6 Redes Elétricas Inteligentes

Transcrição

1 6 Redes Elétricas Inteligentes Neste item, serão apresentadas pesquisas desenvolvidas em programas da Coppe/UFRJ sobre a temática redes elétricas inteligentes. Alguns resultados parciais desta linha temática são: protótipo de microrrede no Centro de Tecnologia da UFRJ e software para avaliação do impacto das tecnologias de REI, entre outros. 6.1 Desenvolvimento de métodos de análise, otimização, controle e simulação de sistemas de energia elétrica baseados nos conceitos de redes elétricas inteligentes (REI) Os sistemas de energia elétrica estão prestes a sofrer uma transformação de grandes proporções. Essa transformação consiste na modernização das tecnologias de geração, transmissão, distribuição e uso final da energia elétrica, visando abordar questões que vão desde as preocupações com mudanças climáticas até a possibilidade de proporcionar ao usuário final maior participação no gerenciamento do sistema elétrico. Outros aspectos visados nessa transformação são a confiabilidade do fornecimento de energia e a intensificação do uso de fontes renováveis conectadas à rede de distribuição. Essa nova concepção atende pelo nome genérico de smart grid ou redes elétricas inteligentes (REI). A expressão REI deve ser entendida mais como um conceito que como uma tecnologia ou equipamento específico. Baseia-se na utilização intensiva de tecnologia da informação, automação e comunicações para monitoração e controle da rede elétrica, a qual permitirá a implantação de estratégias de controle e otimização da rede de forma muito mais eficiente que as atualmente em uso. A introdução do conceito de REI produzirá uma convergência acentuada entre a infraestrutura de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica e a infraestrutura de comunicações digitais 1

2 e processamento de dados. Esta última funcionará como uma internet de equipamentos, interligando os chamados IEDs (intelligent electronic devices) e trocando informações e ações de controle entre os diversos segmentos da rede elétrica. Essa convergência de tecnologias exigirá o desenvolvimento de novos métodos de controle, automação e otimização da operação do sistema elétrico, com forte tendência para utilização de técnicas de resolução distribuída de problemas. No Brasil, o conceito de redes elétricas inteligentes vem sendo difundido rapidamente e já se observa intensa atividade em algumas empresas e órgãos governamentais. A Aneel está realizando consultas e audiências públicas visando à implantação de medidores eletrônicos em unidades residenciais, incentivo à geração distribuída de pequeno porte a partir de fontes renováveis de energia e conectada na rede de distribuição, e modificações na estrutura tarifária visando à variação horária e sazonal da tarifa para consumidores residenciais. A Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica (Abradee) liderou o projeto estratégico Programa Brasileiro de Rede Elétrica Inteligente, financiado com recursos do programa de P&D do setor elétrico coordenado pela Aneel, reunindo várias empresas do setor elétrico brasileiro e centros de pesquisa. O Ministério das Minas e Energia criou um grupo de trabalho com o objetivo de analisar e identificar ações necessárias para subsidiar o estabelecimento de políticas públicas para a implantação de um Programa Brasileiro de Rede Elétrica Inteligente - Smart Grid. O Grupo de Trabalho é composto por representantes do MME, EPE, Cepel, Aneel e ONS. Várias empresas do setor elétrico brasileiro desenvolvem projetos de pesquisa e desenvolvimento voltados para aplicação da tecnologia de redes inteligentes, incluindo vários projetos-piloto, tais como Cidades do Futuro-Sete Lagoas (Cemig), Rio de Janeiro (Light), Cidade Inteligente Búzios (Enel-Endesa-Ampla), InovCity Aparecida (EDP- Bandeirante), Fazenda Rio Grande (Copel), Parintins (Eletrobras), entre outros. Objetivos Gerais 2

3 O objetivo principal deste subprojeto é a pesquisa e desenvolvimento de métodos de análise, otimização, controle e simulação de sistemas de energia elétrica baseados nos conceitos de REI. O subprojeto é baseado em abordagens experimentais e de simulação computacional, com uma abrangência multidisciplinar, incluindo as áreas de sistemas de energia elétrica, eletrônica de potência, fontes alternativas de energia, otimização e redes de computadores. Como objetivos adicionais do subprojeto, devem ser citados: - Formação de pesquisadores e engenheiros familiarizados com a tecnologia de REI, cuja necessidade já está presente no mercado de trabalho e se tornará cada vez mais intensa com a implantação dessa tecnologia no país; - Interação com as empresas do setor de energia elétrica, órgãos governamentais, consultores e fornecedores de equipamentos, visando ao repasse da tecnologia desenvolvida no subprojeto; Os grupos de pesquisa envolvidos neste subprojeto mantêm colaboração com empresas tais como Light, Ampla, Eletrobras Furnas, Eletrobras Eletrosul, Eletrobras Cepel etc., na forma de projetos conjuntos de pesquisa e desenvolvimento e através da participação de engenheiros dessas empresas em cursos de pós-graduação, o que facilitará a interação acima referida. Linha de pesquisa 1: Projeto microrredes Microrredes constituem-se em uma forma eficiente de se conectar fontes de energia de diferentes tipos e capacidades, dispositivos armazenadores de energia e cargas especiais. Constituem um minissistema de energia elétrica que pode operar de forma semiautônoma, conectado ao sistema da concessionária ou isolado. A tendência de incorporação de fontes de energia dispersas, particularmente as renováveis (fotovoltaica, eólica etc.), conectadas aos sistemas de distribuição de energia elétrica, vem crescendo nos últimos anos, por razões de ordem ambiental, políticas 3

4 governamentais e avanços tecnológicos. Essa integração apresenta problemas tecnológicos que podem ser contornados através da utilização do conceito de microrredes. O projeto microrredes é uma iniciativa conjunta de vários departamentos da Coppe e da Escola Politécnica, visando à instalação de um protótipo de microrrede no Centro de Tecnologia da UFRJ, localizado na Cidade Universitária. A microrrede conectará vários microgeradores, utilizando diferentes tecnologias (fotovoltaica, eólica, biomassa, energia das ondas etc.), assim como dispositivos de armazenamento e cargas. O objetivo principal do projeto é o estudo de esquemas de controle e proteção, dispositivos de conexão de fontes renováveis à rede elétrica, operação econômica, aspectos regulatórios e impacto socioambiental dessa nova tecnologia. A microrrede será constituída pelos seguintes componentes: - Pilha a combustível de óxido sólido; - Miniusina de energia das ondas 1 ; - Aerogerador; - Miniusina solar; - Gerador a biodiesel; - Rede elétrica para interconexão das fontes; - Centro Integrado de Supervisão e Controle. Linha de pesquisa 2: Ferramentas computacionais para estudos das REI e sistemas de transmissão inteligentes Desenvolvimento de ferramentas computacionais (software) para avaliação do impacto das tecnologias de REI, com destaque especial para a incorporação de geração distribuída, micro-geração e microrredes. Os principais tópicos em desenvolvimento são: - Simulação em regime permanente e dinâmico, com modelagem trifásica 1 Eventualmente, emulados através de circuitos e máquinas que deem resposta equivalente à usina de energia das ondas e ao aerogerador. 4

5 da rede, para avaliação de redes de distribuição de energia elétrica com a presença de geração distribuída e microgeração. Nesta linha, foi desenvolvido um produto denominado Simulight, através de projetos de P&D com empresas do setor elétrico, o qual já se encontra em uso por algumas empresas; - Avaliação da confiabilidade probabilística de redes com fontes alternativas de energia (eólica, solar etc.), microrredes e outras tecnologias de REI, considerando a operação normal e ilhada; - Simulação do impacto de programas de gerenciamento da demanda, medição inteligente, microgeração distribuída, veículos elétricos e outras tecnologias viabilizadas pelas REI no planejamento da operação e expansão dos sistemas elétricos; - Aplicação de sistemas multiagentes na localização de defeitos e restauração de serviço em redes de distribuição; - Indicadores de proximidade de instabilidade de tensão utilizando medição fasorial em tempo real Analisar e comparar o desempenho de diversos indicadores do risco da instabilidade de tensão em tempo real. Esses indicadores são obtidos dos fasores de corrente e tensão nodais de sequência positiva e se baseiam num novo método de identificação dos parâmetros do equivalente de Thevenin vistos das barras de EAT; - Estimação de estado em sistemas de energia elétrica utilizando medição fasorial sincronizada Desenvolvimento de estimadores de estado capazes de processar simultaneamente ou sequencialmente as informações do sistema Scada e de unidades de medição fasorial. Linha de pesquisa 3: Aplicações de eletrônica de potência O elemento básico da eletrônica de potência a ser utilizado nas redes inteligentes serão os conversores de tensão ou VSC. Com estes conversores é possível sintetizar compensadores de reativos como o Statcom (Static Syncrhonous Compensator), o 5

6 SSSC (Static Synchronous Series Compensator), o UPFC (Unified Power Flow Controller) ou suas derivações. Esses conversores também são a base para os sistemas de conversão de corrente contínua em corrente alternada, necessários tanto na conexão de dois sistemas síncronos ou assíncronos e em especial nos casos de fontes alternativas como eólica ou solar. Os principais estudos em desenvolvimento incluem os pontos abaixo: - Sistema de corrente contínua baseado em VSC Estes sistemas estão sendo estudados para uso em sistemas de conexão back-to-back de sistemas síncronos ou assíncronos, inclusive geradores eólicos. Neste tópico está se estudando também o novo conversor multinível modular para uso em altas potências com baixas perdas; - Transmissão CA segmentada Este tipo de transmissão está sendo estudada para garantir maior flexibilidade tanto no controle da transmissão quanto no controle da tensão ao longo da linha, permitindo melhor inserção regional; - Aplicação do UPFC em controle de tensão Neste estudo pretende-se avaliar o uso do UPFC como controlador direto de tensão em redes de distribuição. Nessas redes, nem sempre o controle da potência reativa para o controle da tensão é efetiva e o uso do UPFC pode ser vantajoso em muitos casos, tendo em vista o menor tamanho dos conversores e melhor controle da tensão. - Máquina síncrona virtual Este projeto (em colaboração com a Universidade de San Juan, na Argentina) trata do desenvolvimento de um sistema de controle do conversor de conexão de uma pilha a combustível ao sistema de potência com dinâmica similar ao de uma máquina síncrona. Linha de pesquisa 4: Modelagem e análise de confiabilidade e desempenho de sistemas inteligentes em rede de distribuição de energia 6

7 Apesar de os atuais sistemas de distribuição de energia serem altamente confiáveis, a rede sofre de problemas fundamentais, tais como o desperdício de energia durante a distribuição, poluição ambiental, custos altos de infraestrutura para suprir o pico de carga e capacidade limitada para armazenamento de energia. De uma forma geral, esses problemas advêm do fato de os sistemas atuais de distribuição serem centralizados e geralmente dependerem de uma única fonte. Com o advento de sistemas de distribuição inteligentes em grade (smart grids), uma grande mudança de paradigma está em andamento. A sociedade de hoje experimenta uma transição para sistemas descentralizados com múltiplas fontes de energia, tais como energia solar e painéis de vento, que podem ser alocados perto do consumidor final. Essas fontes múltiplas de energia, apesar do potencial para permitir uma grande economia de custo, suprem energia possivelmente de forma intermitente e com geração variável. Por conseguinte, compatibilizar a demanda com a disponibilidade de energia não é uma tarefa trivial. Para lidar com esse problema é preciso monitorar, através de sensores, o uso de energia e distribuir essa informação de forma a adaptar a demanda à geração distribuída e variável de energia. É necessário que se tenha uma visão global que leve em consideração a comunicação de dados, a confiabilidade dos sistemas envolvidos, a reserva de energia e recursos inteligentes de detecção de falhas, isolamento, restauração e resposta à demanda. Sistemas inteligentes de distribuição são sistemas estocásticos autônomos de grande porte e, em essência, muitos dos problemas atuais podem ser abordados com a tecnologia desenvolvida para lidar com a internet, uma vez que ambos os sistemas têm como objetivo o casamento da produção (de informação ou de energia), dispersa geograficamente, para os consumidores. O objetivo da pesquisa nesta seção é o desenvolvimento de modelos estocásticos para a avaliação de métricas de sobrevivência da rede, levando em consideração o seccionamento automático da topologia para distribuição de energia, a 7

8 potência disponível em excesso, a confiabilidade da rede de comunicação e dos componentes da grade e as tecnologias de automação demanda-resposta. Pretende-se integrar modelos estocásticos de confiabilidade e desempenho e conceitos oriundos de projetos de redes de comunicação de dados (internet) para dar suporte aos engenheiros de potência. Serão estudados mecanismos voltados ao projeto de topologias confiáveis e diagnósticos de falhas, considerando diferentes tecnologias de comunicação e as várias camadas da arquitetura de smart grids. Resultados Esperados - Desenvolvimento de métodos de análise, otimização, controle e simulação de sistemas de energia elétrica baseados nos conceitos de REI. 6.2 Geração Distribuída Sistemas de integração eólica, solar e rede A geração distribuída de energia elétrica é uma alternativa às grandes usinas e à rede de distribuição em alta tensão. A geração distribuída vem ganhando espaço no mundo, tornando-se uma solução para o futuro. As novas tecnologias permitem a produção de eletricidade com qualidade no próprio local de consumo, reduzindo perdas com sistemas de transmissão e distribuição. A confiabilidade do sistema de geração local é uma vantagem para empresas que necessitam de um fornecimento contínuo de energia, evitando prejuízos com falta de energia da rede. Objetivos Gerais Os principais objetivos deste projeto são trabalhar a integração de sistemas de microgeração distribuída a partir do uso de energias renováveis (eólica, solar, H2 etc.); analisar as tecnologias de armazenamento e integração com a rede de distribuição em 8

9 baixa tensão; identificar usos específicos, isolados (off-grid) ou através da rede (on-grid) em baixa tensão, tais como atendimento de prédios e casas inteligentes, iluminação pública, mobilidade elétrica (barcos, carros e bicicletas) e usos específicos, como para bombeamento e refrigeração; e avaliar os módulos de microgeração, armazenamento e uso de energias alternativas que serão instalados, verificando a sinergia com o que já foi desenvolvido no exterior e quais as particularidades técnicas da sua implantação no Brasil. Linha de pesquisa 1: Gestão energética Linha de pesquisa 2: Geração distribuída Linha de pesquisa 3: Fontes alternativas de energia Resultados Esperados - Análise de tecnologias de armazenamento e integração com a rede de distribuição em baixa tensão. Equipe e Parcerias da Linha Temática Redes Elétricas Inteligentes Equipe Carmen L. T. Borges Djalma M. Falcão Edson H. Watanabe Glauco N. Taranto Luís Guilherme B. Rolim Marcos Aurélio V. Freitas Mauricio C. Arouca Paulo Emílio V. de Miranda Unidades e Laboratórios da UFRJ envolvidos e Parcerias Laboratório de Eletrônica de Potência (Elepot) Laboratório de Sistemas de Potência (Laspot) Laboratório de Hidrogênio Laboratório de Tecnologia Submarina (LTS) Laboratório de Fontes Alternativas de Energia (Lafae) 9

10 Segen F. Estefen Tatiana M. L. de Assis Walter I. Suemitsu Rosa M. Leão Edmundo de Souza e Silva Daniel S. Menasche Programa de Planejamento Energético da Coppe Pointec Ampla 10