Impacto da Produção Distribuída nas Redes de Distribuição

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1 Impacto da Produção Distribuída nas Redes de Distribuição Trabalho PDME 2010/2011 Elves Silva (1) (1) Instituto Superior da engenharia do porto (ISEP) Resumo O presente trabalho criado no âmbito da disciplina de Produção Distribuída e Mercados de Energia apresenta o impacto da integração da produção distribuída de energia eléctrica nas redes de distribuição radiais. Os impactos analisados neste artigo são a nível da queda de tensão nos barramentos e da perda de potência na rede. A ferramenta computacional foi desenvolvida em Matlab/Simulink e as simulações foram feitas considerando uma rede de distribuição em média tensão de 32 barramentos com regime de exploração radial. Os resultados mostram que a presença da produção distribuída nas redes de distribuição reduz as perdas e as quedas de tensão nos barramentos da rede. Palavras chave: Produção distribuída - Redes de distribuição radiais - Quedas de tensão Perdas de potência. 1 Introdução Há algumas décadas, a ideia de se utilizar algum tipo de produção distribuída (PD) para alimentação de cargas distantes dos pontos geradores era desestimulada, porque a produção centralizada era vista como a melhor escolha devido principalmente à produção de energia em larga escala ser considerada mais eficiente e barata. Com as mudanças nos mercados de energia mundial, novas tecnologias de produção começam a ser incentivadas. O uso de PD vem contribuir como uma nova alternativa para produção de energia elétrica, uma vez que pode proporcionar uma série de benefícios, como: retardar o investimento em ampliações da geração centralizada existente e na construção de novas unidades e adiar a necessidade de redimensionamento das linhas de transporte, além de criar oportunidades para novos agentes produtores de energia. Adicionalmente, o uso de produção distribuída, em complemento à produção centralizada, reduz as perdas do sistema, melhora os níveis de tensão, aumenta a capacidade de transmissão, possui um tempo de implantação reduzido, dentre outras características. Por outro lado, a inserção de PD pode ocasionar fluxo bidirecional nas linhas de distribuição e problemas de accionamento da proteção em casos de curto-circuito no sistema. A ligação de PD nas redes de distribuição levou ao abandono da exclusividade da produção da energia nas grandes centrais, passando assim a ser produzida junto ao ponto de consumo. Até hoje não há um consenso sobre a definição de Produção Distribuída. Alguns países usam a definição baseada no nível de tensão, enquanto outros consideram como produção distribuída à aquela que está ligada a circuitos a partir dos quais os consumidores podem ser diretamente alimentados. Há também definições baseadas no tipo de origem da energia, por exemplo, renovável ou cogeração, e outras que definem que a geração distribuída é aquela que não é despachada, sendo consumida no próprio local de geração [1]. Neste artigo definimos a produção distribuída como sendo a produção de energia eléctrica em pequena escala junto ou perto do local de consumo. Esta energia pode ser gerada nas nossas

2 casas, nos campos ou no local de trabalho a partir de fontes renováveis ou cogeração (biomassa, fuel cell) e ligadas á rede eléctrica de distribuição. Os projectos da produção distribuída são ligados á rede de distribuição local. Estas redes locais estão ligadas à rede nacional. Isso significa que quando não há produção suficiente de electricidade pelo projecto local, os usuários ainda podem obter energia eléctrica a partir da rede. Por outro lado, quando houver excesso de electricidade a ser produzida, o excesso pode ser injectada na rede local. 2. Produção Distribuída nas Redes de Distribuição O crescimento sustentado do consumo de electricidade (por vezes com taxas de crescimento significativas, como é o caso de Portugal), a preocupação pela segurança de abastecimento e pela qualidade do serviço, a necessidade da redução das emissões de CO 2 na produção de electricidade são os principais aspectos que caracterizam a actual situação do sector eléctrico nos países desenvolvidos. Dada a importância económica do sector da electricidade, o desenvolvimento deste está intimamente ligado à prossecução de políticas de desenvolvimento sustentado. Este cenário tem vindo a exigir ao sistema eléctrico de energia medidas técnicas e económicas com diverso objectivos: Aumentar a eficiência de exploração do sistema eléctrico; Aumentar a integração de fontes de energia renovável (caracterizadas por uma forte intermitência); Monitorizar previsionalmente e em tempo real as condições de operação do sistema. Tal tem conduzido ao desenvolvimento de novos paradigmas de operação, que actualmente começam a afirmar-se, e que envolvem o abandono da concepção da produção centralizada de electricidade seguida do transporte e distribuição até aos consumidores, para adoptar um modelo com uma grande produção distribuída, situada ao nível das redes de distribuição, que coexiste com grandes unidades de produção, formando um sistema activo e integrada em todos os níveis de exploração. A figura 1.1 descreve comparativamente as estruturas dos sistemas eléctricos do passado e do futuro. No novo paradigma, é necessário recorrer a armazenamento de energia (com diferentes escalas temporais de utilização) para compensar os desvios de produção que ocorrem devido às características de intermitência de algumas fontes de energia, como é o caso da energia eólica [2]. Figura Comparação entre estruturas do sistema eléctrico de energia No novo paradigma há uma forte componente de produção distribuída que permite aumentar a eficiência da cadeia energética, pelo facto de aproximar a produção dos consumidores,

3 diminuindo as perdas na rede eléctrica e reduzindo a necessidade de investimentos nas infraestruturas de rede. As soluções com viabilidade técnico-económica para a produção distribuída incluem: A energia solar fotovoltaica; A energia eólica; A cogeração (incluindo futuramente microturbinas e células de combustível); A mini-hídrica O crescente aumento da ligação de PD nas redes de distribuição conduz ao aparecimento de alguns problemas técnicos, uma vez que os sistemas eléctricos convencionais não previam a existência de redes de distribuição activas. Podem ser apontados como problemas os seguintes efeitos [3]: Influência no trânsito de potências nos ramos da rede quer em regime estacionário, quer em regime transitório; Influência na qualidade de serviços prestada aos clientes; Influência nos perfis de tensão; Influência na coordenação do sistema de protecções; Influência na segurança de equipamentos e pessoas; A impossibilidade de despachar a PD seja o local onde a potência é injectada, ou o valor dessa potência. Para além destes efeitos, qualquer situação de defeito obriga, actualmente, à saída de serviço das unidades de PD por actuação das protecções da sua interligação à rede, podendo conduzir à perda de quantidades de produção que terá que ser compensada pela produção convencional. Dependendo do nível de integração da PD nas redes, esta situação pode pôr em causa a estabilidade dos sistemas. Por outro lado a PD possui uma série de vantagens [4]: Atendimento mais rápido ao crescimento da potência por ter um tempo de implantação inferior ao de acréscimos à produção centralizada e reforços das respectivas redes de transporte e distribuição; Aumento da confiabilidade do suprimento aos consumidores próximos à produção local, por adicionar fonte não sujeita a falhas no transporte e distribuição; Redução das perdas no transporte e dos respectivos custos, e adiamento no investimento para reforçar o sistema de transporte; Aumento da eficiência energética, redução simultânea dos custos das energias elétrica e térmica, e colocação dos excedentes da primeira no mercado a preço competitivo; Redução de impactos ambientais da geração, pelo uso de combustíveis menos poluentes, pela melhor utilização dos combustíveis tradicionais e, em certos tipos de cogeração, com a eliminação de resíduos industriais poluidores. 3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 O modelo da rede. A rede simulada, é utilizada em inúmeros estudos e projectos internacionais [5]. Uma vez que a exploração da rede é feita de forma radial, as linhas a tracejado representam o ponto da rede onde ela é aberta. A figura 3.1 representa a rede utilizada na simulação.

4 Figura 3.1. Configuração da rede simulada Esta rede representa a antiga estrutura do sistema eléctrico, em que a energia eléctrica era produzida em grandes centrais, seguida de transporte e distribuição aos consumidores finais. O barramento 0 é o ponto onde esta rede (rede local) é ligada à rede de alta tensão (rede nacional). Os restantes barramentos são os pontos da rede onde pode ser ligada a PD. A figura 3.2 representa a mesma rede com a integração da PD. Figura 3.2. Rede de distribuição com integração da produção distribuída Esta rede representa a situação da rede actual, com forte integração da PD na rede junto aos barramentos do consumo, ou seja, junto ás cargas.

5 Para verificar o impacto que a PD teve na rede em nível da queda de tensão e em termos da perda de potência é feita duas simulações. Na primeira simulação a rede é simulada sem a integração da PD, representando o primeiro cenário e na segunda simulação a rede é simulada com a integração da PD, representando o segundo cenário. 3.2 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES Para a simulação das redes, foi estipulada a tensão no barramento 0 a 1,05 p.u. na base de 15 KV. Este barramento corresponde ao primeiro barramento da rede. As tensões ao longo dos barramentos da rede, para as duas simulações ilustra-se na figura 3.1. Figura Queda de tensão nos barramentos da rede Pela análise do gráfico podemos constatar que na simulação da rede sem a PD houve quedas de tensão muito acentuadas nos barramentos mais a jusante da rede, como o caso do barramento 17 e 32. Para evitar que nestes barramentos a tensão atinja valores a baixo do nível permitido é feita a regulação da tensão na máquina primária. Neste caso é feita a regulação no barramento 0. O nível de tensão mínimo permitido num barramento é 0.95 p.u.. Com a introdução da PD houve menos quedas de tensão nos barramentos mais a jusante da rede. As perdas de potência na rede foram mais acentuadas para a simulação sem a PD. Estes valores podem ser visualizadas na figura 3.2. Figura 3.2 Perdas de potência na rede

6 4 CONCLUSÔES Este artigo apresentou o impacto da produção distribuída na rede de distribuição radial considerando uma rede de 32 barramentos. Foi feita a modelização e simulação da rede no Matlab/Simulink e foi analisada os valores das tensões nos barramentos e a perda de potência na rede. Os resultados obtidos permitiram tirar as seguintes conclusões: A integração da PD nas redes de distribuição faz diminuir as quedas de tensão nos barramentos da rede. Esta queda de tensão é menor no barramento onde é inserida a produção distribuída. Com a integração da PD as perdas de potência diminuem na rede. A redução das perdas é mais acentuada quando houver menos trânsitos de potência na rede. As redes de distribuição existentes não foram projectadas para que no futuro sejam integrado PD, sendo assim uma rede com largas penetrações da PD terá problemas principalmente a nível da selectividade dos dispositivos de protecção. Sendo assim, a expansão de PD não deve basear-se somente na busca de melhores custos de produção ou por uma diminuição dos impactos ambientais através da utilização de fontes renováveis, mas também a partir de estudos que venham a garantir a confiabilidade, qualidade e estabilidade da operação do sistema. 5 REFERÊNCIAS [1] Prof. Dr. José Roberto Moreira; Profª. Drª. Suani Teixeira Coelho, Externalidades associadas à geração distribuída de energia elétrica a partir de biomassa na indústria sucroalcooleira. [2] Elves Emanuel Rodrigues Miranda e Silva, Desenvolvimento de uma rede de distribuição com produção distribuída no Matlab/Simulink, Projecto de Licenciatura, ISEP, Porto [3] Luis Miguel Lopo dos Santos Seca, Estudo de estratégias de funcionamento em rede isolada e reposição de serviço em redes de distribuição com elevada componente de produção distribuída, Tese de Mestrado, FEUP, Porto [4] Prof. Dr. José Roberto Moreira; Profª. Drª. Suani Teixeira Coelho, Externalidades associadas à geração distribuída de energia elétrica a partir de biomassa na indústria sucroalcooleira. [5] Baran & Wu, paper GECAD