Outra importante análise é o impacto dos veículos elétricos nos fluxos de corren- tes durante a ocorrência de curtos-circuitos monofásicos e trifásicos, visto que normal- mente ambos os casos são de grande importância para que o engenheiro da concessioná- ria determine os parâmetros a serem ajustados no sistema de proteção de sua rede.
O conhecimento destes valores é fundamental para avaliar os impactos nos sis- temas de proteção, tais como:
a) Selecionar a capacidade de interrupção dos equipamentos empregados no siste- ma de proteção;
b) Ajustar os dispositivos de proteção de forma a garantir a seletividade e a coorde- nação;
c) Garantir que os equipamentos transitoriamente expostos a essas correntes não sejam danificados.
Este estudo irá avaliar se a recarga do veículo elétrico altera a corrente de curto- circuito nas barras e ao fluxo de corrente de curto-circuito nos ramos do sistema.
6.1.1 Análise teórica
A solução do problema de cálculo das correntes de curto-circuito é geralmente realizada utilizando-se componentes simétricas, juntamente com algumas simplificações usualmente empregadas pelo fato do módulo da corrente de curto-circuito ser muito superior ao módulo das correntes que fluem em condições normais de operação. De acordo com [93],[94], essas simplificações são:
Todas as máquinas do sistema operam com tensão de magnitude 1,0 pu e ângulo zero;
As capacitâncias da linha são ignoradas;
Os bancos de capacitores e reatores são desprezados;
Os transformadores operam em derivação nominal;
As impedâncias de sequência positiva são iguais às de sequência negativa. Porém, estas simplificações podem tornar-se menos adequadas caso a rede pos- sua cargas que consomem altas potências (e.g., motores de grande porte) visto que as mesmas podem possuir corrente nominal significativa. Os veículos elétricos também podem ser considerados cargas elevadas, se comparados às demais cargas residenciais e, portanto, podem provocar alteração nas correntes de curto-circuito da rede.
A corrente consumida pelo VE depende do modo de controle de recarga. No modo corrente constante, a corrente permanece constante independente da variação na tensão. Contudo, no modo potência constante, a diminuição na tensão V provoca au- mento da corrente I, conforme a equação (6.1).
I
V
P
cte
→ V P I cte (6.1)Assim, no modo potência constante, quando ocorre um curto-circuito no sistema e as magnitudes das tensões diminuem, a corrente consumida pelo VE aumenta. No entanto, o aumento de corrente é limitado pelo circuito de controle do carregador, na maioria dos casos, a cerca de 2 vezes seu valor nominal (2,0 pu). Quantitativamente, para um carregador bifásico de 3,5 kW, a corrente nominal é de 16 A (assumindo tensão nominal de 220 V) e, por conseguinte, 2,0 pu equivale a aproximadamente 32 A. Outra característica dos carregadores modernos é a função de proteção de subtensão, que des- conecta o VE quando a tensão atinge um determinado limiar inferior, podendo assim evitar o aumento na corrente que circula no sistema durante o curto-circuito.
6.1.2 Simulação computacional
As informações pesquisadas serão utilizadas como subsídios para estudar o im- pacto de um VE nas correntes de curto-circuito da rede, via simulação computacional. Utiliza-se simulação de transitórios eletromagnéticos, no software PSCAD/EMTDC, que é capaz de modelar de forma detalhada todos os elementos da rede (linhas, gerado-
res e transformadores). Com os resultados obtidos é possível indicar o modelo mais adequado para representar um VE em estudos de curto-circuito.
Como simulações de transitórios eletromagnéticos demandam esforço computa- cional superior ao demandado por simulações de fluxo de carga e tradicionais de curto- circuito (regime permanente), a rede simplificada da Figura 6.1 é considerada. As car- gas conectadas às barras 3, 4 e 5 são modeladas como impedância constante.
Figura 6.1 - Diagrama da rede utilizada nos estudos de transitórios eletromagnéticos
Em estudos de transitórios eletromagnéticos, o conversor CA/CC presente no VE deve ser modelado de forma detalhada, incluindo a ponte retificadora controlada como mostrada na Figura 6.2. O lado CC do conversor é representado por um capacitor com capacitância elevada, visto que tipicamente esta tensão é aproximadamente cons- tante. O circuito de controle utilizado para disparar os transistores é descrito detalhada- mente em [95],[96], o qual mantém a potência consumida pelo VE constante e com fa- tor de potência unitário. O VE é conectado entre as fases A e B da barra 6.
Figura 6.2 - Circuito detalhado do conversor CA/CC utilizado para representar o VE
O 8Apêndice A apresenta a implementação da rede elétrica e do conversor, bem como seu circuito de controle, todos implementados no PSCAD/EMTDC.
Δ Y 1 2 3 4 5 6 VE Ccc T1 T2 T3 T4 Vcc + - Vca + -
Dois exemplos de simulação nesta rede são apresentados na Figura 6.3, em que, no instante t = 0,4 s, são aplicados um curto-circuito monofásico (fase A – terra) e um curto-circuito trifásico na barra 6. A potência nominal do VE é 3,5 kW. É importante observar nos resultados que a corrente que alimenta o VE apresenta pouca alteração frente à ocorrência de um curto-circuito monofásico. Já quando ocorre um curto-circuito trifásico, a corrente do VE aumenta, porém não ultrapassa duas vezes seu valor nominal - devido à limitação imposta pelo circuito de controle do VE.
(a) corrente de curto-circuito monofásico (b) corrente do VE (curto-circuito monofásico)
(c) corrente de curto-circuito trifásico (d) corrente do VE (curto-circuito trifásico)
Figura 6.3 - Exemplo de comportamento das correntes que alimentam o VE e da corrente de curto-circuito monofásico e trifásico na barra 6
A fim de simplificar a visualização e análise, será apresentado apenas o valor eficaz das correntes antes, durante e após a ocorrência de um curto-circuito.
Para avaliar o impacto do VE, são aplicados um curto-circuito monofásico (fase A-terra) e um curto-circuito trifásico na barra 6 (ponto de conexão do VE). O curto-
circuito é aplicado no instante t = 0,4 s e removido no instante t = 1,1 s, com resistência de falta de 0 Ω. Caso o curto-circuito ocorra em barras mais distantes, a queda de tensão no terminal do VE é menos acentuada e, portanto, o impacto do VE (aumento da corren- te consumida para manter consumo de potência constante) durante o evento é menor. A Figura 6.4 apresenta o valor eficaz (RMS) da corrente de curto-circuito na barra 6 con- siderando-se carregadores com potências nominais variando entre 0 e 5 kW e a Figura 6.5 apresenta o valor eficaz (RMS) da corrente do carregador.
É possível observar que, em ambos os casos, o impacto do VE é imperceptível na corrente de curto-circuito. Como já mencionado, este fato ocorre devido à corrente drenada por um VE ser limitada pelo controle eletrônico do carregador [96],[97]. Na Figura 6.5 é possível observar melhor este fenômeno, pois a corrente que alimenta o VE não ultrapassa 2 vezes seu valor nominal na ocorrência do curto-circuito trifásico.
(a) (b)
Figura 6.4 - Correntes de curto-circuito monofásico (fig. a) e trifásico (fig. b) na barra 6 para cinco potências de carregadores de VE
(a) (b)
(fig. a) e trifásico (fig. b) na barra 6
Tipicamente, o elo fusível conectado no enrolamento primário do transformador é o dispositivo de proteção que deve atuar para curtos-circuitos em sistemas de baixa tensão. Portanto, é necessário também analisar a corrente que circula por este dispositi- vo durante a ocorrência de um curto-circuito em um sistema secundário que possui VEs sendo recarregados.
Duas situações são avaliadas: (1) a ocorrência de curto-circuito na barra 2 (se- cundário do transformador de distribuição) e a ocorrência de curto-circuito na barra 6 (barra em que o VE está conectado). Os valores de corrente na entrada do transformador de distribuição (ramo 1-2) para curtos-circuitos monofásicos e trifásicos nas barras 2 e 6, não simultaneamente, considerando a presença do VE são apresentados na Tabela 6.1.
Tabela 6.1 - Corrente no primário do transformador de distribuição (fase A) durante curto- circuito em rede secundária com VE bifásico de diferentes potências
Potência do car- regador do VE
(kW)
Corrente no primário do transformador de distribuição (A) Curto-circuito na barra 2 Curto-circuito na barra 6 Monofásico Trifásico Monofásico Trifásico
0,00 (sem VE) 70,8 120,5 2,67 6,59
1,25 70,8 120,5 2,65 6,59
2,50 70,8 120,5 2,63 6,59
3,75 70,8 120,5 2,61 6,59
5,00 70,8 120,5 2,59 6,59
É possível notar a baixa influência do VE nas correntes que fluem no primário do transformador nos casos estudados. Adicionalmente, os resultados do curto-circuito na barra 6 são conservativos, pois, na prática, a proteção de subtensão do carregador do VE iria desligá-lo durante um curto-circuito em seus terminais.
6.2 TRANSITÓRIOS DE TENSÃO
A conexão de VEs também podem apresentar impactos no comportamento tran- sitório da rede, visto que os VEs podem alterar (aumentar/reduzir) as elevações e afun- damentos de tensão ocorridos. A análise do impacto dos VEs na severidade dos transitó-
rios (elevações e afundamentos) de tensão da rede foi realizada durante a ocorrência de curtos-circuitos (pior caso).
6.2.1 Análise teórica
Os transitórios de tensão ocorrem quando há alterações no estado de operação de determinada rede, tanto devido a manobras planejadas (reconfiguração de circuitos, energização de transformadores etc.) quanto devido a eventos inesperados (curtos- circuitos, cortes de carga etc.). Dentre estes, o curto-circuito é o evento mais severo que ocorre em redes de distribuição secundária.
Dois impactos importantes dos curtos-circuitos são os afundamentos e elevações nas tensões do circuito, os quais podem levar ao mau funcionamento ou danificar per- manentemente equipamentos da rede. De acordo com o PRODIST Módulo 8, os afun- damentos (sag) e elevações (swell) transitórios de tensão são definidos como:
Afundamento de tensão: queda do valor de magnitude de tensão para valores en- tre 0,1 e 0,9 pu, com duração entre 1 ciclo e 3 minutos;
Elevação de tensão: aumento do valor de magnitude de tensão para valores aci- ma de 1,1 pu, com duração entre 1 ciclo e 3 minutos.
Portanto, pode-se concluir que dois parâmetros principais caracterizam o afun- damento e a elevação de tensão: magnitude da tensão durante o evento e duração do evento. Esta alteração na tensão pode ser explicada considerando um curto-circuito fase A-terra, conforme mostrado na Figura 6.6.
Ea Rg Eb Ec N Vc Vb Va Z Z Z If
Figura 6.6 - Esquemático para demonstrar como ocorrem os afundamentos e elevações de ten- são
Nesta situação, uma alta corrente fluirá pela fase A, fazendo com que a tensão nesta fase diminua, conforme a equação (6.2).
f a
a E Z I
V (6.2)
Em uma rede de distribuição radial, os afundamentos de tensão serão diferentes em cada barra, sendo que a partir da barra em curto-circuito (em direção à jusante) o afundamento é mais severo. Entretanto, barras distantes da barra em curto-circuito (em direção à montante) serão menos impactadas, podendo até mesmo não sofrer afunda- mentos.
Outro efeito importante do curto-circuito monofásico é uma elevação de tensão nas fases adjacentes à fase com falta, que ocorre devido ao deslocamento da tensão de neutro. Este fenômeno também pode ser explicado utilizando-se, por exemplo, a fase C da Figura 6.6. Como a corrente Ic é nula, a tensão Vc é dada por:
N c
c
E
V
V
(6.3)sendo que o módulo de VNé igual a Rgx If. Esta equação pode ser analisada em função
de Rg, como segue:
Se Rg→ ∞ (neutro não aterrado), tem-se que
V
NE
a e, portanto,V
cE
cE
a, ou seja, Vc 3Ec ;
Se Rg= 0 (neutro solidamente aterrado), tem-se que VN = 0 e, portanto, Vc = Ec,
ou seja, Vc Ec ;
Se 0 < Rg< ∞, tem-se que Ec Vc 3Ec .
6.2.2 Simulação computacional
Assim como no item anterior, para análise das tensões em alguns pontos da rede durante a ocorrência de curtos-circuitos utilizou-se a ferramenta de simulação de transi- tórios eletromagnéticos PSCAD/EMTDC e a rede mostrada na Figura 6.1, com o VE conectado entre as fases A e B da barra 6.
Dois exemplos de simulação nesta rede são apresentados na Figura 6.7. No ins- tante 0,4 s, é aplicado um curto-circuito monofásico (fase A – terra) e um curto-circuito trifásico na barra 6. A potência nominal do VE utilizada na simulação foi de 3,5 kW. Observa-se que os resultados estão em conformidade com o estudo teórico. Para o cur- to-circuito monofásico na fase A ocorre afundamento na tensão desta fase e elevação na tensão das fases B e C. Já para o curto-circuito trifásico, ocorre afundamento nas ten- sões das três fases.
(a) (b)
Figura 6.7 - Exemplo de comportamento das tensões na barra 6 durante a ocorrência de um cur- to-circuito monofásico (fig. a) e trifásico (fig. b) na barra 6
Para simplificar a visualização e análise, será apresentado apenas o valor eficaz das tensões antes, durante e após a ocorrência do curto-circuito.
Primeiramente, é avaliado o impacto do VE nos afundamentos e elevações de tensão durante a ocorrência de um curto-circuito monofásico na fase A da barra 6, com resistência de aterramento de 0,1 Ω2. A potência nominal do VE conectado na barra 6 é
incrementada de 0 (sem VE) a 5 kW, em passos de 1,25 kW. Para cada valor de potên- cia, um curto-circuito monofásico é aplicado na fase A da barra 6.
2Este valor de resistência não nulo é adotado para permitir a visualização do afundamento de tensão no ponto de ocorrência do curto-circuito. Caso um valor nulo de resistência fosse adotado, a tensão na fase A da barra 6 cairia a zero e não seria possível observar seu comportamento durante o curto-circuito.
O comportamento das tensões nesta barra durante o curto-circuito é apresentado na Figura 6.8. Nota-se o afundamento de tensão na fase A e elevação de tensão nas fases B e C. Entretanto, o impacto do VE neste fenômeno é desprezível, visto que o aumento de sua potência nominal até 5,0 kW (superior à potência típica de recargas residenciais) não altera a magnitude das variações de tensão. Este comportamento era esperado, pois as correntes que fluem no circuito durante um curto-circuito apresentam pouca alteração com a presença do VE, conforme observado na análise do item anterior
(a) (b)
(c)
Figura 6.8 - Comportamento das tensões das fases A (fig. a), B (fig. b) e C (fig. C) na barra 6 para cinco carregadores de VE – curto-circuito monofásico (Fase A - terra)
Também é analisado o impacto durante a ocorrência de curto-circuito trifásico na barra 6, o qual tende a ser mais severo que o curto-circuito monofásico. O impacto no afundamento de tensão da barra 6 é mostrado na Figura 6.9. Ressalta-se que a cor- rente de curto-circuito trifásico é cerca de 50% maior que a do monofásico, e o afunda- mento de tensão ocorre simultaneamente nas três fases.
Novamente, observa-se o baixo impacto da conexão do VE na magnitude do afundamento de tensão, visto que os fluxos de corrente no circuito durante o curto- circuito não são alterados com o aumento da potência nominal do VE.
(a) (b)
(c)
Figura 6.9 - Comportamento das tensões da fase A (fig. a), fase B (fig. b) e fase C (fig. C) na barra 6 para cinco carregadores de VE – curto-circuito trifásico
Não há necessidade de realizar os estudos de sensibilidade visto que o impacto dos VEs é desprezível nos afundamentos/elevações de tensão durante curtos-circuitos.
6.3 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS
A partir dos estudos realizados da contribuição dos VEs durante curto-circuito na rede elétrica, é possível concluir que:
A conexão de VEs não influencia consideravelmente os valores de corrente de curto-circuito em redes secundárias e, portanto, é improvável que impacte na coordenação de proteção entre fusíveis, religadores e outros dispositivos;
Os VEs podem ser modelados como uma carga tradicional da rede elétrica em estudos de curto-circuito, ou seja, os engenheiros da concessionária não preci- sam alterar seus protocolos de estudo de proteção de redes;
Os VEs não influenciam a severidade dos afundamentos e elevações de tensão ocorridas na rede, durante a ocorrência de curtos-circuitos;
Os impactos não são significativos, pois a corrente que flui pelo carregador du- rante quedas de tensão é limitada por seu circuito de controle interno. Adicio- nalmente, o circuito de controle do carregador do VE possui proteção de subten- são.
7 CONCLUSÕES
É de suma importância que a concessionária de energia elétrica identifique e avalie os principais impactos que podem ocorrer em um cenário de penetração massiva de VEs. Por este motivo, este mestrado tem como objetivo estudar, identificar e avaliar quais são estes potenciais impactos.
Antes de avaliar os impactos, a primeira parte do estudo apresenta a situação tecnológica dos veículos elétricos mundialmente, destacando os seguintes pontos:
Há diferentes padrões e características de recarga de VE. As potências consumi- das da rede elétrica podem variar de 3,7 até 55 kW;
O grande gargalo tecnológico do VE é a bateria (custo e densidade de energia), sendo a tecnologia de lítio-íon, com suas diferentes composições, dominante nos veículos puramente elétricos comerciais;
Apesar da quantidade de VEs ser baixa, o crescimento nos últimos anos tem sido significativo.
Em relação aos impactos provocados pelos VEs, simulações computacionais, juntamente com estudos teóricos, mostram que os principais impactos técnicos da cone- xão de VEs em redes secundárias, em ordem do mais restritivo para o menos, são:
Nível de tensão em regime permanente nas barras;
Desequilíbrio de tensão em regime permanente nas barras;
Nível de carregamento de condutores e transformadores.
Os impactos no nível e desequilíbrio de tensão são quase similares na potência limitante do VE, entretanto o nível de tensão foi classificado como principal impacto, pois se mostrou mais restritivo no cenário com conexão de múltiplos VEs (cenário mais realista). Ressalta-se que o limite de desequilíbrio considerado nos estudos (2,0%) é um limite conservativo, visto que não existe um limite estabelecido para este parâmetro no PRODIST. As perdas elétricas não estão incluídas como impacto restritivo, devido ao fato de não ser limitação técnica, mas sim econômica.
Os estudos mostraram que a recarga de VEs pode elevar o nível de distorção harmônica da tensão e corrente na rede elétrica. Porém, esta elevação não é significati-
va, pelo fato de os níveis de distorção harmônicas dos carregadores serem baixos. Foi identificado também que quanto maior o nível de curto-circuito da barra de acesso, me- nor a influência na distorção harmônica da rede.
Os estudos da influência dos VEs durante um curto-circuito apontaram que as concessionárias de energia não devem se preocupar com esta nova carga na rede, pois a influência é insignificante frente às correntes de curto-circuito.