A configuração da rede CC

O estudo para aplicação de uma rede suprida por tensão contínua é em função das suas características operacionais. Para isso além da configuração básica proposta é

necessário analisar o comportamento dos diversos elementos que constituem a instalação.

O primeiro elemento a ser estudado é a configuração da rede que indica a maneira como os componentes são interligados e se comportam no sistema.

A configuração básica da rede não deve ser muito diferente das redes convencionais, o que é uma vantagem, pois aproveita muito dos seus elementos.

Basicamente a linha é composta por um circuito principal e as unidades de saída, com base na configuração apresentada na norma NBR IEC 60439-1(44). O circuito principal interliga todas as unidades de entrada e saída que podem ser alimentadores AC, DC ou as cargas nos circuitos terminais. As definições extraídas da norma são:

q “Barramento principal: Barramento no qual podem ser conectados um ou

vários barramentos de distribuição e/ou unidades de entrada e de saída”.

q “Unidade de entrada: Unidade funcional através da qual a energia

elétrica é normalmente fornecida para o conjunto”.

q “Unidade de saída: Unidade funcional através da qual a energia elétrica é

normalmente fornecida para um ou mais circuitos de saída”.

A definição da estrutura do sistema de distribuição em corrente contínua envolve a determinação do esquema da rede e do valor da tensão nominal.

Além disso, é importante comparar a capacidade das linhas de corrente contínua com as linhas em corrente alternada de mesma seção transversal, relacionando a potência transmitida com o comprimento da linha e dessa forma escolher a melhor solução do ponto de vista técnico e econômico.

Devem ser considerados também os equipamentos auxiliares necessários, tais como inversores, retificadores, transformadores para as linhas CA, etc. para ponderar a melhor solução.

Por exemplo, uma edificação que possui um painel de geradores solares e uma ligação na rede da concessionária pode adotar diversas configurações possíveis contando com inversores e retificadores. Esses equipamentos designados genericamente como conversores podem ter seu número reduzido significativamente com a adoção de um sistema de distribuição em corrente contínua, o que implica na diminuição das perdas associadas a eles. Isso é possível devido à evolução dos conversores em corrente contínua que permitem condicionar a energia com nível de perda aceitável.

q Absorção da energia da rede da concessionária sem alterar a forma de onda e com alto fator de potência e

q Permitir o fluxo bidirecional da energia.

O custo pode ser significativamente favorável para uma modalidade de corrente ou pela alternada, mas a premissa mais interessante para estudo é a possibilidade de utilizar indistintamente os equipamentos já existentes conforme a conveniência do usuário. As lâmpadas incandescentes, que neste momento tendem a cair em desuso possuem essa capacidade. Conforme se observará posteriormente neste texto a evolução da eletrônica de potência permite a construção de fontes de energia para os equipamentos muito flexíveis e de maior rendimento.

Isso produz equipamentos que podem operar indistintamente com corrente alternada ou contínua em uma ampla faixa de tensões. Por exemplo, algumas fontes automáticas podem operar na faixa de 100 a 240V sem a intervenção do usuário.

Mesmo que os equipamentos possuam grande flexibilidade é importante para o controle da rede CC que haja um conjunto de regras básicas operacionais, para o caso de falha no sistema supervisor (45):

q O barramento CC deve ser mantido estável dentro de uma faixa aceitável

(por exemplo, no entorno de 5%);

q Os conversores utilizados entre o barramento CC e as fontes renováveis

devem ter capacidade para lidar com toda a energia gerada por esses componentes, desde que haja carga para absorve-la, bateria para ser carregada ou a possibilidade de exportar para a rede da concessionária; q O sistema de armazenamento de energia deve ser abastecido logo que

possível e descarregado somente quando necessário e

q O conversor ligado à unidade de entrada ou saída da concessionária deve

absorver a potência da rede, sempre que as fontes renováveis locais forem insuficientes e exportá-la quando houver excedente.

Para atingir esses objetivos o esquema sugerido (45) abrange os elementos ilustrados na figura a seguir.

Figura 6.2 – Esquema de uma possível configuração de rede CC

Fonte: (AUGUSTONI, M. et al., 2003)

A premissa de que a rede CC deve agregar várias fontes e operar com segurança implica em cuidados com o sistema de controle e medição.

A coordenação da rede pode ser feita por um sistema computadorizado que define prioridades em função de critérios de despacho, ligando e desligando elementos da rede procura otimizar seu uso. Essa filosofia tende a reproduzir em pequena escala o que se observa na operação do sistema de potência interligado.

Este sistema de controle constitui um ponto crítico no sistema na medida que a falha deste poderia paralisar as operações. No entanto, se for respeitada a premissa de estabilidade da tensão do barramento principal CC, o sistema pode ser coordenado pelo nível de tensão.

Podem ser estabelecidos níveis de tensão que determinariam a operação de determinada fonte, desde que a variação entre esses níveis seja compatível com os dispositivos envolvidos.

Por exemplo, o maior nível de tensão poderia ser ajustado para uma fonte renovável, um nível menor para a concessionária e o menor para um sistema de baterias. Quando a fonte renovável opera dentro de sua capacidade um sistema automático controlado por tensão pode conectar ao barramento principal. Esse nível de tensão inibe a conexão com a rede da concessionária e sinaliza para carga da bateria, se necessário. Da mesma forma pode haver a coordenação com a rede da concessionária e a bateria, na falta da fonte renovável.

Como esse circuito opera em corrente contínua o ato de implementar fisicamente os elementos de controle é relativamente simples e admite varias hipóteses.

No caso de extrema simplicidade a fonte renovável e a rede da concessionária podem ser ligadas respectivamente através de um diodo. Dessa forma somente a fonte com maior nível de tensão fornece energia ao barramento CC.

Supondo que a necessidade de exportar energia para a concessionária seja condição importante para o proprietário da instalação, é necessário um conversor, que permita o fluxo de potência bidirecional, absorção senoidal e a regulação da tensão CC. O dispositivo sugerido como capaz de atender a todos esses requisitos é um conversor comutado forçado, através de transistores IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) com diodos “free-wheeling” como válvulas principais (45).

A única limitação dessa configuração é que a tensão da seção CC tem de ser suficientemente maior do que o valor de pico da tensão de entrada visando evitar a sobre-modulação do conversor.

Isso implica na utilização de valores de tensão maiores do que aqueles normalmente usados na rede de distribuição de BT, em CA, ou o uso de um transformador apropriado, interposto entre o inversor e a rede de distribuição.

O valor da tensão CC sugerido em estudos anteriores (45) como 800V pode ser muito elevado para algumas cargas e para geração distribuída de pequeno porte (por exemplo, sistemas com painéis fotovoltaicos). Uma possibilidade é criar alimentadores com uma tensão menor, que pode ser obtida com a instalação de um condutor neutro (representado pela linha tracejada na Figura 6.2).

Com essa configuração, se a soma das cargas entre um pólo e o neutro não for compatível com a soma das cargas entre o outro pólo e o neutro, as duas tensões pólo- neutro podem ter valores diferentes, dependendo do desequilíbrio e do tipo das cargas. Esta é uma situação inaceitável, pois pode prejudicar o funcionamento das cargas (tensão muito baixa para algumas e muito alta para outras) e da mesma forma pode ser nociva ao conversor de interface. Para evitar essa situação é necessária a inserção de um conversor de balanceamento, o qual distribui por igual a carga nos dois pólos. Conseqüentemente, a barra CC pode ser formada por três condutores: o pólo positivo, o negativo e o neutro, que assume as mesmas funções que o correspondente no sistema CA e pode ter uma seção transversal reduzida se a carga for suficientemente equilibrada.

Neste sistema CC, com a interposição de um inversor podem alimentar cargas CA: os valores elevados de tensão CC permitem a instalação de inversores de três pernas, sem transformador de saída, capazes de constituir um sistema trifásico com os valores de tensão de linha, se o inversor estiver conectado entre os dois pólos, conforme ilustra a figura anterior.

Com relação ao sistema de aterramento da seção CC, o seu condutor de neutro pode ser conectado ao sistema de aterramento do transformador da subestação (linha tracejada na figura 6.2) ou pode ser deixado flutuante. Essas duas soluções possuem características diferentes sob o ponto de vista da segurança.

Outras abordagens para a configuração do sistema divergem substancialmente deste modelo. A viabilidade de um sistema de distribuição CC em pequena escala residencial, não estabelece inicialmente como objetivo que o conversor de interface deve permitir o fluxo de potência bidirecional para que o excesso de potência produzida pelos geradores distribuídos (DG na Figura 6.2) seja injetado na rede pública no sistema CA (46).

Dessa forma a interface que liga a rede CA com a rede CC pode ser unidirecional. No caso de uma aplicação modesta, como a residencial, a quantidade de energia produzida é quase sempre menor que o consumo médio e por isso o fluxo de energia geralmente parte da rede para a residência, especialmente se alguma forma de armazenamento for instalada. Neste caso um conversor bidirecional, por ser mais caro pode não ser a melhor solução.

Por outro lado ainda se pode instalar um conversor CC/CA unidirecional para vender o excedente de energia para a concessionária. Dessa forma a instalação pode ser desenvolvida de maneira escalonada na medida da necessidade o que é desejável em instalações residenciais.

Neste caso os seguintes tipos de retificador devem ser considerados: a ponte de diodos, o retificador controlado e o retificador com correção de fator de potência (PFC). Tecnicamente um retificador trifásico com correção de fator de potência é a melhor escolha, que via de regra não está ao alcance das instalações residenciais. Ele fornece uma tensão contínua controlável, com reduzida distorção harmônica de tensão e melhor fator de potência na interface da concessionária. As duas últimas características são particularmente importantes devido a enorme escala no processo de retificação devido ao grande número de consumidores (residências).

O nível de tensão pode ser determinado em função dos equipamentos a serem alimentados pela rede, por exemplo, as lâmpadas fluorescentes compactas de 110VCA operam com uma tensão de aproximadamente 155VCC. Existem televisores que operam com uma tensão de entrada de 300VCC, mesmo que alimentados por uma rede de 110VCA, pois utilizam circuitos dobradores de tensão. Para saber qual a configuração mais adequada é necessário um estudo de compatibilidade dos equipamentos atuais visando adapta-los a uma rede que opere em corrente contínua.

Quatro níveis de tensão se destacam: 20V, 110V, 155V e 310V. O primeiro nível é compatível com os equipamentos que operam com baixa tensão que geralmente são alimentados por pequenas fontes DC. O segundo nível corresponde ao valor eficaz da tensão da rede CA e pode ser utilizado para os equipamentos resistivos. O nível corresponde ao valor de pico da rede CA, adequados para alimentar certos equipamentos eletrônicos. O quarto nível corresponde ao dobro do valor de pico da rede CA, pois existem equipamentos que utilizam dobradores de tensão.

A tensão do barramento principal, todavia deve ser definida como um valor fixo maior que a utilizada pelos equipamentos. Isso é feito para permitir a utilização de retificadores PFC (Power Factor Correction) do tipo “boost” cuja tensão de saída é normalmente maior que na entrada. O nível de tensão depende do estudo do retificador PFC utilizado, porém se encontra na literatura o valor de 600V (46).

Conversores DC/DC associados à topologia do circuito podem tornar compatível a tensão do barramento principal com a tensão das unidades de saída e de entrada.

O uso de baterias geralmente não é recomendável, devido ao custo de aquisição e operação, porém o uso de veículos elétricos pode viabilizar essa escolha.

A absorção das flutuações da rede (SAG, SWELL), neste caso, deve ser obtida empregando-se capacitores, porém a estabilidade da tensão deve ser assegurada por um regulador adequado que é vinculado ao sistema de controle.

Por outro lado um sistema operado com bateria pode ser viável se os indicadores de qualidade de energia (DEC, FEC, DIC, FIC) forem muito desfavoráveis.

Por essas considerações preliminares se entende que o estudo da topologia da rede CC é influenciado pela tecnologia disponível, a qualidade da energia recebida pelo consumidor associado ao custo de aquisição e manutenção dos sistemas e equipamentos. A tecnologia disponível envolve os equipamentos utilizados nas instalações e sua relação com a rede levando ao estudo das características mais importantes para avaliação dos potenciais envolvidos.