Impact Analysis of Plug-in Electric Vehicle Connected in Real Distribution Network

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1 Impact Analysis of Plug-in Electric Vehicle Connected in Real Distribution Network D. F. Silva, T. P. Abud, P. P. Machado Jr, M. Z. Fortes, Member, IEEE, R. S. Maciel, Member, IEEE and D. H. N. Dias Abstract This work has the objective to analyze a real electric grid behavior after the connection of electric vehicles lead-acid batteries chargers. These chargers have an AC / DC conversion system, considering that the batteries are feeding by direct current. However, due to conversion system switching, harmonics are injected in the process, which may represent a power quality problem, depending on its intensity. The electric grid modeling was developed using the software OpenDSS and the results were analyzed using the software Matlab, based on the limits established in PRODIST Module 8 and in IEEE Std Keywords Energy Quality, Electric Vehicles, Distribution Systems. O I. INTRODUÇÃO S avanços tecnológicos no setor de energia elétrica têm contribuído para aumentar a penetração dos veículos elétricos no mercado automobilístico. A eletrônica de potência, que se consolidou na década de 1970 com a produção industrial dos transistores de potência, foi crucial para o controle de motores elétricos. Outra tecnologia responsável pelo aumento foi a descoberta de novos materiais magnéticos, na década de 1980, com densidade de energia consideravelmente maior do que os antecessores. Além disso, o desenvolvimento das baterias recarregáveis, que teve início em com a bateria de chumbo-ácido - e se consolidou na década de com a invenção da bateria de polímero de lítio - também teve sua parcela de contribuição [1]. As principais motivações para o investimento na tecnologia de veículos elétricos giram em torno da consciência ambiental e da média elevada dos preços do barril de petróleo nos últimos anos. A primeira motivação existe porque os veículos elétricos possuem baixa ou nenhuma emissão de CO 2. Os de baixa emissão são os híbridos, que representam uma combinação dos motores elétricos com os movidos a combustão interna. Já os de emissão nula são os plug-in, ou recarregáveis, que D. F. Silva, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Rio de Janeiro, Brasil, danielflores@id.uff.br. T. P. Abud, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Rio de Janeiro, Brasil, tpabud@id.uff.br. P. P. Machado Jr., Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Rio de Janeiro,: paulomachado@id.uff.br. M. Z. Fortes, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Brasil, mzf@vm.uff.br R. S. Maciel, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Brasil, rsmaciel@id.uff.br D. H. N. Dias, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Brasil, dhndias@id.uff.br. utilizam a energia proveniente da rede elétrica ou de sistemas de geração independentes como sistemas solares eólicos ou solares interconectados ou não para serem abastecidos. A segunda motivação é referente à alternativa que os veículos elétricos representam à utilização de combustíveis. O recente aumento da média dos preços do barril de petróleo torna atrativa a utilização de veículos movidos parcialmente ou totalmente por energia elétrica, visto que a mesma possui fontes de geração menos onerosas que àquela proveniente do combustível fóssil citado. Colocadas de lado as grandes vantagens econômicas e sustentáveis dos veículos elétricos, é preciso que outros fatores sejam analisados, a fim de validar a conexão maciça destes automóveis nas redes elétricas. Em [2] é explorado este contexto avaliando a integração de fontes renováveis e veículos elétricos na região nordeste do Brasil. Quando da conexão de veículos elétricos a rede um dos fatores a ser considerado é a qualidade da energia elétrica no entorno do carregador de baterias, após sua conexão junto à rede. Outro fator importante é o número estimado de carregadores que podem ser conectados no mesmo instante sem que ocorram problemas como distorções de tensão, afundamentos, comprometimento do fator de potência, entre outros. Os carregadores de baterias injetam harmônicos e subharmônicos na rede elétrica, devido ao processo de conversão C.A/C.C. Com a conexão do carregador de baterias, o fator de potência da rede diminui, e com isto podem surgir problemas de qualidade de energia elétrica (QEE) nos consumidores vizinhos ou até mesmo naqueles que conectam o equipamento [3]. O conceito de QEE vem se tornando tema de grande importância em conferências de engenharia elétrica, devido à crescente presença das cargas não-lineares nos Sistemas Elétricos de Potência (SEP) e os estudos focados em impactos de veículos elétricos à rede estão sendo apresentados para discussão como em [4]-[6]. O objetivo deste trabalho é analisar o impacto das componentes harmônicas, oriundas da penetração de veículos elétricos plug-in, em um sistema de distribuição real. Através de simulações de diferentes cenários é possível verificar se as características elétricas básicas da rede, como corrente, tensão e DHT estão atendendo aos requisitos legais de distribuição de energia. Para o caso de não estarem, é recomendada a elaboração de soluções técnicas visando restabelecimento destas grandezas elétricas aos seus valores aceitáveis. Exemplos de pesquisas com soluções mitigadores estão apresentadas em [7]-[8].

2 II. METODOLOGIA A análise do comportamento da rede elétrica após a conexão de veículos elétricos foi realizada mediante simulações pelos programas computacionais OpenDSS e Matlab. O OpenDSS foi utilizado para modelagem da rede cujos dados de barra e linha foram baseados em pesquisa com concessionária de energia e são dados reais. Já os dados de harmônicos da rede e da conexão de veículos elétricos plug-in foram obtidos através de medição em campo. O Matlab foi utilizado para leitura e análise dos resultados gerados pelo OpenDSS, assim como comparação dos mesmos com os valores limites estabelecidos pelo Módulo 8 do PRODIST [9] e pela norma IEEE [10]. Nos itens seguintes, apresentam-se as características da rede adotada, o perfil das cargas, as medições realizadas e o modelo utilizado. A. Sistema de Distribuição Adotado O sistema analisado neste artigo corresponde a uma parte da rede de distribuição secundária da cidade de Búzios, no estado do Rio de Janeiro. Ele contempla um transformador de 25 MVA com tensão nominal de 69/13,8 kv localizado na extremidade esquerda, bem como 343 barramentos dispostos num arranjo radial, com uma distância total de um pouco mais de 7 km, conforme ilustrado na Fig.1. Figura 2. Perfil diário das cargas do sistema modelado no OpenDSS. C. Medição dos Harmônicos da Rede, sem considerar a Penetração de Veículos Plug-in Foram realizadas medições através do analisador de energia EMBRASUL, modelo RE6000, a fim de se obter a forma de onda da tensão para cada fase e a amplitude das suas componentes harmônicas, sem considerar a inserção de veículos plug-in. As Figs. 3 e 4 mostram a forma de onda da fase A e as suas componentes harmônicas, respectivamente. A partir destas figuras, verifica-se que a rede não possui distorção harmônica que exceda os limites estabelecidos nas normas. Figura 1. Topologia da rede estudada. B. Perfil das Cargas O perfil das cargas existentes na rede não estava disponível para estudo. Para contornar o problema, o método utilizado foi inserir no OpenDSS o perfil de demanda diária para o estado do Rio de Janeiro, observado pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico Brasileiro (ONS), para o início do ano de 2012, desconsiderando o horário de verão [11]. A Fig. 2 ilustra este perfil, que foi adotado para todas as cargas do sistema. Figura 3. Forma de onda da tensão da fase A.

3 Figura 4. Amplitude dos harmônicos da tensão da fase A. D. Medição dos Harmônicos dos Veículos Plug-in Para caracterizar o comportamento de um veiculo elétrico conectado em carga foi analisado um carregador de baterias comercial Vonder, modelo CBV 1500, na situação de carga de duas baterias de chumbo-ácido, Optima D51R. Para efeito de modelagem, foi considerado que o veículo elétrico Nissan Leaf equivale a 24 pares das baterias medidas [12]. As medições dos harmônicos provenientes deste sistema também foram feitas através do analisador de energia EMBRASUL, modelo RE6000 e estão mostradas na Fig.5. Figura 6. Formas de onda e distribuição harmônica do carregador de baterias. Como pode ser observado, este equipamento por si só já ultrapassa os limites de correntes harmônicas recomendados na norma IEEE [10]. Esses limites variam entre 5% e 20% dependendo da corrente de curto-circuito do barramento de inserção. E. Modelagem e Simulações A partir do arquivo de modelagem da rede básica, disponível em [13], foi realizada a inserção dos dados de harmônico da rede provenientes da medição previamente descrita. A Fig.7 ilustra o perfil de tensão pela distância em relação à subestação, considerando que todos os transformadores de 13,8/0,22 kv estão em máximo carregamento. Figura 5. Medição dos harmônicos do carregador de baterias. A Fig.6 ilustra as formas de onda provenientes da inserção desta carga não-linear ao sistema, bem como a distribuição harmônica da tensão e da corrente, totalizando um DHT de tensão de 3,227% e um DHT de corrente de 51,177%. Figura 7. Perfil de tensão para carregamento máximo da rede. Em seguida, foi adicionada à barra mais distante da subestação (barra 343), uma carga que gera uma distorção

4 harmônica de corrente, com o propósito de emular o carregador de baterias. A Fig.8 representa o circuito simulado pelo OpenDSS. Figura 8. Circuito simplificado utilizado como base para modelagem do sistema, harmônicos de rede e de carregadores. Foram avaliados seis casos, considerando diferentes penetrações de veículos elétricos e diferentes horários para inserção. Além disso, foi desenvolvido um algoritmo no Matlab responsável por tratar os dados de simulação, a fim de analisar a tensão na vizinhança e o conteúdo harmônico na barra de inserção. III. RESULTADOS Partindo-se do princípio que seria criada uma estação de recarga para veículos elétricos, todos os estudos de caso consideram que os carregadores são inseridos na fase A da barra 343, através de um transformador trifásico de 13,8/0,22 kv e 150 kw. A fase A foi escolhida por apresentar o pior perfil de tensão, portanto, o pior caso. A barra 343 foi escolhida por ser a barra mais distante à subestação, portanto por ser a barra que apresenta menor módulo de tensão eficaz. Figura 9. Perfil de tensão para o Caso I. B. Caso II O estudo de caso 2 considera-se apenas um veículo sendo conectado no horário de mínima demanda de carga do perfil ONS. A Fig.10 revela que não houve ultrapassagem do limite de tensão. A. Caso I O estudo de caso 1 considera apenas um veículo sendo conectado no horário de máxima demanda de carga do perfil ONS. A Fig. 9 revela que não houve ultrapassagem do limite de tensão estabelecido por norma [9]. Figura 10. Perfil de tensão para o Caso II. C. Caso III O estudo de caso 3 considera cinco veículos sendo conectados no horário de máxima demanda de carga do perfil ONS. A Fig.1 revela que não houve ultrapassagem do limite de tensão.

5 a norma nacional para o limite inferior é de 0,93 p.u [9]. As fases B e C permaneceram dentro dos limites inferior e superior. Figura 11. Perfil de tensão para o Caso III. D. Caso IV O estudo de caso 4 considera cinco veículos sendo conectados no horário de mínima demanda de carga do perfil ONS. A Fig. 12 revela que não houve ultrapassagem do limite de tensão. Figura 13. Perfil de tensão para o Caso VI. F. Caso VI O estudo de caso 6 considera 50 veículos sendo conectados no horário de mínima demanda de carga do perfil ONS. A Fig.14 revela que não houve ultrapassagem do limite de tensão. Figura 12. Perfil de tensão para o Caso IV. E. Caso V O estudo de caso 5 considera 50 veículos sendo conectados no horário de máxima demanda de carga do perfil ONS. A Fig.13 revela que houve ultrapassagem do limite estabelecido pela IEC de 0,95 p.u de tensão para a fase A, entretanto Figura 14. Perfil de tensão para o Caso VI. A Tabela I resume os distúrbios harmônicos de tensão e corrente na barra 343, na tensão de 13,8 kv para todos os casos.

6 CASO Nº de veículos conectados TABELA I VALORES DE DHT PARA CADA CENÁRIO Carregamento da rede DHT de Tensão (%) DHT de Corrente (%) 1 1 máximo 5,910 16, mínimo 4,144 18, máximo 6,302 18, mínimo 4,500 17, máximo 6,340 23, mínimo 4,535 22,887 Nota-se que em dois casos ocorreu extrapolação do limite de 6% [9] na distorção harmônica total de tensão. Além disso, também se pode observar que a distorção harmônica total de corrente de todos os casos extrapola a faixa recomendada de 8% [10], caso seja considerada uma corrente de curto circuito de valor 20 vezes a corrente nominal da barra [14]. IV. CONCLUSÕES Nos casos em que foram analisados 5 e 50 veículos com inserção no período de máxima demanda de carga, pode-se observar uma sobrecarga no transformador da barra de inserção de 26% e 357%, respectivamente. Deve-se atentar que somente na inserção de 50 veículos no período de máxima demanda que foi observada uma violação do limite inferior de 0,95 p.u módulo de tensão lembrando que o limite inferior da norma nacional é de 0,93 p.u. Portanto, esta rede se mostrou confiável, do ponto de vista do limite do módulo de tensão, visto que só foi possível observar violação de tensão com sua última barra em sobrecarga superior a 357%. Do ponto de vista da análise harmônica, pode-se observar que a menor distorção harmônica de corrente de todos os casos é superior ao dobro do recomendado por norma. Além disso, como a modelagem considerou os harmônicos de tensão provenientes da própria rede Búzios, a distorção harmônica total de tensão varia de acordo com o carregamento. Em todos os estudos de caso, os harmônicos individuais de tensão concentram-se na 3ª, 5ª,11ª e 13ª ordens, porém, em nenhum momento esses harmônicos ultrapassam os limites individuais estabelecidos por norma [9]. Pode-se concluir, portanto, que a inserção de cargas nãolineares como carregadores de baterias que oferecem estágio simples de conversão C.A/C.C e que não possuem filtros, proporcionam um problema de QEE para a rede. Faz-se necessário, nos casos de ultrapassagem da norma, a implementação de medidas mitigadoras como, por exemplo, filtros passivos ou ativos. REFERÊNCIAS [1] D.F.Silva, Dimensionamento de motor elétrico para propulsão de barco Solar, Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Federal Fluminense, [2] B.S.M.C.Borba, A.Szklo and R.Schaeffer, Plug-in hybrid electric vehicles as a way to maximize the integration of variable renewable energy in power systems: The case of wind generation in northeastern Brazil, Energy, Vol.37, No.1, p , doi: doi: /j.energy [3] W Guoliang, X. Bingliang, Y. Haiyang and D. Erjia, Power quality analysis and harmonic suppression of high latitude and high alpine region electric vehicles charging station, 2013 World Electric Vehicle Symposium and Exhibition, p.1-5, doi: /EVS [4] S. F. Abdelsamad, W. G. Morsi and T. S. Sidhu, Impact of Wind- Based Distributed Generation on Electric Energy in Distribution Systems Embedded With Electric Vehicles, IEEE Trans. Sustain. Energy, Vol. 6, no 1, p , doi: /TSTE [5] K. Jamal, M. Gray and W. G. Morsi, Low and high order harmonic emission quantification of plug-in hybrid and battery electric vehicles, 2013 IEEE Electrical Power & Energy Conference (EPEC), p.1-4, doi: /EPEC [6] Pengxin and Zhang Zhebo, Analysis of electric vehicles impact to the electric grid, 2012 China International Conference on Electricity Distribution (CICED), p. 1 5, doi: /CICED [7] M.Z.Fortes, B.M.Ferreira and P.M.Miguel, Estudo de filtros passivos para harmônicos a partir de ensaios de equipamentos de TI, Revista de Ensino de Engenharia, p. 1 10, [In Press]. [8] J.E.V.Fassarela, M.Z.Fortes, A.P.Fragoso and G.M.Tavares, Analysis and Suggested Solutions of Power Quality Problems in Lighting Laboratory, IEEE Latin America Transactions, Vol.12, no.6, p doi: /TLA [9] ANEEL Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional - Módulo 8. 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Atualmente é mestrando em Engenharia Elétrica e de Telecomunicações na UFF, atuando na linha de pesquisa de Máquinas, Equipamentos e Aplicações de Novos Materiais. Tiago Pires Abud recebeu o título de Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal Fluminense (UFF) em Possui experiência no setor industrial nas áreas de automação e processos que envolvem o envase, sopro, selagem e esterilização de ampolas. Atualmente é aluno de mestrado de Engenharia Elétrica no campo de Modelagem e Análise de Sistemas de Energia, também na UFF. Paulo Pereira Machado Junior é graduado em Engenharia Elétrica (2015) pela Universidade Federal Fluminense (UFF). Atualmente é mestrando da Universidade Federal Fluminense (UFF), atuando na linha de pesquisa de modelagem de Sistemas Elétricos de Potência aplicada a Transitórios Eletromecânicos. Possui experiência em manipulação e ensaios elétricos de Supercondutores em laboratório, além de simulações pelo Método dos Elementos Finitos (MEF). Márcio Zamboti Fortes (M 2010) recebeu o titulo de Mestre em Engenharia da Energia pela Universidade Federal de Itajuba (UNIFEI) em 2000 e de Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade de São Paulo (USP) em Sua experiência profissional inclui atividades de gestão, projetos, manutenção, implantação e comissionamento. Atualmente é professor da Universidade Federal Fluminense (UFF) e desenvolve estudos nas áreas de: conservação e qualidade de energia, manutenção industrial, máquinas elétricas e acionamentos.

7 Renan Silva Maciel recebeu o titulo de Bacharel em Engenharia Elétrica pela Universidade do Estado de São Paulo (UNESP-Ilha Solteira) em 2006 e de Doutor pela mesma instituição em Entre participou como pesquisador visitante no INESC, Porto, Portugal. Atualmente, é professor da Universidade Federal Fluminense (UFF), em Niterói, RJ, Brasil, no Departamento de Engenharia Elétrica. É também membro do INESC P&D Brasil. Sua área de interesse inclui geração distribuída, planejamento de sistemas de distribuição e otimização multiobjetivo. Daniel Henrique Nogueira Dias possui graduação em Fisica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (2003), mestrado em Física pela Universidade Federal Fluminense (2005), Doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (2009) com período sanduíche em Leibniz- Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresdenng Dresden (2008) e graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (2011). Atualmente exerce o cargo de Professor Adjunto II da Universidade Federal Fluminense no Departamento de Engenharia Elétrica. Tem experiência na área de Física, com ênfase em Física da matéria condensada, e Engenharia Elétrica, na área de Sistemas de Potência, atuando principalmente nos seguintes temas: Teoria de supercondutores e suas aplicações em dispositivos elétricos. Trabalha atualmente no desenvolvimento de tecnologias que utilizem mancais magnéticos supercondutores, como por exemplo Flywheels e veículos Maglev e a aplicação de fitas supercondutoras de segunda geração para o desenvolvimento de equipamentos elétricos, como transformadores, limitadores de corrente de curto-circuito e máquinas elétricas.