Introdução a redes ativas de distribuição

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1 Introdução a redes ativas de distribuição Eletrônica de Potência para Redes Ativas de Distribuição Marcelo Lobo Heldwein, Dr. Sc. <heldwein@inep.ufsc.br> Refs.: Z. Styczynski et al., NetMod: Reduced Models of Complex Electrical Networks with Dispersed Generation, 2006.

2 Sistema de energia convencional Rede de distribuição unidirecional 2

3 Redes de distribuição ativas Rede de distribuição: É a parte de um sistema de energia que distribui energia elétrica para uso local Rede ativa de distribuição: Rede de distribuição que apresenta fluxo bidirecional de energia 3

4 Sistema de energia com fluxo bidirecional Rede ativa de distribuição (bidirecional) 4

5 Motivação para RADs Motivadores primários Combustíveis fósseis são finitos Emissão de gases de efeito estufa Poluição Eficiência energética Aumento da demanda Disponibilidade de geração local Qualidade de energia Disponibilidade de energia Resultado Necessidade de integração de recursos distribuídos o Geração o o Armazenamento Controles locais 5

6 Geração distribuída e armazenamento 10 s Hz - khz 10 s Hz CC CC Fontes: INEP 6 Fontes: 3/ / images/scenario-chart.jpg 6

7 Redes de distribuição ativas Características principais Inclusão local de GD (geração distribuída) o Renovável o Não-renovável Armazenamento (distribuído) local Métodos de gerenciamento de redes o Sistemas com inteligência distribuída o o Controles flexíveis Comunicação Gerenciamento de carga o Demand response o Load shedding 7

8 Esquemas de conexão (radial) Exemplos 8

9 Esquemas de conexão (anel) Exemplos 9

10 Esquemas de conexão (sistema interconectado) Exemplos 10

11 Esquemas de conexão (sistema reticulado simples) Exemplos Protetores de rede 11

12 Esquemas de conexão (sistema reticulado condensado) Exemplos Protetores de rede 12

13 Esquemas de conexão (reticulado com primário seletivo) Exemplos Protetores de rede 13

14 Exemplo: Hachinohe, Japan 14

15 Exemplo: Hachinohe, Japan 15

16 Exemplo: Sendai, Japan 16

17 Exemplo: Sendai, Japan 17

18 Exemplo: Aichi, Japan 18

19 Exemplo: Kythnos, Greece 19

20 Exemplo: Bronsbergen, Netherlands 20

21 Exemplo: Bronsbergen, Netherlands 21

22 Exemplo: Boston Bar BC Hydro, Canadá 22

23 Exemplo: Am Steinweg in Stutensee Germany 23

24 Exemplo: CESI RICERCA DER test microgrid Italy 24

25 Exemplo: The CERTS Testbed USA 25

26 Requisitos para uma rede de distribuição Níveis de tensão adequados Variações de tensão para os consumidores deve ser minimizada Tensão baixa o Multas o o Perdas em iluminação Degradação de motores Tensão alta o Prejuízos à lâmpadas, chuveiros o Falhas de eletrônicos 26

27 Efeitos da integração de GD em uma rede de distribuição Mudança dos perfis de tensão e corrente Necessidade de controles e esquemas de proteção Maior flexibilidade e confiabilidade 27

28 Estudo de caso Rede rural em MT Caso simplificado Benchmark estipulado pelo CIGRE SC6 T s são pontos de separação T s abertos => radial T s fechados => anel INEP 28 28

29 Parâmetros da rede 29

30 Parâmetros da rede 30

31 Parâmetros da rede 31

32 Parâmetros da rede INEP 32 32

33 Parâmetros da rede INEP 33 33

34 Perfis de carga 34

35 Perfis de carga 35

36 Estudo de caso Objetivos do estudo Impactos em Fluxo de potência Perfis de tensão Perdas Proteção Outros possíveis impactos Qualidade de energia Estabilidade de pequenos sinais Estabilidade de tensão Capacidade de transmissão INEP 36 36

37 Cenários de simulação Cenário 0 Não há GD INEP 37 37

38 Cenários de simulação Cenário 1 PV instalado 10% da potência total INEP 38 38

39 Cenários de simulação Cenário 2 PV instalado 50% da potência total INEP 39 39

40 Cenários de simulação Cenário 3 PV instalado 50% da potência total Ger. eólico 1,5 MW no nó 7 INEP 40 40

41 Cenários de simulação Cenário 4 PV instalado 50% da potência total Ger. eólico 3 MW no nó 7 INEP 41 41

42 Cenários de simulação Cenário 5 PV instalado 50% da potência total Ger. eólico 6 MW no nó 7 INEP 42 42

43 Cenários de simulação Cenário 6 PV instalado 50% da potência total Ger. eólico 3 MW no nó 6 3 MW no nó 11 INEP 43 43

44 Cenários de simulação Cenário 7 PV instalado 50% da potência total Ger. eólico 6 MW Ger. diesel (640 kw) INEP 44 44

45 Cenários de simulação Cenário 8 PV instalado 50% da potência total Células combustível 45% da potência total Ger. diesel (640 kw) INEP 45 45

46 Cenários de simulação Cenário 9 PV instalado 50% da potência total Ger. eólico 6 MW Ger. diesel (640 kw) INEP 46 46

47 Perfis de geração 47

48 Perfis de geração 48

49 Perfis de geração 49

50 Perfis de geração Fuel cell Rendimento elétrico 30% Rendimento térmico 50% Célula P = 70% 5 o C < t in < 10 o C P = 100% 10 o C < t in Desliga t in < 5 o C INEP 50 50

51 Perfis de geração Fuel cell 51

52 Perfis de geração 52

53 Alteração de taps 53

54 Resultados de simulação 54

55 Resultados de simulação 55

56 Resultados de simulação 56

57 Resultados de simulação 57

58 Resultados de simulação 58

59 Resultados de simulação 59

60 Resultados de simulação 60

61 Resultados de simulação 61

62 Resultados de simulação Rede em anel 62

63 Resultados de simulação 63

64 Radial x reticulada INEP 64 64

65 Resultados de simulação 65

66 Resultados de simulação 66

67 Resultados de simulação 67

68 Resultados de simulação E P = ( Perdas (P) *tempo ) / ( Potência ativa total * tempo ) 68

69 Resultados de simulação E Q = ( Perdas (Q) * tempo ) / ( Potência reativa total * tempo ) 69

70 Influência de GD em esquemas de proteção Exemplo 1 Situação 1 o o Se a falta for em A ou próxima de DG Monitorar a tensão no barramento e abrir PD 70

71 Influência de GD em esquemas de proteção Exemplo 1 Situação 2 o o Se a falta for em C ou longe de DG UMZ-2 deverá ser mais rápida que UMZ-1 e abrir 71

72 Influência de GD em esquemas de proteção Exemplo 1 Situação 3 o o Se a falta for em B ou mais ou menos longe de DG UMZ-1 possivelmente abrirá 72

73 Influência de GD em esquemas de proteção Outros possíveis problemas Islanding o Fontes de GD mantém energizada uma parte da rede Atuação de protetores de rede o Estes são protetores que só permitem fluxo de potência em uma única direção 73

74 Rede exemplo 1 Rede radial sem GD Fluxo unidirecional Somente disjuntores e fusíveis são utilizados INEP 74 74

75 Rede exemplo 2 Rede radial com GD Fluxo bidirecional Em caso de falta, todas as unidades de GD são desconectadas Somente disjuntores e fusíveis são utilizados INEP 75 75

76 Rede exemplo 3 Rede em anel com GD Fluxo bidirecional São gerados anéis para circulação de corrente Possibilidades: Proteção diferencial Proteção contra sobrecorrentes com módulos de direção e comunicação INEP 76 76

77 Pontos importantes GD influencia a operação de redes de distribuição Níveis de tensão tendem a ser maiores com GD GD pode sobrecarregar os condutores (se houver muita GD e pouca demanda) Pode-se reduzir ou aumentar as perdas na rede de distribuição com a inclusão de GD A arquitetura da rede tem grande influência Um sistema de gerenciamento central ajudaria a operar a rede de uma maneira ótima Os pontos de inserção de GD são importantes Inclusão de GD deve ser feita com conhecimento 77