Capítulo 2 – Produção Distribuída em Redes MT
2.5 A Micro-Rede
2.5.1 Conceito de Micro-Rede CERTS
Apesar de os trabalhos de investigação na área das micro-redes se dividirem principalmente pela Europa, Estados Unidos da América, Japão e Canadá [3], considera-se que o conceito foi originalmente introduzido nos EUA pelo Departamento de Energia, através de um projecto do CERTS (Consortium for
Electric Reliability Technology Solutions). O CERTS, fundado em 1999, tem várias áreas de pesquisa, todas
orientadas principalmente para a fiabilidade do sistema eléctrico, mas uma delas concentra-se especificamente na integração de DER (sendo, por isso mesmo, denominada “Distributed Energy Resources Integration”).
Foi desta área de pesquisa que surgiu o conceito de micro-rede, tendo sido publicado em 2002 um relatório descrevendo detalhadamente o conceito [62]. É uma abordagem que procura integrar grandes quantidades de DER e não apenas acomodar PD na rede de distribuição. Assim, procura-se abandonar a política de instalação de PD na rede sem preocupações (política de “fit and forget”), apenas possível devido à pequena quantidade de unidades de PD instaladas, para se passar para uma política coordenada que possibilite a integração de DER em grandes volumes.
O conceito de micro-rede desenvolvido pelo CERTS parte do princípio que cargas e fontes estão disponíveis para funcionar em conjunto como se fossem uma única entidade. Para isto ser possível, é necessária uma flexibilidade de controlo que só é atingida se a maioria das fontes se encontrar interligada com a rede através de conversores de electrónica de potência. Pode assim conseguir-se atingir o grau necessário de fiabilidade e segurança para interligação com a rede de distribuição [62].
Note-se que a dimensão máxima das MG tende a ser condicionada por dois factores principais: • O uso intensivo de unidades de PD ligadas à rede com dispositivos baseados em electrónica de
potência, os quais poderão impor limites intrínsecos de custo e de potência;
• Dado o pressuposto que a micro-rede é uma rede de BT, surgem também limites de potência devido ao facto de neste tipo de redes ser necessário elevar demasiado a corrente para transmitir potências maiores.
Por estas razões, caso se pretenda aplicar o conceito a sistemas maiores, aconselha-se a sua subdivisão, sendo assim formadas várias micro-redes interligadas através da rede de distribuição [62].
Uma das características principais de uma MG é a sua capacidade para funcionar em modo isolado, servindo pelo menos as cargas prioritárias no seu interior. A transição para este modo de funcionamento ocorre de modo intencional quando é detectado algum problema na rede e a operação normal volta a ser reposta quando o problema é solucionado. Isto acontece de forma oposta ao que tradicionalmente é seguido para a PD. Por exemplo, seguindo o que se encontra especificado no IEEE Std 1547-2003 [2], toda a PD deverá desligar-se da rede no caso de detectar algum tipo de problema.
Outra característica fulcral da micro-rede CERTS é o facto de esta pretender ser vista, a partir da rede de distribuição, como uma entidade autónoma. A arquitectura adoptada permite à MG comportar-se
como um cliente normal, obedecendo às regras impostas pelo operador da rede e não provocando danos nem causando problemas. No entanto, não se exclui uma participação mais activa [62]:
• Com uma remuneração adequada, a MG pode fornecer serviço de deslastre de cargas;
• Apesar de poder haver algumas dificuldades técnicas, a MG pode funcionar como um pequeno produtor ou fornecedor de alguns serviços de sistema.
A participação da micro-rede nos mercados de electricidade é, na opinião do CERTS, um pouco dificultada pela localização que esta tipicamente assumirá, algures numa rede de distribuição radial, com eventuais dificuldades para escoar a produção. Admite-se, no entanto, a possibilidade de participar com o serviço de gestão activa de cargas para ajudar na gestão do sistema. A diminuição da carga vista pela rede de distribuição pode assim ser feita de dois modos: aumentando internamente a produção da MG ou diminuindo efectivamente a carga real.
Para os consumidores no interior da micro-rede, as vantagens são as mesmas já referidas sempre que o funcionamento em modo isolado é permitido: melhoria da qualidade da onda de tensão e da continuidade de serviço. Do ponto de vista do operador da rede de distribuição, uma das possíveis vantagens das MG é a possibilidade de permitirem a introdução de grandes volumes de DER de um modo estruturado, sem necessidade de criar receios sobre as interacções indesejadas que estes dispositivos poderão exercer sobre as redes onde estão inseridos. As micro-redes estão concebidas, desde logo, para que a sua produção interna equilibre pelo menos uma parte da sua carga sem criar problemas de estabilidade na rede a montante [62].
2.5.1.1 Arquitectura
A arquitectura de uma micro-rede CERTS tem de assegurar um conjunto de funções, muitas delas comuns a outros tipos de MG, como se verá. Estas funções incluem a interligação, o controlo e a protecção de cada microfonte, assim como o controlo de tensão da MG, o controlo de fluxos de potência e a tomada de carga na transição para modo de funcionamento isolado. Também têm de ser garantidas as funções associadas à protecção geral da MG, à estabilidade e à transição sem problemas para o modo isolado de operação, assim como a subsequente ressincronização com a rede a montante.
A Figura 2.5 ilustra a estrutura típica que pode apresentar uma micro-rede CERTS. Neste caso concreto considerou-se que o sistema seria radial com três ramais. As cargas encontram-se dispersas pela rede assim como as microfontes, todas elas equipadas com conversores electrónicos. O ponto que define a fronteira entre a MG e a rede de distribuição encontra-se do lado do primário do transformador e é denominado, pelo CERTS, de PCC (Point of Common Coupling). É neste ponto que a MG tem de obedecer aos requisitos do IEEE Std 1547-2003 [2].
Figura 2.5 – Arquitectura típica de uma micro-rede CERTS [62]
A localização das microfontes nos ramos B e C permite explorar situações em que as fontes se situam longe do barramento principal de modo a procurar reduzir as perdas nas linhas ou controlar perfis de tensão. Cada ramo, tipicamente de BT (480 V ou menos, segundo o CERTS), dispõe de diversos dispositivos de protecção e controladores de potência e tensão. Estes controladores são geridos centralmente por um “gestor de energia” (Energy Manager, no original em língua inglesa) e transmitem às fontes próximas os sinais que permitem o ajuste da sua produção de modo a regular o fluxo de potência e a tensão no local onde se encontram.
Nesta estrutura (Figura 2.5) podem salientar-se, então, três elementos fundamentais, descritos nos parágrafos que se seguem [62].
Controladores das Microfontes
O controlador de tensão e potência associado às microfontes disponibiliza uma resposta rápida (da ordem dos milissegundos) às perturbações e variações de carga autonomamente, sem depender de nenhum sistema de comunicações. As suas funções incluem: regular o fluxo de potências no ramo em resposta a variações de carga; regular a tensão no ponto de ligação da microfonte em resposta a variações de carga; garantir a correcta tomada de carga por parte de cada microfonte no caso da passagem da micro-rede para modo isolado; assegurar a ressincronização automática com a rede a montante.
Não se considera ser necessária a existência de um sistema de comunicações rápido, pelo que cada microfonte responde a perturbações com base apenas em dados locais. Assim, é possível instalar novas
unidades de PD sem necessidade de alterar a configuração de todas as outras já presentes no sistema. Admite-se, no entanto, um sistema de comunicações mais lento, destinado a transmitir fundamentalmente dados de despacho emitidos pelo Energy Manager.
Energy Manager
Providencia a gestão dos controladores das microfontes, enviando dados para despacho de produção de potência e controlo de tensão. Os valores de referência para a potência e tensão efectivamente enviados para as microfontes podem depender de uma variedade de critérios, entre os quais se incluem:
• Assegurar o equilíbrio de potências dentro da micro-rede;
• Assegurar que os contratos celebrados com o operador da rede a montante são honrados; • Minimizar perdas;
• Minimizar emissões;
• Maximizar a eficiência das microfontes.
A escala de tempo em que o Energy Manager é da ordem dos minutos, pelo que o sistema de comunicações de que depende não precisa de ser particularmente célere.
Protecções
As protecções na micro-rede devem actuar de modo diferenciado face a defeitos internos ou defeitos na rede a montante. Se o defeito for localizado na rede a montante, a resposta mais adequada será o isolamento das zonas autónomas da MG (ramos A e B, na Figura 2.5) mantendo-as operacionais, assim como às cargas mais importantes. Eventualmente poderá não ser necessária a separação da micro-rede, bastando efectuar a compensação da queda de tensão devida ao defeito recorrendo aos dispositivos de electrónica de potência presentes na MG. Esta escolha dependerá das cargas a proteger, da tecnologia disponível e das temporizações escolhidas para as protecções. Caso o defeito ocorra no interior da MG, as protecções deverão actuar de modo a isolar o defeito desligando a menor porção possível da rede radial.
2.5.1.2 Modos de Operação
Quando interligada com a rede a montante, a micro-rede CERTS pode oferecer três modos de funcionamento [63]:
• Controlo de potência das microfontes. Denominado Unit Power Control Configuration, no original, designa o modo de operação em que cada microfonte mantém a tensão no seu ponto de ligação e a potência que injecta. No caso de haver uma alteração de cargas, a variação de potência é vista pela rede a montante. Este modo permite a operação das microfontes próximo dos seus pontos de máximo rendimento.
• Controlo de fluxo nos ramos. Denominado originalmente Feeder Flow Control Configuration. Cada microfonte mantém a tensão no seu ponto de ligação e o fluxo de potências no ramo onde se encontra. São, por isso, sensíveis a variações de carga e a MG apresenta-se à rede a montante como uma carga constante, podendo inclusivamente ser contratualmente sujeita a despacho.
• Controlo misto. Denominado originalmente Mixed Control Configuration. Como o nome indica, é uma mistura dos dois métodos anteriores. Permite ter algumas fontes (preferencialmente as associadas a processos térmicos) a operar próximo da sua máxima eficiência, enquanto outras garantem os fluxos de potência nos ramos.
Em modo isolado, a operação da MG depende da correcta operação dos controladores das microfontes. São estes os principais responsáveis pela reacção rápida que terá de existir no momento da transição para este modo de funcionamento, controlando tomada de carga por parte de cada microfonte. Durante a transição para modo isolado, o Energy Manager tem um papel menos importante pois não se encontra vocacionado para responder a fenómenos rápidos. No entanto, após o período transitório inicial, o Energy Manager já pode exercer as suas funções, optimizando a operação da micro-rede.