CONEXÃO DE PEQUENA CENTRAL TERMOELÉTRICA EM CONFIGURAÇÃO DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA EM DERIVAÇÃO NA REDE DE DISTRIBUIÇÃO

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1 CONEXÃO DE PEQUENA CENTAL TEMOELÉTICA EM CONFIGUAÇÃO DE GEAÇÃO DISTIBUÍDA EM DEIVAÇÃO NA EDE DE DISTIBUIÇÃO Sérgio I. Gomes 1, Carlos E.Laurindo 2, Paulo. Paraíso 3, Cid M.G. Andrade 3 1 Engº Eletricista, Mestre em Engª Química, Copel - Companhia Paranaense de Energia, Maringá-P, sergio.inacio@copel.com 2 Engº Eletricista - Companhia Paranaense de Energia, Curitiba-P, carloslaurindo@copel.com 3 Engºs Químicos, Doutores, Prof. DEQ-UEM - Departamento de Engª Química, Universidade Estadual de Maringá - P, s: cid@deq.uem.br, paulo@deq.uem.br, 4º Congresso Internacional de Bioenergia e Congresso Brasileiro de Geração Distribuída e Energias enováveis 18 a 21 de agosto de 2009 ExpoUnimed Curitiba e Teatro Positivo Curitiba - P esumo A introdução da geração distribuída no sistema elétrico de potência (SEP) apresenta-se como uma alternativa estratégica para o desenvolvimento do setor energético brasileiro. A adequada localização das fontes de geração distribuída e a configuração de sua conexão são aspectos importantes para majorar as vantagens e minorar os impactos restritivos em sua utilização, já que a filosofia do sistema de distribuição existente foi projetada, para uma única fonte de energia elétrica: a subestação da concessionária. A configuração radial é o método de conexão tradicional adotada para fontes geradoras ao sistema elétrico, mesmo na geração distribuída. Este trabalho refere-se a um projeto piloto para conexão de uma pequena central termoelétrica a biomassa e, apresenta-se como uma experiência nova para avaliação dos impactos na geração distribuída, utilizando um método de conexão alternativa, a de conexão em derivação na rede de distribuição. Abstract Connection of a Small Central Thermoelectric in Distributed Generation System in Tap Derivation in the Distribution Network The inserting of distributive generation in the electric power system (EPS), it is presented as a strategic alternative to the development of Brazil s energetic sector. The convenient localization of the generation sources and the connection configuration are important aspects for improvement the advantages and decrease the restrictive impacts in its utilization, since the idea of the distribution system was projected for just one source of electric energy: the concessionaire s substation. The radial configuration is the traditional connection method assumed for generating sources to electric system, even in the distributive generation. This work refers to the pilot project for connection of a small central thermoelectric from biomass and, that is presented as a new experimentation to the assessment of the impacts in the method of alternative connection, such as the tap connection in the distribution network. INTODUÇÃO: Normalmente a conexão de pequenas centrais termoelétricas (PCTs) a partir da biomassa, em especial àquelas integradas à indústria sucro-alcooleira é realizada radialmente por meio de linhas de transmissão em tensões típicas do sistema de subtransmissão, conforme o nível de potência de geração e das características da rede de distribuição regional existente. O aquecimento global e a iminência da crise pela exaustão dos combustíveis fósseis são desafios reais colocados à humanidade. Essa situação traduz-se também em oportunidade para a conquista de uma matriz energética renovável e, dentro dessa realidade o Brasil diferencia-se dos demais países do planeta, pelo seu potencial, cujas características lhe possibilitam um grande desenvolvimento, no sentido de tornar-se não somente um país capaz de dotar-se de uma matriz energética renovável, mas também que a desenvolva e a aperfeiçoe com práticas sustentáveis, a exemplo da geração distribuída e a melhoria de sua aplicação prática.

2 Nesse sentido a adoção da geração distribuída apresenta-se como uma decisão estratégica dentro do sistema energético brasileiro, que precisa ser aperfeiçoada, pois a filosofia do atual sistema elétrico de potência baseia-se e assim foi estruturada para a conexão de grandes gerações e o sistema de distribuição foi projetado para uma única fonte de geração: a subestação de energia da concessionária. Nesse novo contexto, as concessionárias distribuidoras devem mudar sua postura em relação à auto-geração, eliminando barreiras e restrições existentes, fruto de concepções ultrapassadas do planejamento do setor elétrico para promotoras da implementação de recursos e alternativas tecnológicas de geração distribuída. É com essa visão que a Copel, concessionária de distribuição, desenvolve o presente projeto piloto em parceria com um acessante, gerador independente de energia. A própria regulamentação da geração distribuída, já contou com a colaboração de importantes companhias de energia elétrica, entre as quais a Copel, em projetos anteriores, a exemplo do projeto piloto desenvolvido na Fazenda Columbari em São Miguel do Iguaçu em parceria entre a Itaipu Binacional, a Copel, a Sanepar, o Lactec e a Fundação PTI. Foi também com base em projetos pilotos como esse que, a ANEEL regulamentou a geração distribuída, orientada pelas Leis 10848/2004 e pelo Decreto Lei 5163/2004 com a edição da resolução 247/2006 sobre a contratação da geração distribuída no mercado livre. No projeto piloto de São Miguel do Iguaçu, o objetivo era a conversão de metano em energia elétrica dentro de um programa de eficiência energética da fonte geradora com a venda de excedente de energia à Copel. Além desse objetivo outras pretensões daquele projeto eram: viabilizar a micro-cogeração de energia e romper os limites da geração distribuída, a redução de nutrientes orgânicos, geradores do fenômeno da eutrofização do reservatório de Itaipu, a redução dos gases geradores de efeito estufa, a implantação do conceito de eficiência energética e ambiental nas cadeias produtivas do agronegócio, a recuperação de energia em usos marginais e consolidar critérios de pagamento por serviços ambientais. Os critérios gerais estabelecidos pelo Decreto 5.163, de 30 de julho de 2004, para a geração distribuída, são os seguintes: 1) O instrumento para a contratação é uma chamada pública promovida diretamente pelo agente de distribuição, desde que obedecidos determinados requisitos. 2) Os custos de aquisição de energia elétrica contratados pelo agente de distribuição, a título de geração distribuída, serão repassados aos seus consumidores finais até o limite do V Valor de eferência ($ 69,98/MWh. 3) Considera-se Geração Distribuída, a produção de energia elétrica proveniente de empreendimentos conectados diretamente no sistema elétrico de distribuição do comprador, exceto: hidrelétricas com capacidade instalada superior a 30 MW e termelétricas, inclusive de cogeração, com eficiência energética inferior a 75%. 4) Termelétricas que utilizem biomassa ou resíduos de processo como combustível não estão limitados ao percentual de eficiência energética. O presente trabalho apresenta a implementação de mais um projeto piloto, que deverá contribuir com o aperfeiçoamento da geração distribuída com novos estudos e avaliação de seu sistema de operação da rede de distribuição, quando o assunto é a configuração de conexão de tais fontes de geração distribuída à rede de distribuição, inclusive com um patamar de potência na faixa de unidades ou dezenas de MW. O projeto piloto apresentado consiste na conexão em derivação à rede de distribuição pré-existente, apenas e tão somente, com adequações nos sistemas de proteção, controle, automação e comunicação, sem a construção de novos ativos de conexão. Nesse estudo, retratamos as características da solução implementada, seu sistema de proteção, automação e comunicação utilizados, aspectos energéticos, fonte primária utilizada, as características físicas dos equipamentos utilizados e os cuidados necessários. A pequena central termoelétrica em questão constitui-se numa usina de cogeração de energia, cuja característica principal é oferecer maior rendimento energético por meio do aproveitamento compartilhado entre energia térmica e elétrica. Termoelétricas que operam de forma dedicada à geração de energia elétrica, tem rendimentos energéticos menores que plantas em cogeração. No caso da usina da localidade do projeto, verificava-se o excedente de biomassa, na forma de bagaço de cana, capaz de ser convertido em energia elétrica, que representaria uma geração adicional imediata e permanente

3 durante o período de safra da ordem de 2MW de energia elétrica firme. O potencial nominal de projeto é de 8,0 MW em etapas posteriores. OBJETIVOS: O propósito do presente trabalho é dar ciência do projeto piloto implementado pela Copel em parceria com a Usina Santa Terezinha de Terra ica, Paraná, no sentido do desenvolvimento de um aprendizado novo, qual seja, o da conexão de pequena central termoelétrica em derivação na rede de distribuição de 34,5kV, sem alteração das características da referida rede, apenas e tão somente com a adoção de uma nova sistemática para os sistemas de proteção, automação e comunicação entre peças da rede de distribuição e da fonte de geração distribuída em questão. O segundo, mas não menos importante objetivo, é possibilitar a avaliação desse arranjo tecnológico, de tal forma a propiciar a evolução do conhecimento setorial com novas e interessantes possibilidades de conexão. EVISÃO BIBLIOGÁFICA: Na rede de distribuição, a introdução da geração distribuída gerou estudos e análises, tais como a análise dos impactos da geração distribuída no perfil de tensão de regime permanente de redes de distribuição de energia elétrica [1]. Muitos outros estudos devem ser desenvolvidos e avaliados, a exemplo de análises envolvendo perdas, estabilidade de tensão, estabilidade transitória, níveis de curto-circuito, etc. Segundo o estudo citado, que como ressalta o autor é baseado em um sistema elétrico sustentado em dados reais, os resultados obtidos e apresentados permitem determinar as condições de operação do gerador distribuído para o sistema elétrico analisado. Considerando apenas o perfil de tensão do sistema, a melhor condição de operação se apresentou no estudo, quando o gerador opera controlando a tensão terminal em 1,0 p.u. e fornece potência ativa acima de 7,5 MW, de forma a garantir que o fator de potência se manterá dentro dos limites estabelecidos pela concessionária de energia elétrica. O estudo concluiu também que, quando o gerador distribuído opera controlando a tensão terminal, existe o risco dos limites do fator de potência serem violados, pois o gerador pode fornecer ou absorver potência reativa em excesso. Assim, segundo a referência citada por Vieira Junior [1], os geradores são usualmente operados para manter fator de potência unitário [2], porém, o estudo de Vieira Junior mostrou que é possível operar controlando a tensão terminal e contribuindo para a melhoria do perfil de tensão da rede, sem violar os limites de fator de potência. Com vistas à implantação do projeto piloto por parte da concessionária, foi elaborado um parecer técnico pelo setor de planejamento da distribuição de 34,5kV, ligado ao departamento de planejamento e proteção da engenharia da distribuição [3], que pode ser resumida nas seguintes considerações: Como considerações iniciais, apresentou-se um histórico no qual visualizava-se a conexão radial em 138kV, com a potência de geração informada de 20MW, mas considerava-se uma geração excedente máxima de 8,0 MW. Apresentou-se a configuração do sistema de distribuição existente e da filosofia do sistema de proteção concebido para um sistema radial, ou seja, com apenas uma fonte de contribuição de curto-circuito. Desenvolveu-se uma análise de possibilidades, contendo estudos de aspectos dos níveis de tensão e carregamento das redes, análise da proteção para os aspectos de segurança e continuidade de serviço, realizando análise de perdas, custo das obras e custo total para diversas considerações de configurações para conexão em diferentes arranjos, quais sejam: Paranavaí (alternativa 1), Terra ica (Alternativa 2), derivação da linha Guairaçá-Terra ica com a construção de uma linha expressa de 6,5km (alternativa 3) e, derivação com a configuração pré-existente (alternativa 4). Entre os riscos da concessionária apontados pelo parecer técnico acerca da configuração adotada seria a possibilidade da ocorrência de descoordenações entre os elos fusíveis dos ramais e dos disjuntores de consumidores industriais com os religadores das saídas de subestações, pois o estudo de coordenação dos ajustes dos equipamentos na maioria das vezes não atende as duas condições, com e sem usinas ligadas no alimentador. A concessionária não tem como controlar as operações de entrada e saída do sistema de geração dos acessantes. Isto gera aumento do DEC (duração equivalente dos faltas aos consumidores) e FEC (frequência equivalente das faltas) do alimentador e do conjunto de consumidores com possível incidência de multa pela ANEEL. Todas as configurações foram estudadas apenas na condição de regime permanente e apresentam diferentes naturezas de restrições, tais como violação dos patamares admissíveis para os níveis de tensão, falta de um controle eficiente de tensão de geração, riscos de perdas, entre outros. O parecer final sob o aspecto de tensão e carregamento do parecer técnico foi a de que a alternativa 1 é a mais segura sob vários aspectos. A alternativa 3 é a de menor custo global e, apontava a necessidade de se realizar estudos mais detalhados com relação a transitórios e estabilidade de operação de bancos de reguladores de

4 tensão. Por parte do acessante deverá estar ciente do baixo desempenho do sistema de 34,5 kv, principalmente para as alternativas 2, 3 e 4, e que este desempenho poderá refletir em funcionamento problemático para a operação de sua planta e redução de vida útil do sistema de geração de energia. O estudo não considerou aspectos de automação, o que significaria reflexos em custos adicionais. Como um parecer final, o estudo indicava a alternativa 1, mas admitia a possibilidade de outra alternativa, especialmente em caráter provisório, desde que acrescida a um sistema de controle de entradas e saídas de geradores do alimentador e indicava que não poderia-se aceitar a ausência de um sistema de proteção por transfer trip e que na ausência de sinal de comunicação, o sistema gerador seja desconectado automaticamente. MATEIAL E MÉTODOS: O dimensionamento e definição acerca do incremento na geração distribuída, que gerou um contrato de médio prazo entre a usina e o poder concedente para a faixa de 2MW, baseia-se em dados de rendimentos de biomassa pela área cultivada, que pode ser estimada a partir da média histórica da produtividade e demais características produtivas. O presente projeto foi integralmente implementado com materiais, equipamentos e instalações fornecidos ou executados pela usina proprietária da pequena central termoelétrica tanto em suas próprias instalações quanto nas subestações da concessionária. Todas as alterações ou adequações no sistema de proteção, controle, automação e comunicação foram realizadas para atender o interesse da usina e, portanto, por ela custeadas. Assim, para a execução dessas atividades, a usina contratou empreiteiras habilitadas, responsáveis pela execução das instalações de acordo com um cronograma de obra definido conjuntamente entre concessionária e usina. À concessionária cabe a operação e manutenção das instalações realizadas, conforme estabelecem as regulamentações pertinentes. As equipes de técnicos e engenheiros da concessionária das áreas de operação e manutenção da rede de distribuição são também responsáveis pela realização da recepção e comissionamentos das instalações e equipamentos, bem como pelo acompanhamento da execução das adequações necessárias nos sistemas de proteção e automação à nova filosofia com a geração distribuída. A Figura 1 mostra a malha da rede de distribuição da Copel da região noroeste do estado. As linhas e subestações em vermelho são de 13,8kV e as azuis são instalações em 34,5kV. FFi iigg uur raa 11: :: eeddee ddee ddi iis st ttr ri iibbuu iiççããoo i ddaa reeggi r iiããoo nnoor rooees st ttee ddoo ees st ttaaddoo ddoo PPaar raannáá FFi iigg uur ree 11: :: NNeet ttww oor rkk ddi iis st ttr ri iibbuu tti tiioonn oof f tthhee t nnoor rt tthhwwees st tteer rnn reeggi r iioonn oof f ttee t PPaar raannáá sts ttaat ttee

5 As Figuras 2 e 3 mostram o segmento dessa rede, a qual encontra-se conectada em derivação a usina em questão entre subestações da localidade de Guairaçá e Terra ica na região centro-norte do estado. USINA STA TEEZINHA SE/TEA ICA SE/GUAIAÇÁ FFi iigg uur raas s 22 ee 33: :: ccoonneexxããoo ddaa uus si iinnaa eemm ddeer ri iivvaaççããoo nnaa reeddee r ddee ddi iis st ttr ri iibbuu iiççããoo i FFi iigg uur rees s 22 aanndd 33: :: ccoonnnneecct tti iioonn oof f tthhee t uus si iinn iinn i ttaapp t ddee rir iivvaat tti iioonn iinn i tthhee t ddi iis st ttr ri iibbuu tti tiioonn nneet ttww oor rkk A Figura 4 apresenta esquematicamente, a configuração inicial, em que a subestação Paranavaí, representa a fonte em 138kV (em vermelho) e as subestações Guairaçá e Terra ica, cargas em 34,5kV (em azul). Mostra também a carga representada pela Usina conectada em derivação na linha de distribuição. Verifica-se o sentido unidirecional do fluxo de carga proveniente da fonte para as subestações de carga. A Figura 5 apresenta a mesma configuração com a usina operando como geração distribuída. Verifica-se que foram inseridos nesse diagrama dois religadores, um na derivação do trecho entre Guairaçá e Terra ica e outro na fonte de geração distribuída. O sentido do fluxo de carga já não é mais unilateral da subestação Paranavaí para as subestações de carga. USINA STA TEEZINHA SE/TEA ICA USINA STA TEEZINHA 2 MW SE/TEA ICA SE/GUAIAÇÁ SE/GUAIAÇÁ SE/PAANAVAÍ SE/PAANAVAÍ FFi iigg uur raa 44: :: FFl lluuxxoo ddee ccaar rggaa uunni iiddi iir reecci iioonnaal ll FFi iigg uur ree 44: :: uunni iiddi iir reecct tti iioonnaal ll llooaadd l flf llooww FFi iigg uur raa 55: :: FFl lluuxxoo ddee ccaar rggaa bbi iiddi iir reecci iioonnaal ll FF iigg i uur ree 55: :: bbi iiddi iir reecct tti iioonnaal ll llooaadd l flf lloo ww Com relação à condição inicial da usina, constituída por numa pequena central termoelétrica, que já reunia todas as características para entrar em operação como um gerador distribuído com capacidade para exportar 2,0 MW para comercialização, conforme as normativas do sistema, a mesma operava como carga do ponto de vista do sistema de distribuição. Os religadores utilizados são da marca Cooper modelo tradicional utilizado nos circuitos alimentadores das subestações de distribuição. Na usina foi retirado de operação um quadro de proteção e instalado um novo sistema, que consiste das seguintes proteções:

6 Função de Proteção 78: elé de perda de sincronismo (out-of-step-tripping). Evita a operação do gerador distribuído de forma ilhada (perda de sincronismo com a rede de distribuição). Função de Proteção 27: elé de subtensão. Verifica a falta de tensão. Função de Proteção 59: elé de sobretensão. Previnir contra sobretensão, evitando danos aos equipamentos dos consumidores. Função de Proteção 81: elé de freqüência. Verifica a manutenção da frequência de operação de 60 Hz dentro de uma faixa de variação admissível. Função de Proteção 46: elé de seqüência negativa. Verifica o equilíbrio de fases. Função de Proteção 32: elé diferencial de potência. Verifica a perda de potência. Função de Proteção 50/51: elés de sobrecorrente instantâneo e temporizado. A principal preocupação do projeto é eliminar a possibilidade da operação ilhada do gerador distribuído alimentando cargas sem sincronismo com o sistema interligado. Porisso, qualquer que seja a atuação de proteção em qualquer ponto da rede de distribuição desde a fonte em 138kV (SE/Paranavaí) até a SE/Terra ica, sempre deverá haver a abertura da usina com a retirada em operação por meio de um sistema de comunicação adequada. Para essa finalidade foram instalados conjuntos de TPs (transformadores de potencial) nos seguintes segmentos da rede de distribuição: 1) Saída do alimentador Terra ica na subestação Guairaçá; 2) Saída do alimentador Guairaçá na subestação de Paranavaí; 3) Derivação do trecho entre Guairaçá e Terra ica, local em que encontra-se conectada a usina. 4) Barra de 34,5kV da subestação Guairaçá; Assim, com a monitoração de tensão em quatro pontos da rede de distribuição, qualquer que seja a subtensão observada por algum TP, ocorre o comando de desligamento, chamado transferência de trip para a usina. Outra função de proteção é o envio de um sinal de trip no sentido inverso, ou seja, na eventual falta no gerador distribuído, situação em que deverá ocorrer a abertura do religador na derivação do trecho Guairaçá-Terra ica, deverá ser enviado um sinal por um canal de comunicação no sentido usina-derivação de trecho. Qualquer que seja a situação deve ser monitorada pela operação da concessionária por meio de um sistema de automação e comunicação. As adequações nos sistemas de proteção nas subestações de Paranavaí e Guairaçá incluem os seguintes componentes: Um CLP (controlador lógico programável) para a verificação das condições de estado necessárias para a transferência de trip para usina (presença de tensão de barra 34,5kV e nas saídas dos alimentadores nas subestações, normalidade das condições operativas dos transformadores, entre outras). São utilizados alguns relés de proteção e relés auxiliares e, um sistema de modens para comunicação subestação-usina e usinasubestação. O sistema de comunicação utilizado para a transferência de trip para a usina também diferencia-se dos sistemas de comunicação tradicional por meio da utilização de um canal de comunicação da companhia telefônica (Brasil Telecom). Normalmente o sistema de comunicação utiliza canais dedicados por fibra ótica. Na ocorrência de falta de tensão na saída do alimentador Guairaçá na subestação Paranavaí, haverá o envio de um sinal de trip para a usina. Da mesma maneira, se for observada a falta de tensão na saída do alimentador Terra ica na subestação Guairaçá ou ainda no barramento dessa subestação. Os ajustes desse sistema de proteção foram definidos e executados pela concessionária, dentro de padrões tradicionais, considerando os parâmetros da rede de distribuição. Pelo sistema de automação da concessionária será possível monitorar algumas grandezas do sistema de proteção da usina, tais como as funções de proteção 78, 27, 50, 51, 59, 81 e possível transferência de trip proveniente da PCT. Entre os testes realizados pelas equipes da Copel, constam:

7 A verificação da transferência de trip para a usina nas subestações e na derivação por atuação de todas as condições de proteção em que se verifiquem anormalidades, entre os quais, destacamos: 1) Atuação de proteção dos transformadores na SE/Paranavaí; 2) Subtensão na barra de 34,5kV nas SEs/Paranavaí e Guairaçá; 3) Testes de proteção direcional nas SEs/Paranavaí e Guairaçá; 4) Falta de tensão na linha Guairaçá-Terra ica; 5) Falta de tensão nas saídas dos alimentadores Guairaçá na SE/Paranavaí e Terra ica na SE;Guairaçá. Foi também instalado um sistema de medição de fronteira na usina, conforme padrões adotados e monitorados pelas duas empresas (concessionária e usina), entre as quais foi estabelecido um contrato na forma de Carta- Acordo, que prevê os aspectos operativos e de manutenção. ESULTADOS: O projeto piloto encontra-se em fase de implantação com entrada em operação em paralelo com o sistema da rede de distribuição previsto para o início do mês de agorto de Embora antes da entrada efetiva em operação, seja prematuro listar resultados trazidos pelo projeto, pode-se afirmar que o mesmo poderá contribuir grandemente na análise de grandezas elétricas do sistema da rede de distribuição, tais como a análise nas diversas condições de carga (leve, média e máxima) acerca da estabilidade operativa, impactos na tensão das subestações envolvidas, limites do fator de potência, definição de parâmetros de interesse de política pública para configuração de conexões de geradores distribuídos, etc. CONCLUSÕES: a) O projeto piloto apresentado e implementado é importante para a avaliação operacional e definição de parâmetros diversos acerca da configuração de conexão do gerador distribuído à rede de distribuição. b) A configuração de conexão em derivação na rede de distribuição apresentado pelo projeto piloto apresenta vantagens em relação a configuração tradicional radial, pela simplicidade e economia na execução do projeto. c) O modelo de configuração apresentado, pode também representar em medidas de mitigação de impactos ambientais, pela desnecessidade de construção de redes de distribuição ou de transmissão adicionais, limitando-se a utilizar a própria rede de distribuição pré-existente, sem a construção de novos ativos de conexão. d) Com base nos indicativos e estudos preliminares utilizados para a implementação do projeto piloto, o mesmo mostra-se viável em diversos aspectos e com boas possibilidades de utilização. EFEÊNCIAS BIBLIOGÁFICAS: [1] José Carlos de Melo Vieira Junior, Sex, 17 de Outubro de 2008, Impacto da Geração Distribuída no Perfil de Tensão de egime Permanente de edes de Distribuição de Energia Elétrica. [2] N. Jenkins,. Allan, P. Crossley, D. Kirschen, e G. Strbac. Embedded Generation. The Institute of Electrical Engineers (IEE), [3] Parecer Técnico Conexão da Usina de Açúcar e Álcool Sta Terezinha Terra ica no Sistema de Subtransmissão em 34,5kV; Copel SED-Superintendência da Engenharia da Distribuição/DPP Departamento de Planejamento e Proteção/SPLA34 Setor de Planejamento da Distribuição 34,5kV,