Gera¸c˜ ao Distribu´ıda

Investimentos em energias renov´aveis seguem uma tendˆencia de crescimento nos ´ultimos anos, propondo alternativas para os sistemas el´etricos e criando empregos ao redor do mundo. Dentre as energias renov´aveis, a fonte solar fotovoltaica (PV), a qual utiliza da irradiˆancia solar convertendo em energia el´etrica, ´e a que mais emprega funcion´arios direta ou indiretamente, sendo a maior parte vagas situadas na China, pa´ıs que demonstra um grande interesse em fontes renov´aveis (REN21, 2019).

No Brasil, o acr´escimo de pain´eis PV representou cerca de 1,2 GW no ano de 2018, com destaque para o montante de energia de 390 MW destinado para o setor de gera¸c˜ao descentralizada (SOLARPOWER EUROPE, 2019). Assim sendo, o ramo de ener- gias renov´aveis ainda ´e liderado pela fonte PV em raz˜ao de motiva¸c˜oes socioeconˆomicas, ambientais e t´ecnicas, encorajando o uso dessa tecnologia principalmente para gera¸c˜ao descentralizada para os pr´oximos anos (EPE, 2018).

As principais motiva¸c˜oes para a utiliza¸c˜ao de unidades PV como DG s˜ao o r´apido desenvolvimento da tecnologia das c´elulas, a redu¸c˜ao de pre¸co constante dos m´odulos e o avan¸co dos dispositivos de eletrˆonica de potˆencia, al´em da dependˆencia f´ısica de loca¸c˜ao ser menor que outras fontes energ´eticas (BLAABJERG et al., 2017). O r´apido crescimento de sistemas PV pode ser visualizado em pa´ıses como a Alemanha, em que grande por¸c˜ao de sua matriz energ´etica ´e composta por essa fonte. A acentuada presen¸ca de DG na forma de fontes renov´aveis, como e´olica e solar, proporcionam benef´ıcios ao meio ambiente. Entretanto, seu comportamento de gera¸c˜ao vari´avel e estoc´astico devido `

as intermitˆencias provocadas pelas condi¸c˜oes clim´aticas inconstantes, por exemplo, podem trazer instabilidades ao sistema (LASSETER, 2011; BLAABJERG et al., 2017).

Sistemas com DG de pequeno porte, situados pr´oximos `as unidades de con- sumo, vˆem ganhando espa¸co diante dos sistemas convencionais de grande porte, os quais geralmente encontram-se distantes das cargas consumidoras. Em consequˆencia da loca- liza¸c˜ao das pequenas DG ´e poss´ıvel obter aumento na qualidade de energia e confiabili- dade, demonstrando a redu¸c˜ao do percentual das gera¸c˜oes convencionais a longo prazo (LASSETER, 2011; HAN et al., 2017; BLAABJERG et al., 2017; HATZIARGYRIOU et al., 2007).

As unidades geradoras para microrredes podem ser divididas em microgera¸c˜ao e minigera¸c˜ao, categorizadas conforme o n´ıvel de potˆencia instalada fornecida pelas cen- trais geradoras. Em microgera¸c˜ao, as unidades com base em energia hidr´aulica, solar,

e´olica, biomassa ou cogera¸c˜ao devem fornecer at´e 75 kW de potˆencia instalada; j´a a mini- gera¸c˜ao caracteriza-se pelas fontes entre 75 kW e 5 MW de potˆencia instalada (COPEL, 2018b). Esta ´e uma importante aplica¸c˜ao de microrredes visto que as unidades gerado- ras de pequeno porte vˆem se tornando mais acess´ıveis em decorrˆencia de incentivos e redu¸c˜ao de pre¸cos dos componentes, crescendo a quantidade da capacidade instalada em residˆencias e com´ercios.

A implanta¸c˜ao de unidades geradoras em instala¸c˜oes deve respeitar a norma NTC 905200 (COPEL, 2018b), a qual determina que a potˆencia de fornecimento deve ser equivalente ou menor que a capacidade instalada da unidade consumidora. Entretanto, para per´ıodos em que a gera¸c˜ao instantˆanea superar a demanda instantˆanea, caracteri- zando inje¸c˜ao de potˆencia no sistema por meio do excedente de gera¸c˜ao, as concession´arias apresentam remunera¸c˜ao em forma de cr´editos para a energia injetada, por enquanto sem remunera¸c˜ao financeira.

Apesar das microrredes trazerem v´arios benef´ıcios, quando comparadas ao sistema tradicional, a grande quantidade de unidades de DG traz desafios de controle e gerenciamento envolvendo a integra¸c˜ao desses elementos (HAN et al., 2017; HATZIARGY- RIOU et al., 2007). Dessa forma, muitas pesquisas vˆem sendo realizadas mundialmente nos ´ultimos anos para estudar a influˆencia das microrredes no sistema el´etrico e buscar solu¸c˜oes para os desafios que surgem (HATZIARGYRIOU et al., 2007).

Com a capacidade instalada de PV no Brasil alcan¸cando 25 GW em 2027, os efeitos positivos e negativos provocados pela gera¸c˜ao renov´avel ficar˜ao mais evidentes no cen´ario nacional. Um dos principais efeitos observados em sistemas com grande quan- tidade de fontes renov´aveis PV s˜ao as intermitˆencias provocadas pela variabilidade de irradiˆancia e temperatura. Na Figura 6 podem ser visualizados os perfis de irradiˆancia, em condi¸c˜oes atmosf´ericas diferentes.

O modelo de c´eu limpo, denominado em inglˆes como clear sky model, ´e bastante utilizado em diversos trabalhos para o procedimento de previs˜ao de irradia¸c˜ao, a partir desse modelo obt´em-se o maior potencial de gera¸c˜ao PV poss´ıvel para o dia especificado. Entretanto, a curva caracter´ıstica t´ıpica para dias ensolarados reflete o aspecto mais realista de comportamento PV, a passagem de nuvens pelos pain´eis provoca redu¸c˜oes dr´asticas na gera¸c˜ao formando o perfil intermitente t´ıpico dessa fonte renov´avel. Durante dias nublados a alta incidˆencia de nuvens reduz a produ¸c˜ao energ´etica significativamente, retratado pela terceira curva da Figura 6. Nota-se que qualquer sentido de varia¸c˜ao na

00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 00:00 Horário (h) 0 500 1000 1500 Limpo Ensolarado Nublado

Figura 6: Perfis de irradiˆancia PV para trˆes cen´arios: proje¸c˜ao de perfil para um dia sem nuvens, para um dia ensolarado com nuvens e dia nublado.

irradiˆancia, aumento ou redu¸c˜ao repentina,pode acarretar em problemas para o sistema. Na Figura 7 s˜ao apresentadas o n´umero de ocorrˆencias de intermitˆencia dentro da janela de tempo de 10 segundos considerada na an´alise ao longo de 10 meses de medi¸c˜ao. A planta PV ´e localizada na Austr´alia com uma potˆencia instalada de 196 kW, nos dados ficam indicadas separadamente as varia¸c˜oes negativas e positivas de potˆencia.

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 Porcentagem (%) 0 6 12 18 24 30 Número de ocorrências Variação negativa Variação positiva

Figura 7: Quantidade de varia¸c˜oes positiva e negativa de potˆencia PV durante 10 segundos de an´alise destacando a porcentagem de varia¸c˜ao com base na potˆencia instalada 196 kW.

Fonte: Adaptado de Sayeef et al. (2012)

Observa-se que, considerando os 10 meses de medi¸c˜ao, foram poucas as o- corrˆencias de intermitˆencia dentro da janela de tempo analisada, entretanto verificou-se grandes altera¸c˜oes na potˆencia dos pain´eis PV, sendo que transi¸c˜oes negativas acontecem de forma mais frequente. Para instala¸c˜oes com maior capacidade de gera¸c˜ao instalada, grandes altera¸c˜oes na potˆencia s˜ao menos observadas em compara¸c˜oes com pequenas instala¸c˜oes de PV, muito relacionado com a ´area de cobertura exercida pelas nuvens (SAYEEF et al., 2012).

e m´odulos, atualmente em torno de 17 % e 20 %. Entretanto, a intensiva pesquisa tem levado a evolu¸c˜ao da eficiˆencia dos componentes PV nos ´ultimos anos, obtendo ganhos significativos em prot´otipos de laborat´orio em ambiente controlado, tanto das c´elulas alcan¸cando 40 % quanto dos m´odulos PV atingindo 47 %, para sistemas conceituais e n˜ao comerciais (NREL, 2019a; NREL, 2019b).

Os conversores e inversores que realizam a conex˜ao entre os pain´eis e a mi- crorrede constantemente vˆem sendo foco de estudos com o intuito de melhorar sua ope- rabilidade. Empresas vˆem alcan¸cando valores consider´aveis de eficiˆencia para as etapas CC-CC e CC-CA como pode ser visualizado na Figura 8 (HUAWEI, 2016).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Potência de saída (%) 94 95 96 97 98 99 Eficiência (%)

Figura 8: Eficiˆencia total dos est´agios CC-CC e CC-CA para diversas condi¸c˜oes de potˆencia de sa´ıda.

Fonte: Adaptado de Huawei (2016)

Por meio da curva de rendimento ´e poss´ıvel notar que os valores obtidos ao longo de toda a faixa de opera¸c˜ao dos conversores ficam em torno de 98 %, permanecendo praticamente linear at´e para condi¸c˜oes de sobrecarga.

Neste trabalho foram consideradas curvas de gera¸c˜ao PV obtidas por meio de medi¸c˜oes de irradiˆancia realizadas no cˆampus da UTFPR - Pato Branco. Como foi obser- vado pela Figura 7 para instala¸c˜oes com elevada potˆencia as ocorrˆencias de intermitˆencia tˆem efeito menos significativo em compara¸c˜ao `a instala¸c˜oes menores. Al´em disso, esse trabalho busca projetar um gerenciamento que atue como n´ıvel terci´ario de controle, com foco em intervalos de tempo maiores. Dessa forma, uma amostra a cada 60 segundos possui informa¸c˜ao suficiente para o gerenciamento do processo. Em rela¸c˜ao `as etapas de convers˜ao foi considerado o rendimento total de 98 % para a transi¸c˜ao de CC para CA. Desse modo procurou-se retratar o comportamento constatado em condi¸c˜oes t´ıpicas para aproximar as simula¸c˜oes do gerenciamento de situa¸c˜oes encontradas na pr´atica.