Estudo da Viabilidade Econômica da Instalação do Banco de Capacitores Controlado a Tiristor em Redes de Distribuição de Energia Elétrica

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1 Estudo da Viabilidade Econômica da Instalação do Banco de Capacitores Controlado a Tiristor em Redes de Distribuição de Energia Elétrica 1 Dionízio Paschoareli Júnior Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Estadual Júlio de Mesquita Filho - UNESP Ilha Solteira, Brasil dionízio@dee.feis.unesp.br Leandro Arthur Pinto Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Estadual Júlio de Mesquita Filho - UNESP Ilha Solteira, Brasil leandro.pinto19@etec.sp.gov.br Resumo - As distribuidoras de energia elétrica necessitam cada vez mais de ferramentas para otimizar seus sistemas de distribuição, visando garantir uma maior confiabilidade e qualidade na tensão disponibilizada. Neste contexto, a compensação série apresenta-se como uma ferramenta de flexibilização. O objetivo deste artigo é apresentar a utilização do TCSC em redes de distribuição, bem como sua viabilidade econômica quando comparada com uma opção de robustez que acarretaria maior dispêndio de capital por conta da concessionária, bem como um maior esforço em termos de execução operacional da alternativa de porte elevado. Os resultados da pesquisa indicam que a utilização do banco de capacitores controlados a tiristor, além de proporcionar um adiamento de investimentos de grande porte, impacta de forma positiva no formato de execução operacional e disponbilidade de potência, quando se considera intervenções no sistema de distribuição. Palavras-chaves Compensação série, viabilidade econômica, D- TCSC. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, a busca por flexibilidade nos sistema elétricos tem sem tornado objeto de constantes estudos das concessionárias de distribuição de energia elétrica. Alternativamente, observa-se também a necessidade de aumento da robustez dos sistemas, de modo a atender a demandas futuras e o crescimento de cargas. Neste cenário, a instalação do banco de capacitores controlados a tiristor apresenta-se como uma alternativa tecnicamente viável, devido à sua atuação dinâmica e adaptação a novas condições de carregamento e alimentação. Assim, é necessária uma investigação de alternativas de menores investimentos iniciais que culminem em menores custos de operação sem comprometer a confiabilidade do sistema elétrico. Este artigo tem por finalidade identificar e analisar a viabilidade econômica e financeira da instalação do capacitor série controlado a tiristor em redes de distribuição (D-TCSC), na tensão de 13,8 kv, comparando com a alternativa de repotencialização (de maior robustez). A abordagem remete ao estudo de alternativas para utilização do equipamento, comparando-o com métodos convencionais de compensação série atualmente empregados. REDES DE DISTRIBUIÇÃO ADAPTAÇÃO A NOVAS DEMANDAS A busca contínua por adaptações nas redes de distribuição as quais visam atendimento ao consumidor considerando preceitos de agilidade e eficiência faz com que exista uma crescente expectativa na busca por implantação de políticas de melhores práticas. Somado a este fator, a inovação tecnológica é um fator preponderante na adaptação às novas demandas. O planejamento de inserção dos recursos técnicos e os desembolsos financeiros devem acompanhar as necessidades e crescimento de demanda. A utilização de recursos financeiros podem seguir uma estratégia de planejamento e resposta às anomalias detectadas. Os recursos são aplicados de acordo com instrumentos de avaliação para investigação de necessidades [1]. Os equipamentos que utilizam a eletrônica de potência, são mais dinâmicos, pois se adaptam às mudanças das redes de distribuição de energia elétrica. Dentre os benefícios obtidos pelo uso destes equipamentos, destaca-se: Minimização das variações de tensão; Intervenção e controle da impedância, corrente, valores de tensão e ângulo de transmissão; Redução das limitação apresentadas aos fluxos de corrente;

2 2 COMPENSAÇÃO SÉRIE Nas redes de distribuição, a compensação série tem sido utilizada para regulação de tensão, através da uma inserção de reatância capacitiva. Esta forma de compensação é mais adequada quando há variações de corrente, uma vez que a compensação acompanha, no que se refere ao fornecimento de potência reativa, tais movimentações. De modo a tornar a dinâmica de fornecimento de reativos apropriada à variação da demanda da carga, ou mesmo para modificar, dinamicamente, a disponibilidade de reativos, é possível associar ao banco de capacitores fixos um reator cuja corrente é controlado por tiristores. Neste caso, o compensador série controlado à tiristores se assemelha, em termos construtivos, ao TCSC utilizado nas redes de transmissão. Entretanto, em termos das variáveis controladas, o D-TCSC proposto para a rede de distribuição é absolutamente diferente, uma vez que o as mesmas são tipicamente radiais e suas linhas têm parcela resistiva não desprezível. Em termos construtivos, então, o D-TCSC, assim como o TCSC, é formado por um conjunto de capacitores fixos em paralelo com um reator cujo fluxo de corrente é controlado por tiristores, também conhecido como RTC (reator controlado a tiristores), conforme demonstrado na figura 1 [2]. Fig. 2. (Aspecto Construtivo do D-TCSC ) ANÁLISE DO INVESTIMENTO E RETORNO ECONÔMICO DO D-TCSC Fig. 1. (Arranjo do RTC) CARACTERÍSTICAS DA PROTEÇÃO DO BANCO DE CAPACITORES SÉRIE O banco de capacitores é provido de componentes de proteção, que tem por finalidade proteger o banco contra sobretensões oriundas de correntes de curto-circuto na linha. Em caso de materialização de tensões acima do nível estabelecido, o centelhador permite a condução de corrente, realizando o baypass para protegê-lo. O equipamento é retirado de operação quando o nível de sobretensão ultrapassar índices acima de 10% [3]. A figura 2 apresenta um diagrama de um D-TCSC considerando inclusive, os componentes de proteção. O parâmetro de análise para verificação da viabilidade econômica do equipamento, é verificada sobre a perspectiva de planejamento estratégico da concessionárias de distribuição de energia elétrica em especial com alimentadores de tensão 13,8kv e 34,5kV. Os critérios de análise e observação prática tem referência no modo como as referidas empresas aplicam seus recursos financeiros (pertinentes a instalação de equipamentos que visem aumento da transferência de potência do sistema) bem como a utilização adequada destes recursos, que em boa parte das ocasiões são oriundos de financiamentos. O D-TCSC apresenta-se como uma alternativa às compensações convencionais implementadas em redes de distribuição de energia elétrica. A discussão se dá em torno do que é tecnicamente viável e economicamente aplicável nos cenários estudados [4]. Neste estudo, também são discutidas vantagens econômicas de substituição de métodos de compensação e aumento da capacidade de transferência de potência tradicionais, e uma possível migração para o dispositivo abordado neste artigo. PERSPECTIVAS PARA INSTALAÇÃO DO D-TCSC Em um primeiro momento, dada a discussão técnica para viabilidade de implantação do equipamento de compensação em redes elétricas de distribuição de energia elétrica, faz-se necessário um estudo preliminar para avaliar sua viabilidade

3 3 econômica. Partindo deste pressuposto, foi levado em consideração duas simulações considerando a robustez caracterizada por repotencialização de subestações e alimentadores, e a implantação do D-TCSC como ferramenta para distanciamento e postergação do investimento por parte da concessionária distribuição de energia elétrica. Para uma melhor compreensão da proposta, foi realizado um estudo de caso em uma concessionária de distribuição de energia elétrica, ficando estabelecido alguns parâmetros para justificativa do aumento de robustez. O estudo compreendeu uma análise sobre um alimentador com tensão de 13,8kv, e atendimento a clientes com grande demanda contratada, sendo os mesmos localizados em área rural. As características do alimentador são: 22,65 km de extensão; Cabo 336,4MCM e 2/0 MCM 1.170kW de carga instalada pelo principal cliente; 01 Banco de Capacitores Shunt 600kVAR 01 Banco de Reguladores de Tensão Shunt 2X100A As considerações aqui contidas partiram do pressuposto da viabilidade técnica do equipamento mediante simulações executadas em laboratório através do software ATP Draw (AlternativeTransients Program) versão 5.6p6 o qual é uma versão gráfica do ATP e no software MatLab elétrico de distribuição. Tais níveis tomam como base um estudo realizado da barra da subestação rebaixadora até o ponto de entrega, compreendendo todo o trecho de média tensão. Além de proporcionar uma melhoria na qualidade de energia do referido alimentador, o mesmo tem por objetivo a atenuação da queda de tensão quando da transferência de cargas entre dois alimentadores. Tal fator de queda também é diagnosticado através dos índices de reclamações dos clientes conectados ao mesmo. Para tal realização, considera-se um horizonte de planejamento de cinco anos, tomando por base, o crescimento de cargas de acordo com o estudo de mercado. Fig. 4. (Análise de níveis de tensão dos alimentadores) Figura 3:Curva P.V Fonte: Almeida (2014) A análise financeira partiu de uma simulação que comprovou a viabilidade técnica do compensador para instalação em redes de distribuição de energia elétrica, onde a instalação do equipamento provocou um aumento de 36% na disponibilidade de demanda do alimentador. REPOTENCIALIZAÇÃO DE ALIMENTADORES Os níveis de tensão são considerados como fatores primordiais para a análise do preceito de robustez do sistema Para uma análise sobre a necessidade de repotencializar tal alimentador, ou mesmo construção de nova fonte para divisão de cargas, toma-se por base alguns critérios de planejamento técnico, compostos por: Sinalização 65% do limite térmico do cabo; Previsão para regularização 85% do limite térmico do cabo, Levando em consideração um crescimento vegetativo de 5% ao ano, para clientes de baixa e média tensão, as concessionárias dispõe de pouco tempo entre o período de sinalização até a apresentação da necessidade de regularização[5]. Para a execução de recondutoramentos há necessidade de determinadas intervenções no sistema, uma vez que exige a metodologia de execução através de desligamentos e interrupção momentânea no sistema de distribuição de energia elétrica. Tal premissa pode ser entendida pelo planejamento de sua correção, que compreende a aquisição ou destinação de recursos (nesta situação a médio prazo), bem como seu planejamento de execução.

4 4 Com a proposta de instalação do compensador série controlado a tiristores (D-TCSC) no alimentador objeto de estudo, pode-se considerar um adiamento nos investimentos de ordem de aproximadamente 47% dos custos de substituição dos condutores do alimentador conforme segue: Custos de implantação do compensador série controlado a tiristor (D-TCSC): R$ ,00; Custos de recondutoramento do alimentador: R$ ,00. TRANSFERÊNCIA DE CARGAS E ELIMINAÇÃO DE RESTRIÇÕES A necessidade de manutenção de indicadores de interrupção nos formatos de tempo e duração, tem balizado o planejamento das empresas quanto ao gerenciamento de redes de distribuição de energia elétrica. Em determinadas situações, as interligações projetadas em redes de distribuição remetem para restrições de carga quando o remanejamento se faz necessário. Devido a uma constante necessidade ao atendimento ágil em caso de faltas temporárias, as contingências são pontos de transferência de carga (alternativa) para que o remanejamento e restabelecimento de clientes possa ser realizado de maneira mais rápida, não infringindo indicadores de continuidade dos serviços de distribuição. Neste contexto, pode-se constatar também que o D-TCSC aplicado em redes de distribuição de 13,8kV, pode ser utilizado para eliminação de restrições impostas na transferência de cargas. Tal restrição apresenta-se como uma impossibilidade de transferência ou repartição de bloco de cargas entre alimentadores de fontes iguais ou diferentes. Em algumas situações, e visando atender um maior número de clientes, utiliza-se o critério de supressão de cargas consideradas altas para atendimento a um maior número de consumidores conectados no circuito a ser transferido. Tal ação visa melhorar índices de qualidade e continuidade, como DEC e FEC da concessionária O alimentador objeto de estudo possui uma limitação quanto a sua opção de manobra existente. A opção de interligação não oferece condições de remanejamento integral de cargas para outro alimentador, necessitando que o principal cliente ( com carga de 1,17mW) seja desconectado. Com a implantação do compensador série controlado a tiristor, o aumento da capacidade de transferência de potência do alimentador é acrescida em 419kW, o que poderá diminuir a restrição existente, permanecendo apenas uma limitação parcial das cargas existentes pelo principal consumidor. IMOBILIZAÇÃO DE OBRAS NO ATIVO DA CONCESSIONÁRIA As concessionárias de distribuição, possuem em uma política de retorno do investimento embasada em normativas estabelecidas pela agência reguladora nacional ANEEL. Todo material ou homem-hora inserido na execução de empreendimentos em redes de distribuição são computados em seu ativo, sendo o calculo da tarifa influenciado por este crescimento contábil do seu ativo de distribuição. Devido a necessidade de imobilização das obras de instalação de equipamentos no ativo das concessionárias, a premissa por execução imediata e menor impacto na operação de redes de distribuição é cada vez mais adotada como estratégias por estas empresas. Tal ação se deve ao cômputo tarifário dos materiais, equipamentos e horas-homem alocados na expansão e preservação do sistema elétrico[6]. A necessidade de rapidez na execução de tais obras para a entrada rápida em um ciclo tarifário, faz com que equipamentos de compensação dinâmico tornem-se uma alternativa viável, visto atenderem ao aumento e variação de demanda bem como procede uma rápida remuneração de retorno do capital investido pelas concessionárias. POSTERGAÇÃO DE INVESTIMENTOS EM ROBUSTEZ DO SISTEMA ELÉTRICO A necessidade constante de investimentos em aumento de capacidade de transferência de potência das redes de distribuição de energia elétrica, faz com que as distribuidoras de energia elétrica busquem recursos para atendimento ao aumento constante da demanda. O aumento de sua robustez aponta a necessidade de grandes investimentos o que pode tornar-se um fator de dificuldade para sua operacionalização. O capacitor série controlado a tiristor apresentado neste estudo apresenta-se como uma alternativa menos onerosa para o caixa da concessionária. A decisão por sua implantação (uma vez que apresenta custo de implantação e aquisição de equipamentos menores comparativamente com o aumento de robustez) pode resultar em um adiamento de investimentos de grande porte, bem como redirecionamento ou readequação de recursos para obras que apresentem grau de prioridade mais elevado. A utilização do equipamento (D-TCSC) em redes de distribuição existentes que já dispõe de equipamentos de compensação fixo, pode resultar em materiais salvos, ou seja, podendo dispor de utilização em outros pontos ou mesmo redes que necessitem de tal equipamento. Sua reutilização pode resultar em reaproveitamento de ativos em condições de uso, bem como a postergação de processo de compra de novo equipamento. A viabilidade de implantação do compensador série no alimentador estudado seu deu a partir da eliminação dos compensadores shunt existentes, onde os custos de aquisição de novos equipamentos podem ser postergados uma vez que os mesmos podem ser reaproveitador em setores diversos do sistema elétrico conforme acréscimos futuros de demanda. Para o caso em estudo, os valores economizados com a implantação do compensador e retirada dos equipamentos existentes é de: R$ ,00 Banco de Capacitores fixo shunt 600kVA;

5 5 R$ ,00 Banco de Reguladores de Tensão Shunt 2 unidades de 100 A; Portanto a aplicação do equipamento de compensação dinâmica na rede de distribuição em estudo, poderá demonstrar uma postergação de investimento de equipamento de compensação shunt na ordem de R$ ,00. RETORNO DO INVESTIMENTO PARA APLICAÇÃO DO COMPENSADOR. Conforme demonstrado no estudo, a implantação do compensador dinâmico proporciona uma aumento de capacidade de capacidade de transferência de potência na ordem de 419kW. O referido acréscimo de disponibilidade de potência poderá resultar em entradas de caixa futuras, a fim de se diagnosticar o tempo de retorno do investimento considerando os custos de implantação do equipamento de compensação série (R$ ,00). Foram analisados 04 cenários distintos, uma vez que existem diferentes modalidades tarifárias para cômputo de receitas operacionais. Foi diagnosticado um cenário em cada uma das modalidades considerando um consumo de 22 dias mensais e oito horas diária, com aplicação da respectiva tarifa vigente. Para entradas de caixa com o grupo tarifário modalidade convencional observou-se um tempo de retorno do investimento de dois anos o grupo tarifário modalidade verde apresentou o retorno em prazo inferior a 4 anos a modalidade azul demonstrou um retorno do investimento com prazo inferior a 4 anos. Foi contemplada também um retorno considerando conexões de clientes no grupo tarifário B, onde o retorno do investimento apresentado é inferior a 4 anos. CONSIDERAÇÕES FINAIS A análise econômica para aplicação de dispositivos de compensação série com um retoque de redes elétricas inteligentes passa por determinados segmentos em um análise financeira abrangente. A perspectiva de compensação de retorno de investimento pode contemplar também ganhos operacionais que podem resultar em uma postergação de investimento, bem como retorno mais rápido do capital investido na inserção de equipamentos no ativo da concessionária [7]. O sistema de distribuição de modo geral, assume uma característica mais resistiva. Para tal, o grau de compensação tende a ser maior do que o aplicado em redes de transmissão. Neste contexto, pode-se concluir que os investimentos em robustez, podem ser caracterizados como altos, e levam determinado tempo para serem operacionalizados. Foi observado que tanto em redes de distribuição quanto em subestações de tensão 13,8kV ou 34,5kV, é necessário muito tempo e recursos operacionais para a execução de um determinado aumento de capacidade. Neste contexto, o D- TCSC, por apresentar custos na de montagem e operação na ordem de 47% dos custos de repotencialização, apresenta-se como uma alternativa viável ao atendimento a uma necessidade momentânea de eliminação de gargalos operacionais. Dentre os fatores de destaque abordados na pesquisa, pode-se analisar que o tempo de retorno do investimento no equipamento é tipicamente baixo, uma vez que as entradas de caixa provocadas pelo aumento da disponibilidade de transferência de potência (conforme análise nos diferentes setores tarifários) do alimentador podem propiciar o retorno em prazo adequado do investimento aplicado pela concessionária no momento inicial. Vale lembrar, que a o equipamento de compensação série estudado neste artigo, assume um caráter provisório de operação, não podendo ser caracterizado como medida definitiva de supressão de restrições. Em outro ponto de análise, o equipamento de compensação série pode resultar em uma menor taxa de reclamações por índices de grandezas elétricas insatisfatórios, fator este que pode promover para a empresa de distribuição um valor de mercado e remuneração de capital maiores. REFERÊNCIAS [1] WATANABE, E.H, BARBOSA, P. G., ALMEIDA, K. C., TARANTO, G. N., Tecnologia FACTS Tutorial, SBA Controle & Automação, Vol. 9, No 1, p , 1998; [2] MEIKANDASIVAM S.; NEMA R. K.; JAIN S. K.; Behavioral Study of TCSC Device A MATLAB/Simulink Implementation. International Journal of Electrical Power and Energy Systems Engineering 1;2 Spring [3] FELTRIN, A. P.; MANTOVANI, J. R. S.; Apostila de sistemas de distribuição de energia elétrica. Ilha Solteira. Universidade Estadual Paulista / Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, [4] PASERBA, J.J. How Facts controllers benefit AC transmission system - phases of power system studies. Power system Conference and Exposition, PES 09 IEEE, March 2009 Page(s): 1-4 [5] HINGORANI, N.G. FACTS Flexible AC Transmission System IEEE, Conf. Publication No. 345, AC and DC Powe Transmission, [6] NOROOZIAN M.; ANDERSSON G.; Damping of inter-area and local modes by use of controllable components, IEEE Transactions on Power Delivery, New York, v. 10, n. 4, p , [7] ALMEIDA, P.R. Compensador Série Controlado a Tiristores na Distribuição Compensação Dinâmica. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Universidade Estadual Júlio de Mesquita Filho. Ilha Solteira, 2014.