MATPOWER was use for steay state stuies an ynamic simulation tool implemente uner MatLab Simulink environment was use for ynamic stuies. This tool inclues mathematical moels able to escribe the microgeneration technologies ynamic behaviour uner balance conitions. The results obtaine allow to conclue that the integration of microgeneration to the low voltage gris can bring some benefits, mainly uring high loa emans concerning both operation moes: Interconnecte an islane. However, some care is reuire uring no loa perios ue to the increase of bus voltage values verifie on the low voltage network. It shoul be note that this increase of bus voltage epens on the amount of generate power an on the microgeneration unit placement. On the other han, the intermittent nature of the primary energy source (solar raiation) affects consierably the voltage profile. These issues can compromise the system operation in the case of large scale integration of microgeneration on the low voltage gris since the power uality to the final consumer may not be guarantee. 5

7 ÍNDICE 1 Introução Motivação e Objectivos Organização a Dissertação Proução escentralizaa e microgeração Funcionamento em ree isolaa e rees e istribuição com integração e PD Qualiae e serviço Inicaores a ualiae e serviço em rees e istribuição [20] Resumo e principais conclusões Moelos em Regime Dinâmico para as Uniaes e Microgeração Uniaes e microgeração ligaas à ree e baixa tensão Microturbina Princípio e funcionamento a microturbinas e eixo único Moelo em regime inâmico Sistema e controlo a potência activa geraa [24] Parte mecânica a microturbina [24] Máuina síncrona e ímanes permanentes e conversor CA/CC [27] Sistemas fotovoltaicos Células fotovoltaicas, móulos e painéis Moelo matemático a célula fotovoltaica [32] Influência a raiação solar e a temperatura [32] Parâmetros as células, os móulos e os painéis [33] Sistema fotovoltaico com seguior o ponto e potência máxima [26] Seguior o ponto e potência máxima [34] Moelo matemático Conversor CC/CA [17, 35] Resumo e conclusões principais Moelo Matemático para o Sistema Eléctrico Máuina síncrona e rotor cilínrico Geraor Sistema e excitação Regulaor e velociae Representação as linhas, transformaores e cargas Linhas eléctricas Transformaores Cargas Moelo multi-máuina Euações a ree Ligação a máuina síncrona e rotor cilínrico à ree [42]

8 4.3.3 Ligação as uniaes e microgeração à ree [41] Resumo e conclusões principais Caso e Estuo e Resultaos Ree teste Ligação e uniaes e microgeração à ree e BT, resultaos em regime estacionário Funcionamento em ree interligaa Cenário 1: Proução na ree e BT esligaa Cenário 2: Proução na ree e BT ligaa com factor e potência unitário Cenário 3: Proução na ree e BT ligaa com factor e potência 0,85 capacitivo Funcionamento em ree isolaa Cenário 1: Proução na ree e BT esligaa Cenário 2: Proução na ree e BT ligaa com factor e potência unitário Cenário 3: Proução na ree e BT ligaa com factor e potência 0,85 capacitivo Ligação e uniaes e microgeração à ree e BT, resultaos em regime inâmico Funcionamento o sistema em ree interligaa Passagem a ree isolaa e funcionamento o sistema em ree isolaa Resumo e principais conclusões Conclusões e Perspectivas e Desenvolvimentos Futuros Bibliografia Anexos Anexo A Parâmetros o caso e estuo A.1 Parâmetros as máuinas síncronas e rotor cilínrico A.2 Parâmetros as uniaes e microgeração A.3 Parâmetros as linhas e os transformaores Anexo B Daos os barramentos utilizaos na resolução o problema e trânsito e potência

9 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Tensão e corrente num sistema eléctrico com cargas lineares Figura 2.2 Tensão e corrente num sistema eléctrico com uma carga não linear Figura Problemas e ualiae e energia eléctrica Figura 3.1 Representação e uma uniae e microgeração ligaa à ree...26 Figura 3.2 Microturbina a gás o lao esuero a Turbec T100 e o lao ireito Capastone 330 Moel Figura 3.3 Princípio e funcionamento a microturbina e eixo único Figura Diagrama e blocos a microturbina e eixo único Figura 3.5 Sistema e controlo a potência activa Figura 3.6 Moelo a parte mecânica a microturbina e eixo único Figura 3.7 Controlo o conversor CA/CC Figura Móulo fotovoltaico Figura Princípio e funcionamento e uma célula fotovoltaica Figura 3.10 Circuito eléctrico euivalente e uma célula fotovoltaica Figura 3.11 Característica I-V e uma célula fotovoltaica Figura 3.12 Variação a raiação solar ao longo e um ia Figura 3.13 Variação a característica I-V com a raiação solar em móulos Shell ST Figura 3.14 Variação a temperatura ao longo e 24h, Évora, 19/09/07 20/09/ Figura 3.15 Variação a característica I-V com a temperatura em móulos Shell SP140PC Figura 3.16 Esuema e um móulo fotovoltaico Figura 3.17 Esuema e um geraor fotovoltaico ligao à ree Figura 3.18 Relação P-V e um painel fotovoltaico Figura 3.19 Esuema o controlo PQ o inversor Figura 4.1 Regulaor automático e tensão Figura 4.2 Regulaor e velociae Figura 4.3 Circuito euivalente e um transformaor Figura 4.4 Transformação o sistema e referência a máuina para o sistema e referência a ree Figura 4.5 Integração a máuina síncrona e rotor cilínrico na ree Figura 4.6 Integração as uniaes e microgeração na ree Figura Esuema unifilar a ree teste Figura 5.2 Tensões nos barramentos para o cenário Figura 5.3 Tensões nos barramentos para o cenário Figura Tensões nos barramentos para o cenário Figura Esuema unifilar a ree teste para funcionamento em ree isolaa Figura 5.6 Tensões nos barramentos para o cenário Figura Tensões nos barramentos para o cenário Figura Tensões nos barramentos para o cenário Figura 5.9 Potência nos sistemas fotovoltaicos em função a raiação (fp=1) Figura 5.10 Valor eficaz as tensões nos barramentos terminais as uniaes e microgeração (fp=1)

10 Figura Potência nos sistemas fotovoltaicos em função a raiação (fp=0.85 capacitivo) Figura Valor eficaz as tensões nos barramentos terminais as uniaes e microgeração (fp=0.85 capacitivo) Figura Potência nos sistemas fotovoltaicos em função a raiação (fp=1) Figura Valor eficaz as tensões nos barramentos terminais as uniaes e microgeração (fp=1) Figura Potência nos sistemas fotovoltaicos em função a raiação (fp=0.85 capacitivo) Figura Valor eficaz as tensões nos barramentos terminais as uniaes e microgeração (fp=0.85 capacitivo)

11 ÍNDICE DE TABELAS Tabela Raiação e temperatura para CST e CNT Tabela 5.1 Valor as tensões nos barramentos para o cenário Tabela 5.2 Peras activas e reactivas totais verificaas no cenário Tabela 5.3 Valor as tensões nos barramentos para o cenário Tabela 5.4 Potência e peras para o cenário Tabela 5.5 Valor as tensões nos barramentos para o cenário Tabela 5.6 Potência e peras para o cenário Tabela 5.7 Valor as tensões nos barramentos para o cenário Tabela 5.8 Peras activas e reactivas para o cenário Tabela 5.9 Valor as tensões nos barramentos para o cenário Tabela 5.10 Peras activas e reactivas para o cenário Tabela 5.11 Valor as tensões nos barramentos para o cenário Tabela 5.12 Peras activas e reactivas para o cenário Tabela A.1 Parâmetros as máuinas síncronas e rotor cilínrico Tabela A.2 Parâmetros os sistemas fotovoltaicos Tabela A.3 Parâmetros o conversor electrónico e potência Tabela A.4 Parâmetros a microturbina e eixo único Tabela A.5 Parâmetros as linhas a ree teste Tabela A.6 - Parâmetros os transformaores a ree teste Tabela A.7 Daos os barramentos para a ree teste a funcionar em regime interligaa Tabela A.8 Daos os barramentos para a ree teste a funcionar em regime isolaa

12 LISTA DE ABREVIATURAS SEN Sistema Eléctrico Nacional PD Proução Dispersa BT Baixa Tensão MT Meia Tensão CC Corrente Continua CA Corrente Alternaa IPQ Instituto Português a Qualiae rpm Rotações por Minuto PI Proporcional-Integral CST Conições Stanar e Teste CNT Conições Nominais e Teste SPPM Seguior e Ponto e Potência Máxima PPM Ponto e Potência Máxima IEEE Institute of Electrical an Electronics Engineers 11

13 1 INTRODUÇÃO Os sistemas eléctricos e energia obeecem a uma estrutura hieraruizaa e bem efinia em ue é possível fazer a istinção entre os sistemas e proução, transporte e istribuição. Centrais com potências instalaas elevaas, tais como as térmicas e as granes hiroeléctricas, encontram-se ligaas à ree e transporte através transformaores elevaores e tensão. A energia prouzia a nível central é então transportaa a granes istância até à proximiae os centros e consumo, one é entregue à ree e istribuição através e transformaores abaixaores e tensão e posteriormente ao consumior final, epois e ter passao por vários transformaores e istribuição. Esta estrutura é, aina hoje, a base o SEN, cuja potência e peras se situa entre 5 a 10% a potência total prouzia. Estas peras na ree trauzem-se em custos ue se reflectem no preço final a energia entregue ao consumior [1]. O esenvolvimento tecnológico tem conuzio ao aparecimento e novas tecnologias e proução, com potências nominais relativamente baixas, mais eficientes e mais amigas o ambiente, uano comparaas com as tecnologias convencionais [2]. De entre as soluções tecnológicas mais recentes poem estacar-se: A turbina a gás com uma gama alargaa e potências; O ciclo combinao (turbina e gás associaa à turbina a vapor) usano gás natural, com renimentos e 55 a 58%; A cogeração (proução combinaa e energia eléctrica e térmica), ue proporcionou uma melhoria significativa o aproveitamento a energia primária os combustíveis e permite localizar a proução junto os locais e consumo; O aproveitamento e energias renováveis (eólica, mini-hirica, solar, geotérmica), com impacto a proução escentralizaa [3]. A microgeração é um caso particular a proução escentralizaa em ue peuenas uniaes e proução, com capaciaes inferiores a ezenas e KW são ligaas à ree e istribuição e BT. Um outro esenvolvimento tecnológico com grane impacto nos sistemas eléctricos foi a electrónica e potência, ue permite um controlo mais aeuao a energia eléctrica em toas as fases o seu ciclo, ese a proução até ao consumo, passano pelo transporte e istribuição [3]. A par os esenvolvimentos tecnológicos, a política ambiental tem vino progressivamente a conicionar o sector energético, conuzino à internalização os custos ambientais resultantes a proução e consumo e energia. A eficiência energética assume assim uma importância crucial uer a nível a proução uer a nível e consumo. É eviente realçar ue a proução e energia eléctrica tem uma uota-parte importante na emissão e ióxio e carbono para a atmosfera, resultante a ueima e combustíveis fosseis. Daui resulta o actual interesse no aproveitamento as fontes e energia renováveis e na utilização e tecnologias mais eficientes, ou seja na proução escentralizaa. O esforço pelo cumprimento os compromissos internacionais, nomeaamente no ue iz respeito às limitações as emissões e gases ue provocam o efeito e estufa, em resultao a implantação a Convenção Quaro as Nações Unias para as alterações climáticas e o Protocolo e Kyoto, ela ecorrente, leva a um maior estreitamento as políticas energética e ambiental. 12

14 O sector energético, e uma forma geral, e o sector eléctrico, e uma forma particular, têm sofrio profunas alterações, as uais se estaca a efesa o meio ambiente, a nível global. Na seuência os compromissos assumios no protocolo e Kyoto, a União Europeia traçou como objectivo, através a irectiva 2001/77/EC, ue 12% o consumo final e energia em 2010 seja proveniente e fontes e energias renováveis [4]. Assim os estaos membros ficaram sujeitos ao cumprimento e metas inicativas relativas ao consumo bruto e electriciae prouzia a partir e fontes renováveis em A uota efinia para Portugal foi e 39%. O governo Português efiniu as linhas estratégicas para o sector a energia através a Estratégia Nacional para a Energia, aprovaa pela resolução o Conselho e Ministros N.º 169/2005 e 24 e Outubro [5]. As meias mais relevantes para a área a energia têm como principais objectivos: Garantir a segurança o abastecimento e energia, através a iversificação os recursos primários, os serviços energéticos e a eficiência energética; Estimular e favorecer a concorrência, e forma a promover a efesa os consumiores, bem como a competitiviae e a eficiência as empresas; Garantir a aeuação ambiental e too o processo energético, reuzino os impactos ambientais às escala local, regional e global. De moo a cumprir com estes objectivos, o governo efectuou uma revisão as metas estabelecias, as uais se estaca a meta relativa à proução e electriciae com base em energias renováveis ue passa e 39% para 45% o consumo em Para tal, o governo Português fez uma aposta forte em toas as vertentes (energia eólica, hírica, biomassa, solar e onas) incluino a microgeração ou microproução. A microgeração e electriciae é efinia como a activiae e proução e electriciae em baixa tensão com possibiliae e entrega e energia à ree eléctrica pública e foi regulamentaa pelo Decreto-Lei n.º 68/2002 e 25 e Março [6]. Ao abrigo este Decreto-Lei a electriciae prouzia era estinaa preominantemente ao consumo próprio, seno o exceente possível se ser entregue a terceiros ou à ree pública, com limite e 150 KW e potência no caso a entrega ser efectuaa à ree publica. No entanto, verifica-se ue o número e sistemas e microgeração e electriciae licenciaa e a funcionar ao abrigo este Decreto-Lei é muito reuzio. O regime e licenciamento, regulamentao pelo Decreto-Lei N.º 312/2001 e 10 e Dezembro aplica-se a toos os centros proutores inepenentemente a sua potência nominal e localização geográfica, conuzino a uma excessiva centralização aministrativa os processos e licenciamento os sistemas e microgeração [7]. Assim, em 2007 foi publicao o Decreto e Lei N.º 363/2007 e 2 e Novembro com o objectivo e simplificar e forma significativa o regime e licenciamento existente, substituino-o por um sistema e simples registo, sujeito à inspecções e conformiae técnica [8]. Durante a inspecção são realizaos ensaios para verificar o funcionamento aeuao os euipamentos. No entanto, estes ensaios estinam-se a verificar os valores fixaos na norma EN e Julho e 2005, relativamente ao máximo e mínimo e tensão, máximo e mínimo e freuência, flicker, harmónicos e outros ue venham a ser efinios por espacho o irector-geral e Energia e Geologia [8]. 13

15 1.1 Motivação e Objectivos Tal como foi referio anteriormente a ligação e uniaes e microgeração às rees e BT está sujeita apenas à inspecção e conformiaes técnica, não seno realizao ualuer tipo e estuo para avaliação o impacto a sua ligação no funcionamento o sistema. Assim, este trabalho tem como objectivos principais: Avaliar a capaciae as rees e BT para integrarem uantiaes significativas e proução e energia eléctrica proveniente e sistemas e microgeração. Avaliar as conições e operação (funcionamento/exploração) os sistemas eléctricos e energia ue integrem uantiaes significativas e microgeração nas suas rees e BT. Avaliar as potencialiaes a microgeração para o fornecimento e serviços e sistemas e moo a contribuir para a melhoria a ualiae e energia entregue aos consumiores e BT. 1.2 Organização a Dissertação O trabalho realizao e moo a satisfazer os objectivos traçaos e apresentao nesta issertação encontra-se organizao em seis capítulos. No capítulo 1 é apresentaa a introução. No capítulo 2 são aboraas as uestões relacionaas com a operação (funcionamento/exploração) os sistemas e energia com ligação e proução ispersa nas suas rees e MT e e microgeração nas rees e BT. São também escritas as uestões principais relacionaas com a ualiae e energia eléctrica. No capítulo 3 são apresentaos os moelos ue escrevem o comportamento os sistemas e microgeração utilizaos neste trabalho, (microturbina e eixo único e sistemas fotovoltaicos) os uais são ligaos à ree e BT através e conversores electrónicos e potência. Por isso, o moelo matemático o conversor é também apresentao neste capítulo. No capítulo 4 são apresentaos os moelos a máuina síncrona e rotor cilínrico, o regulaor automático e tensão e o regulaor e velociae bem como os moelos relativos aos restantes componentes a ree (linhas, transformaores e cargas). É também apresentao o moelo multi-máuina para simular o comportamento o sistema e energia em regime inâmico. No capítulo 5 é apresentaa a ree utilizaa como caso e estuo. Os resultaos obtios são também apresentaos e comentaos. As conclusões principais e as perspectivas e esenvolvimentos futuros são apresentaas no capítulo 6. Por fim, os parâmetros corresponentes aos moelos inâmicos os sistemas e microgeração e as máuinas síncronas utilizaos na ree e teste, bem com os parâmetros os restantes componentes e ree são apresentaos no anexo A. Os aos os barramentos ue caracterizam o regime e exploração o sistema utilizaos na resolução o problema o trânsito e potência são apresentaos no anexo B. 14

16 2 PRODUÇÃO DESCENTRALIZADA E MICROGERAÇÃO A ligação e PD nas rees e istribuição levou ao abanono a exclusiviae a proução nas granes centrais. Como conseuência as rees e istribuição eixaram e ser passivas e passaram a ser consieraas rees activas, o ue coloca em causa o conceito convencional e exploração este tipo e rees one o fluxo e potência era uniireccional. No entanto, para além e proução e energia eléctrica, a PD poe também ser aproveitaa e moo a contribuir para a melhoria a ualiae e serviço o sistema, através o fornecimento e serviços e sistema sob a forma e controlo e tensão e freuência e também no ue se refere à continuiae e serviço, na meia em ue rees e istribuição ue integrem PD poem funcionar em ree isolaa [3]. Assim, na secção 2.1, é apresentao o estao a arte sobre o funcionamento em ree isolaa e rees e istribuição com integração e PD. Na secção 2.2 são aboraas as uestões relacionaas com a ualiae e serviço e na secção 2.3 são apresentaos os inicaores a ualiae e serviço apresentaos aos consumiores, os uais constam a norma EN Por fim, na secção 2.4 é apresentao um breve resumo e as conclusões principais o capítulo. 2.1 Funcionamento em ree isolaa e rees e istribuição com integração e PD Tal como foi referio anteriormente, a ligação e PD nas rees e istribuição conuz a uma muança e filosofia no moo e exploração estes sistemas e energia, evio, principalmente, ao facto o fluxo e potência poer inverter o sentio. Isto significa ue em vez a ree MT experimentar trânsitos e potência apenas no sentio os consumiores, ela poerá passar a ter e suportar fluxos e potência também em sentio contrário e moo a escoar a proução e energia no local. Apesar este assunto ser consierao um problema e, por isso, ser objecto e investigação intensiva [3], a proução a PD nas rees e istribuição poe trazer importantes benefícios para a operação o sistema. Uma as possibiliaes e aproveitamento a PD prene-se coma a sua utilização para efectuar controlo e tensão e e freuência. Relativamente ao controlo e tensão, as tecnologias e conversão mais recentes permitem a proução e energia reactiva com grane flexibiliae [9,10,11]. A presença e PD com sistemas e regulação e tensão na ree e istribuição, efectuaa e forma local e continua, permite melhorar os perfis e tensão a ree e evitar investimentos em outras formas e compensação, revelano-se assim como uma mais valia na gestão as rees [12,13]. Quanto ao controlo e freuência, a intermitência associaa a algumas fontes primárias e energia continua a ser um facto limitativo. Por outro lao, os proutores têm interesse em entregar às rees o máximo e potência ue os seus sistemas conseguem prouzir em caa instante, não eixano margem e manobra para o controlo e freuência. No entanto, em termos técnicos, a PD poe ser aproveitaa para efectuar controlo e freuência, pois a intermitência o recurso primário não é inerente a toos os tipos e PD, como é o caso as centrais mini-hiricas ou os peuenos grupos iesel utilizaos freuentemente em cogeração. 15

17 Quanto à margem e manobra, o problema poe ser ultrapassao ese ue o fornecimento este tipo e serviços (controlo e freuência) seja pago ao proutor inepenente. O crescente aumento a ligação e PD nas rees e istribuição conuz ao aparecimento e alguns problemas técnicos, uma vez ue os sistemas eléctricos convencionais não previam a existência e rees e istribuição activas. Poem ser apontaos como problemas os seguintes efeitos [3]: Influência no trânsito e potências nos ramos a ree uer em regime estacionário, uer em regime transitório; Influência na ualiae e serviços prestaa aos clientes; Influência nos perfis e tensão; Influência na coorenação o sistema e protecções; Influência na segurança e euipamentos e pessoas; Possibiliae e aparecimento e ilhas eléctricas. Para além este efeito, ualuer situação e efeito obriga à saía e serviço as uniaes e PD por actuação as protecções a sua interligação à ree, poeno conuzir à pera e uantiaes e proução ue terá ue ser compensaa pela proução convencional. Depeneno o nível e integração a PD nas rees, esta situação poe pôr em causa a estabiliae os sistemas. Relativamente à ligação e parues eólicos, este problema tem sio objecto e estuo e e preocupação por parte os operaores o sistema, o ue conuz à efinição e cóigo e ree ue as instalações e PD terão e cumprir e moo a evitar tanto uanto possível a sua saía e serviço após a ocorrência e efeito na ree [14]. Para além o fornecimento e serviços e sistema sob a forma e controlo e tensão e freuência, alguns trabalhos efenem a melhoria a continuiae e serviço na meia em ue a s rees e istribuição ue integrem uantiaes significativas e PD poem funcionar em ree isolaa [3]. Contuo, o funcionamento em ree isolaa não é prática comum. É e salientar o vasto conjunto e estuos e métoos para etecção e eliminação o funcionamento e partes os sistemas eléctricos e energia em ree isolaa ou ilha [10]. Para tal são apresentaos os seguintes inconvenientes: Risco acrescio para as pessoas ue efectuam trabalhos e reparação e manutenção na ree, uma vez ue a ree poerá estar em tensão. O operaor e sistema poe não conseguir garantir a ualiae e serviço necessário aos consumiores ligaos à ree uano esta está a ser operaa em ree isolaa. Os sistemas e proução entro a ilha poem não ser aeuaos, pois não foram concebios para a protecção o sistema em funcionamento em ree isolaa, (o imensionamento as protecções foi efectuao para iferentes valores a corrente e curto-circuito e para trânsitos e potência ue poem não ter o mesmo sentio). A possibiliae e reengate automático entre a ilha e a ree sem ue estejam verificaas as conições e sincronismo. 16

18 Apesar estes inconvenientes, têm sio esenvolvios trabalhos e investigação ue emonstram a viabiliae técnica o moo e exploração os sistemas e energia em ree isolaa, nomeaamente através a formação e ilhas intencionais. As ilhas eléctricas poem ser classificaas conforme a sua origem em ilhas eléctricas intencionais e ilhas eléctricas espontâneas [15]. As ilhas intencionais são auelas ue são criaas e forma propositaa através e manobras, teno em vista acções e manutenção ou reparação, ficano as cargas localizaas a jusante o ponto e abertura o seccionaor a serem alimentaas pela proução istribuía existente nesse local. As ilhas espontâneas poem ocorrer na seuência e uma perturbação, como por exemplo um curto-circuito na ree a montante. Para ue o funcionamento em ilha seja viável eve existir capaciae e geração suficiente na zona a isolar e evem também existir sistemas e regulação e tensão e e freuência. O funcionamento em ree isolaa eve também ser coorenao com o moo e operação normal a ree e com os esuemas e protecção implementaos. Um os problemas levantaos tem a ver coma a necessiae e etectar e isolar efeitos na própria ree, o ue poerá ser complexo evio à menor potência e curto-circuito o sistema isolao [3]. A microgeração tem também contribuío para a muança e filosofia e operação os sistemas e energia. Nos últimos anos têm-se efectuao iversos estuos ue emonstram ue o funcionamento em ree isolaa e rees ue integram sistemas e microgeração trás granes benefícios. Em [16] é apresentao um estuo sobre a operação e uma micro ree urante e após a passagem a ree isolaa. É conveniente referir ue o conceito e micro ree não é uniforme. Neste caso os autores consieram uma micro ree como seno uma ree e istribuição capaz e operar sem a alimentação a ree principal a montante. Os ois granes objectivos este trabalho foram: Demonstrar os fenómenos transitórios ue ocorrem na micro ree no seguimento e manobras planeaas e e perturbações ue conuzem à formação a ilha. Mostrar ue uniaes e proução istribuía ligaas à ree através e conversores electrónicos e potência eviamente controlaos contribui para minimizar o impacto os fenómenos transitórios e manter a estabiliae a ree. Em [17], os autores escrevem e avaliam a viabiliae técnica e possíveis estratégias e controlo para a operação e uma micro ree em ree isolaa. Neste trabalho a micro ree é efinia como uma ree e istribuição e BT com uniaes e geração e peuena imensão one carga e geração estão fisicamente próximas. A micro ree poe também incluir ispositivos e armazenamento (baterias ou volantes e inércia), sistemas e proução combinaa e electriciae e calor e um sistema e controlo hieraruizao para controlo a ree. Os resultaos apresentaos em [17] emonstram a possibiliae e explorar a micro ree em ois moos possíveis: Moo normal, em ue a micro ree se encontra ligaa à ree e MT poeno estar a importar ou exportar potência; Moo e emergência, em ue após a separação a ree e MT a micro ree passa a funcionar e forma autónoma em ree isola. 17

19 De um moo geral são apontaas as seguintes vantagem resultantes a integração a microgeração nas rees e BT [18]: Reução as peras na ree e istribuição; Aumentar a fiabiliae o fornecimento e electriciae aos consumiores; Contribuir para a iminuição a epenência os combustíveis fosseis; Diminuição as emissões e gases com efeito e estufa; Diferimento e investimentos relativos ao reforço e expansão as infra-estruturas a ree; Criação e oportuniae para a inústria nacional e bens e euipamento e componentes para o sector eléctrico. Gerar um novo cluster inustrial e e serviços com impacto positivo na criação e emprego e no crescimento económico. Dar mais autonomia e poer e ecisão aos consumiores iniviuais e às comuniaes locais. 2.2 Qualiae e serviço A ualiae a energia eléctrica entregue pelas empresas istribuioras aos consumiores sempre foi objecto e interesse. Porém, até há algum tempo atrás, a ualiae tinha a ver, sobretuo, com a continuiae os serviços, ou seja, a principal preocupação era ue não se registarem interrupções e energia, e ue as tensões e freuência fossem mantias entro e eterminaos limites consieraos aceitáveis. Durante ezenas e anos a grane maioria os receptores ligaos às rees e energia eléctrica consistiam em cargas lineares. Por essa razão, e uma vez ue as tensões a alimentação são sinusoiais, as corrente consumias eram também sinusoiais e a mesma freuência, poeno apenas encontrar-se esfasaas relativamente à tensão (Figura 2.1). Figura 2.1 Tensão e corrente num sistema eléctrico com cargas lineares. Com o esenvolvimento a electrónica e potência os euipamentos ligaos aos sistemas eléctricos evoluíram, melhorano em renimento, controlabiliae e custo, permitino aina a execução e tarefas não possíveis anteriormente. Contuo, esses euipamentos têm a esvantagem e não funcionarem como cargas lineares, consumino correntes não sinusoiais, e essa forma poluino a ree eléctrica com harmónicos. A Figura

20 apresenta as formas e ona e corrente e tensão numa as fases e uma carga trifásica não linear típica (rectificaor trifásico e ona completa com filtro capacitivo). Figura 2.2 Tensão e corrente num sistema eléctrico com uma carga não linear. Como se poe observar a corrente está longe e ser sinusoial, e como conseuência, a tensão e alimentação fica istorcia. A electrónica e potência está nos ias e hoje integraa em uase toos os euipamentos omésticos e inustriais. São exemplos isso, os computaores, aparelhos e televisão, balastros electrónicos, máuinas ferramenta, carregaores e baterias, controlo e iluminação e auecimento baseao em tiristores, euipamento méico electrónico e ualuer euipamento ue utilize tensão em CC. Estuos concluíram ue aproximaamente 50% a energia eléctrica passa por um ispositivo e electrónica e potência (íoos, transistores e tiristores, iac, triac s) antes ue seja finalmente utilizaa. Toos estes ispositivos e electrónica e potência têm ois moos e funcionamento, conução ue correspone a um interruptor fechao ou bloueio ue correspone a um interruptor aberto. A passagem e um estao para o outro é muito rápia, e em ualuer instante o sinal (através o controlo o semiconutor). Essas comutações rápias e estao prouzem uma corrente não sinusoial uano a tensão ue os alimenta é sinusoial. Por sua vez, a circulação estas correntes não sinusoiais nas instalações e euipamentos eléctricos, conuz a ueas e tensão com anamento igualmente não sinusoial, ue uano sobrepostas aeuaamente com a tensão a ree a tornam também não sinusoial. A presença estas cargas, e conseuente poluição harmónica nas instalações, poe tornar a sua própria operação, e também a e outros componentes inaeuaa, resultano em peras e informações, funcionamentos incorrectos, isparos inesejaos, aumento as peras relacionaas com o transporte e istribuição e energia eléctrica, problemas e interferências com sistemas e comunicação, etc. Os critérios ue efinem a ualiae e energia ificilmente são critérios uniformes. Para um utilizaor oméstico a ualiae mee-se funamentalmente e uma forma empírica, usano a maior parte as vezes a iluminação como instrumento e análise. Há luz ou não há luz, izemos muitas vezes. Para um utilizaor inustrial, para um hospital ou para um grane eifício o sector terciário os critérios ue efinem a ualiae são completamente iferentes. Múltiplas perturbações implicam funcionamentos incorrectos e iferentes euipamentos, pelo ue se torna inispensável caracterizar e efinir essas perturbações. 19

21 A ualiae e serviço no fornecimento e energia eléctrica inclui três aspectos funamentais: Qualiae técnica ao nível a continuiae e serviço, e ualiae técnica ao nível as características a ona e tensão e ualiae comercial. Qualiae técnica ao nível a continuiae e serviço - é caracterizaa pelo número e uração as interrupções. Estes valores poem ser aferios iniviualmente (por cliente) ou inserios em parões gerais perfeitamente efinios. O incumprimento os valores parão e ualiae efinios, poe levar a penalizações. Estas funcionam como um incentivo à procura e melhoria a ualiae. Qualiae técnica ao nível as características a ona e tensão - está a tornar-se um aspecto muito importante para istribuiores e clientes finais, principalmente os ue possuem euipamentos sensíveis. O número e euipamentos vulneráveis às istorções a tensão está a aumentar, ao mesmo tempo ue aumenta também o número e utilizaores finais com euipamentos sensíveis. Os parâmetros usaos para efinir a ualiae a forma e ona estão caracterizaos na norma portuguesa NP EN 50160, para a méia e baixa tensão. Qualiae comercial prene-se com a ualiae o relacionamento entre um forneceor e os seus clientes. Trata-se e um factor importante antes o cliente optar por um forneceor (nos casos em ue existe opção e escolha o mesmo) e começa no ia em ue solicita informações ou um peio e ligação. A ualiae comercial engloba um vasto conjunto e aspectos o relacionamento, mas apenas alguns são mensuráveis e reguláveis, como por exemplo o tempo ecorrio para efectuar uma ligação, para responer a reclamações, o número e leituras executaas, o fornecimento e informação sobre os mais iversos aspectos eléctricos/comerciais, tempo e resposta o atenimento telefónico, etc. O não cumprimento os factores e ualiae poe levar a penalizações o istribuior e/ou comercializaor ao cliente. A ree e istribuição tem um forte impacto na ualiae. A ualiae na proução é uase sempre muito uniforme e praticamente toas as perturbações sentias pelos consumiores têm origem em acientes ou incientes na ree e istribuição. Muitos estes incientes têm origens em eventos imprevisíveis tais como escargas atmosféricas, curto circuitos provocaos por aves, incênios florestais, entre muitas outras causas, e não há meios técnicos para evitar as suas conseuências. A efinição o ue é a ualiae a electriciae, ou melhor a Qualiae a Energia (traução a expressão Power Quality) foi objecto e uma norma Europeia, a EN O termo Qualiae a Energia não é apropriao uano se fala nesta norma. De facto seria mais rigoroso falar e ualiae a ona e tensão. No entanto para análise o impacto os problemas e ualiae em instalações eléctricas é muito importante ir além o estuo a ualiae a ona e tensão. Entre os problemas e ualiae e energia, a interrupção o fornecimento é, incontestavelmente, o mais grave, uma vez ue afecta toos os euipamentos ligaos à ree eléctrica, à excepção aueles ue sejam alimentaos por UPS s (Uninterruptable Power Supplies sistemas e alimentação ininterrupta) ou por geraores e emergência. Contuo, outros problemas e ualiae e energia, como os escritos a seguir e ilustraos na Figura 2.3, além e levarem à operação incorrecta e alguns euipamentos, poem também anificá-los [19]: 20

22 Distorção harmónica: uano existem cargas não lineares ligaas à ree eléctrica a corrente ue circula nas linhas contém harmónicos e as ueas e tensão provocaas pelos harmónicos nas impeâncias as linhas faz com ue as tensões e alimentação fiuem também istorcias. Ruío (interferência electromagnética): correspone ao ruío electromagnético e alta-freuência, ue poe ser prouzio pelas comutações rápias os conversores electrónicos e potência. Inter-harmónicos: surgem uano há componentes e corrente ue não estão relacionaas com a componente funamental (50 Hz); essas componentes e corrente poem ser prouzias por fornos a arco ou por cicloconversores (euipamentos ue, alimentaos a 50 Hz, permitem sintetizar tensões e correntes e saía com uma freuência inferior). Interrupção momentânea: ocorre, por exemplo, uano o sistema eléctrico ispõe e isjuntores com religaor, ue abrem na ocorrência e um curto-circuito, fechano-se automaticamente após alguns milissegunos (e manteno-se ligaos caso o curto-circuito já se tenha extinguio). Subtensão momentânea (voltage sag): também conhecio por cava e tensão, poe ser provocaa, por exemplo, por um curto-circuito momentâneo num outro alimentaor o mesmo sistema eléctrico, ue é eliminao após alguns milissegunos pela abertura o isjuntor o ramal em curto. Sobretensão momentânea (voltage swell): poe ser provocaa, entre outros casos, por situações e efeito ou operações e comutação e euipamentos ligaos à ree eléctrica. Flutuação a tensão (flicker): acontece evio a variações intermitentes e certas cargas, causano flutuações nas tensões e alimentação (ue se trauz, por exemplo, em oscilações na intensiae a iluminação eléctrica). Micro-cortes e tensão (notches): resultam e curto-circuitos momentâneos, ue ocorrem urante intervalos e comutação os semiconutores e potência os rectificaores. Transitórios: ocorrem como resultao e fenómenos transitórios, tais como a comutação e bancos e conensaores ou escargas atmosféricas. 21

23 Figura Problemas e ualiae e energia eléctrica. 2.3 Inicaores a ualiae e serviço em rees e istribuição [20] A ualiae a forma e ona a tensão poe ser meia por um conjunto e inicaores ue aferem a bonae o serviço prestao aos consumiores. Quano as amplitues as tensões nas três fases são eseuilibraas, a forma e ona é istorcia (uer por harmónicas uer por fenómenos transitórios), ou uano surgem cavas ou elevações e tensão, a ualiae a energia eléctrica é egraaa. A EN já tem uma traução Portuguesa, a NP EN 50160, eitaa pelo IPQ em Esta norma escreve as características principais, no ponto e entrega ao cliente, a tensão e alimentação por uma ree e istribuição pública em baixa ou méia tensão, em conições e exploração normais. 22

24 A Norma no ue respeita às características a tensão e alimentação iz ue: A freuência eve ser igual a 50 Hz. Em conições normais o valor méio meio em intervalos e 10m eve estar: Entre 49,5 e 50,5 Hz urante 95% e uma semana Entre 47 e 52 Hz urante 100% e uma semana A tensão nominal em BT entre fase e neutro eve ser igual a 230V entre fase e neutro Variação a tensão e alimentação Não consierano as interrupções, 95% os valores eficazes méios e 10 min para caa períoo e uma semana evem situar-se na gama Un ± 10% Severiae a tremulação (flicker) Para ualuer períoo e uma semana, a severiae e longa uração eve ser Plt < 1 urante 95% o tempo P st P lt = (2.1) i= 1 12 Em ue Pst é a severiae a tremulação e curta uração meia num períoo e 10 minutos. Deseuilíbrio as tensões e alimentação Para caa períoo e uma semana 95% os valores eficazes méios e 10 min a componente inversa as tensões, não evem ultrapassar 2% a corresponente componente irecta. Tensão harmónica Tensão sinusoial cuja freuência é um múltiplo inteiro a freuência funamental a tensão e alimentação. A taxa e istorção harmónica 40 2 U h h= 2 THD = (2.2) Não eve ultrapassar 8% em 95 % os períoos e 10 minutos Tensão Interharmónica tensão sinusoial cuja freuência não é um múltiplo inteiro a freuência funamental O cumprimento a norma é verificao uano toos os valores se encontram no intervalo e confiança e 95%. Tomemos um exemplo: Lemos o valor eficaz a tensão e alimentação urante 10 minutos. Calculamos o valor méio urante esses 10 minutos. Determinamos o conjunto e valores méios e 1008 períoos (uma semana) e 10 minutos consecutivos. Se 95% esses valores estiverem compreenios numa bana e Un ± 10%, então verifica-se o cumprimento a norma. 23

25 Actualmente, o Regulamento a Qualiae e Serviço impõe ue o istribuior verifiue anualmente o cumprimento esta norma em iversos pontos o país, forneceno esses aos à Entiae Regulaora. O cumprimento a norma não é uma garantia ue o utilizaor final e energia eléctrica não vai ter nenhum tipo e problemas. Há um conjunto e perturbações ue normalmente acontecem, ue são imprevisíveis e impossíveis e evitar. Esse conjunto e perturbações é efinio a seguinte forma: Cava e tensão Abaixamento o valor eficaz a tensão e alimentação para um valor situao entre 90% e 1% e Uc urante um períoo e 10ms a 1 minuto; Interrupção a alimentação Variação e tensão para menos e 1% e Uc Interrupção curta < 3 min efeito transitório Interrupção longa > 3 min efeito permanente Sobretensões temporárias entre conutores activos e a terra Exemplo a falta e neutro e uma instalação Sobretensões transitórias entre conutores activos e a terra Origem Manobras e comutação e escargas atmosféricas. 2.4 Resumo e principais conclusões Neste capítulo foi efectuaa uma breve revisão o impacto a microgeração e PD nas rees e istribuição, incluino a integração e microgeração nas rees e BT. Para além as uestões relacionaas com a muança e filosofia e exploração relativamente aos sistemas convencionais, foram também realçaas as potencialiaes e PD para fornecimento e serviços e sistema, contribuino assim para a melhoria a ualiae e serviço. Foi aa atenção especial à possibiliae e formação e ilhas e à operação os sistemas e istribuição em ree isolaa, incluino aueles ue integram uniaes e microgeração nas rees e BT. As uestões relacionaas com a ualiae e serviço foram também aboraas, assim como os principais inicaores. Teno em conta o contexto e exploração e rees e istribuição ue integram uantiaes significativas e PD, a avaliação a capaciae as actuais rees e BT absorverem uantiaes significativas e energia proveniente e uniaes e microgeração terá em conta os seguintes aspectos: Funcionamento o sistema e istribuição em ree interligaa; Passagem e ree interligaa para ree isolaa; Funcionamento o sistema e istribuição em ree isolaa; A ree e BT encontra-se sempre ligaa à ree e MT a montante porue não tem capaciae e regulação e freuência e e tensão. São realizaos estuos em regime estacionário e em regime inâmico ue focam a análise o perfil as tensões. 24

26 3 MODELOS EM REGIME DINÂMICO PARA AS UNIDADES DE MICROGERAÇÃO Este capítulo tem como objectivo principal apresentar os moelos matemáticos aoptaos para representar o comportamento em regime inâmico e iversas uniaes e microgeração ligaas a ree e BT através e interfaces baseaas em conversores electrónicos e potência. Os moelos apresentaos tiveram por base moelos muito semelhantes encontraos na literatura e foram implementaos com o objectivos e estuar o comportamento em regime inâmico e uma ree e BT com integração e microgeração, focano a exploração o sistema e energia ao ual a ree e BT está ligaa em ree interligaa e em ree isolaa. No entanto, é conveniente realçar uas uestões funamentais: O moelo os conversores electrónicos e potência é baseao apenas nas suas funções e controlo, pelo ue os transitórios associaos à comutação os ispositivos e electrónica e potência, harmónicos e peras nos conversores não são consieraos. Este proceimento tem sio aoptao com freuência na análise o comportamento inâmico e sistemas e energia cujas fontes sejam ligaas à ree através e conversores electrónicos e potência [21,22]. Apenas foi consierao o funcionamento o sistema e energia em regime euilibrao e simétrico, apesar e não ser uma situação freuente uano se trata e rees e BT. Tal como foi referio anteriormente, no capítulo 2, existem iferentes tipos e tecnologias isponíveis no mercao e ue poem ser ligaas à ree e baixa tensão, nomeaamente microturbinas eólicas, painéis solares fotovoltaicos, microturbinas, peuenos grupos iesel e peuenas uniaes e proução combinaa e electriciae e calor. No entanto, tal como foi referio anteriormente, apenas os sistemas solares fotovoltaicos e as microturbinas foram consieraos neste trabalho. O moelo a microturbina eólica, assim como e outras uniaes e microgeração serão consieraos em esenvolvimentos futuros. Na secção 3.1 é apresentaa a forma como as uniaes e microgeração estão ligaas à ree. Nas secções seguintes são escritos os moelos matemáticos corresponentes. Assim, na secção 3.2 é apresentano o moelo a microturbina e na secção 3.3 o moelo os sistemas fotovoltaicos. Como ambos os sistemas são ligaos à ree através e conversores electrónicos e potência, o seu moelo matemático é apresentao na secção 3.4. Por fim, na secção 3.5, são apresentaas as principais conclusões. 3.1 Uniaes e microgeração ligaas à ree e baixa tensão As uniaes e microgeração ligaas à ree e baixa tensão através e interfaces baseaas em conversores electrónicos e potência são geralmente representaas por uma fonte e tensão em CC ligaa a um inversor [22] tal como apresentao na figura

27 Uniae e microgeração Icc C CC CA e a e b e c v a v b v c Vcc PWM v Controlo * * * a, vb, vc Filtro Passa Baixo i, v Figura 3.1 Representação e uma uniae e microgeração ligaa à ree De acoro com a figura 3.1 poem-se istinguir os seguintes blocos principais: A fonte e tensão em CC ligaa ao barramento e CC o inversor. O inversor ue realiza a conversão e CC para CA. A tensão e saía o inversor correspone à tensão a freuência funamental (50 Hz) uma vez ue o moelo o inversor apenas inclui as funções e controlo. Um filtro passa baixo ue é representao através o valor a sua impeância à freuência funamental. Os moelos as uniaes e microgeração e o inversor são trataas nas secções seguintes. 3.2 Microturbina A maioria as microturbinas existentes no mercao têm como função principal prouzir electriciae, poeno funcionar em cogeração (prouzino electriciae e calor em simultâneo) utilizano euipamento aicional. Quano se pretene ue a microturbina funcione em cogeração é utilizao um permutaor e calor aicional e forma a tirar partio a relativamente elevaa temperatura os gases e escape. Algumas microturbinas vêm preparaas e série com o referio permutaor, enuanto ue em outras o euipamento auxiliar é venio separaamente. O termo microturbina refere-se em geral a um sistema e imensões relativamente reuzias composto por compressor, câmara e combustão, turbina e geraor eléctrico, com uma potência total isponível não superior a 250 kw [23]. As microturbinas poem operar com uma grane varieae e combustíveis. O gás natural, é auele ue é mais utilizao, mas também poem ser usaos combustíveis líuios tais como a gasolina sem chumbo, gasóleo, álcoois, kerosene, propano, etc. No entanto, a utilização o gás natural permite uma maior reução as emisões e gases (e.g. NOx: 9 25 ppm) para a atmosfera [23]. 26