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.
Sistema de energia convencional Rede de distribuição unidirecional 2
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
Sistema de energia com fluxo bidirecional Rede ativa de distribuição (bidirecional) 4
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
Geração distribuída e armazenamento 10 s Hz - khz 10 s Hz CC CC Fontes: http://www.wapa.gov/es/pubs/esb/2001/01jun/graphics/microturbines_big.jpg http://cache.jalopnik.com/cars/assets/resources/2007/11/ballard-fuel-cell.jpg INEP 6 Fontes: http://www.flickr.com/photos/caveman_9222 3/3186143355/ http://www.advantech.com/solutions/ehome/ images/scenario-chart.jpg 6
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
Esquemas de conexão (radial) Exemplos 8
Esquemas de conexão (anel) Exemplos 9
Esquemas de conexão (sistema interconectado) Exemplos 10
Esquemas de conexão (sistema reticulado simples) Exemplos Protetores de rede 11
Esquemas de conexão (sistema reticulado condensado) Exemplos Protetores de rede 12
Esquemas de conexão (reticulado com primário seletivo) Exemplos Protetores de rede 13
Exemplo: Hachinohe, Japan 14
Exemplo: Hachinohe, Japan 15
Exemplo: Sendai, Japan 16
Exemplo: Sendai, Japan 17
Exemplo: Aichi, Japan 18
Exemplo: Kythnos, Greece 19
Exemplo: Bronsbergen, Netherlands 20
Exemplo: Bronsbergen, Netherlands 21
Exemplo: Boston Bar BC Hydro, Canadá 22
Exemplo: Am Steinweg in Stutensee Germany 23
Exemplo: CESI RICERCA DER test microgrid Italy 24
Exemplo: The CERTS Testbed USA 25
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
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
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
Parâmetros da rede 29
Parâmetros da rede 30
Parâmetros da rede 31
Parâmetros da rede INEP 32 32
Parâmetros da rede INEP 33 33
Perfis de carga 34
Perfis de carga 35
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
Cenários de simulação Cenário 0 Não há GD INEP 37 37
Cenários de simulação Cenário 1 PV instalado 10% da potência total INEP 38 38
Cenários de simulação Cenário 2 PV instalado 50% da potência total INEP 39 39
Cenários de simulação Cenário 3 PV instalado 50% da potência total Ger. eólico 1,5 MW no nó 7 INEP 40 40
Cenários de simulação Cenário 4 PV instalado 50% da potência total Ger. eólico 3 MW no nó 7 INEP 41 41
Cenários de simulação Cenário 5 PV instalado 50% da potência total Ger. eólico 6 MW no nó 7 INEP 42 42
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
Cenários de simulação Cenário 7 PV instalado 50% da potência total Ger. eólico 6 MW Ger. diesel (640 kw) INEP 44 44
Cenários de simulação Cenário 8 PV instalado 50% da potência total Células combustível 45% da potência total Ger. diesel (640 kw) INEP 45 45
Cenários de simulação Cenário 9 PV instalado 50% da potência total Ger. eólico 6 MW Ger. diesel (640 kw) INEP 46 46
Perfis de geração 47
Perfis de geração 48
Perfis de geração 49
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
Perfis de geração Fuel cell 51
Perfis de geração 52
Alteração de taps 53
Resultados de simulação 54
Resultados de simulação 55
Resultados de simulação 56
Resultados de simulação 57
Resultados de simulação 58
Resultados de simulação 59
Resultados de simulação 60
Resultados de simulação 61
Resultados de simulação Rede em anel 62
Resultados de simulação 63
Radial x reticulada INEP 64 64
Resultados de simulação 65
Resultados de simulação 66
Resultados de simulação 67
Resultados de simulação E P = ( Perdas (P) *tempo ) / ( Potência ativa total * tempo ) 68
Resultados de simulação E Q = ( Perdas (Q) * tempo ) / ( Potência reativa total * tempo ) 69
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
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
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
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
Rede exemplo 1 Rede radial sem GD Fluxo unidirecional Somente disjuntores e fusíveis são utilizados INEP 74 74
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
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
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