Barramentos de interconexão

Basicamente, existem três configurações de barramentos utilizados em microrredes, sendo que cada uma apresenta suas vantagens e desvantagens. Os tipos de barramentos são: y Barramento de interconexão CC;

y Barramento de interconexão CA;

y Barramento de interconexão CA de alta frequência (HFAC).

Diferentes aspectos devem ser avaliados antes de selecionar a melhor opção para uma aplicação específica, tais como os tipos de fontes de energia disponíveis na microrrede, a distância entre as fontes e as cargas, os requisitos de conexão com a rede de energia, o nível

desejado de confiabilidade, entre outros. Além disso, outros objetivos adicionais para funções avançadas, como filtragem ativa, coordenação do fluxo de potência ou fonte ininterrupta de energia também devem ser levados em consideração.

O tipo mais simples de integração de elementos em uma microrrede é através de uma conexão CC onde um barramento CC comum é usado para conectar as fontes de GD e dispositivos de armazenamento através de conversores estáticos apropriados. As fontes CC como células fotovoltaicas e células combustíveis podem injetar energia diretamente no barramento CC da microrrede. As fontes CA podem ser conectadas no barramento CC da microrrede através de conversores CA-CC sem levar em consideração a defasagem de tensão.

A saída de cada conversor, controlada para gerar o mesmo valor de tensão, é conectada em paralelo, gerando um barramento de integração CC. Sem requisitos de controle de frequência e defasagem (sincronismo), o sistema CC apresenta as vantagens de baixas perdas devidas à energia reativa, alta eficiência e alta confiabilidade comparado ao sistema CA [12]. O sistema CC pode fornecer energia para equipamentos eletrônicos diretamente e, portanto, perdas causadas pela conversão CA para CC podem ser eliminadas [13].

Este tipo de sistema apresenta como vantagens alta confiabilidade (fontes em paralelo e controle mais simples), baixas perdas de distribuição e transmissão, baixo custo, possibilidade de operar em redes de grande comprimento (principalmente de alta tensão) e dispensa uso de transformador, acarretando diminuição de volume e custo. Entretanto, apresenta como desvantagens inexistência de isolação galvânica (a não ser que sejam empregados transformadores eletrônicos), necessidade da presença de capacitores eletrolíticos no barramento CC, alta corrosão de eletrodos, maior dificuldade de proteção e necessidade de compatibilidade de níveis de tensão no barramento, de maneira a evitar circulação de corrente entre as fontes. Portanto, este tipo de sistema é mais apropriado para aplicações nas quais as fontes renováveis apresentam saída CC ou para aplicações nas quais há a necessidade de utilização de uma rede de grande comprimento.

Um dos motivos do custo reduzido é que cabos CC podem custar menos do que cabos CA da mesma faixa de potência, pois eles necessitam menor isolação elétrica, sofrem menos perdas resistivas e não apresentam perdas dielétricas [14].

Um barramento CA de frequência igual a 60 Hz é outra possibilidade para a integração de fontes de GD. Uma escolha adequada de conversores deve ser feita para converter a saída das fontes para a tensão CA de 60 Hz. Este barramento, que pode ser monofásico ou trifásico, pode ser a rede de energia ou um barramento independente para alimentar cargas locais. Neste caso, outro conversor é necessário para conectar o barramento independente à rede de energia.

Este tipo de sistema apresenta como vantagens a fácil obtenção de múltiplos de níveis de tensão (transformador com taps), o baixo custo de capital e a possibilidade de isolação galvânica. Entretanto, apresenta como desvantagens grandes volume e peso (devido aos transformadores de 50 a 60 Hz para realizar a isolação galvânica), rigorosos requisitos de sincronismo (nível, frequência e fase da tensão), necessidade de correção de fator de potência, desafios de distorção harmônica, problema de circulação de corrente entre as fontes e necessidade de operação com comprimento de rede reduzido quando comparado ao barramento CC (indutâncias e capacitâncias parasitas e os efeitos skin e de proximidade causam perdas excessivas em linhas longas). Portanto, este tipo de sistema é mais apropriado para aplicações nas quais as fontes renováveis apresentam saída CA ou aplicações nas quais há a necessidade de isolação galvânica.

Outra alternativa é o sistema de barramento CA de alta frequência. A grande vantagem deste sistema é o seu tamanho reduzido e alta densidade de potência. A escolha de frequência é muito importante para a microrrede, uma vez que a alta frequência causa maiores perdas de potência e quedas de tensão ao longo da linha, restringindo desta maneira o comprimento físico do sistema [15]. Nesta referência, é mostrado que frequências na faixa de 400 Hz até 1 kHz são adequadas para diversas aplicações residenciais, comerciais e industriais.

Além disso, para utilização ótima do barramento HFAC é importante realizar a compensação de energia reativa, harmônicos de corrente resultantes de cargas não lineares e distorções de tensão resultantes de não linearidades das fontes e/ou dos conversores [16]. Um condicionador unificado de qualidade de potência (UPQC), contendo filtros ativos série e paralelo, é uma solução de Eletrônica de Potência que pode desempenhar todas essas funções. Outra tarefa muito importante na microrrede é controlar o fluxo de potência. Um condicionador unificado de linha de potência (UPLC) também contendo filtros ativos série e paralelo é uma solução para controlar o fluxo de potência entre a microrrede e a rede de energia. Ambos UPQC e UPLC podem utilizar a teoria de potência instantânea (teoria p-q proposta em [17]) para calcular as quantidades de compensação que são sintetizadas usando inversores modulados por largura de pulso alimentados por tensão.

Este tipo de sistema apresenta como vantagens pequenos volume e peso, menores elementos passivos, isolação galvânica com transformadores de alta frequência menores, fácil obtenção de múltiplos níveis de tensão (transformador com taps, menores e mais eficientes), conexão direta de motores e compressores de alta frequência e maior facilidade na filtragem de harmônicos de maior ordem (alta frequência). Entretanto, apresenta como desvantagens alto custo, aumento de quedas de tensão e perdas de potência na linha, complexidade de

projeto e de controle, requisitos de sincronização, preocupações com compatibilidade eletromagnética e problemas tecnológicos para distribuição e transmissão em altas frequências, levando à necessidade de operação com comprimento de rede reduzido. Portanto, este tipo de sistema é mais apropriado para aplicações nas quais a necessidade de menores volume e peso e alta densidade de potência é imperativa ou aplicações nas quais as fontes renováveis apresentam saída CA. Assim, esta configuração de barramento acaba por não ser apropriada para sistemas de potência disponíveis comercialmente e sim para aplicações nas quais o custo do sistema não é um fator determinante, como aplicações aeroespaciais.