análises dos impactos do sistema fotovoltaico na rede.
4.6.1 Anarede
O Programa de Análise de Redes, ou Anarede, é uma ferramenta de simulação desenvolvida pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL). Este programa é o mais utilizado no Brasil na área de Sistemas Elétricos de Potência, como por empresas concessionárias que operam redes de transmissão e distribuição, universidades, e também pelo Operador Nacional do Sistema (ONS) e pela ANEEL (CEPEL, 2009).
O Anarede é capaz de efetuar simulações de fluxo de potência em sistemas equilibrados utilizando diferentes métodos, além de equivalentes de redes, análises de sensibilidade de tensão e de fluxo, análises estáticas de segurança de tensão, fluxo de potência continuado, dentre outras. Nesta ferramenta, o fluxo de carga é calculado para através do diagrama unifilar em p.u., e os resultados obtidos são trifásicos. Isto pode ser realizado utilizando-se duas interfaces.
A primeira interface define através de linhas de comando no ambiente MS-DOS os dados de entrada, como por exemplo, dados das linhas, tipos de barra, cargas e geradores, assim como os dados de saída requeridos, como módulo e
ângulo de tensões em cada barra e o fluxo de potência ativa e reativa de uma barra à outra.
Já a segunda interface é gráfica e definida pelo diagrama unifilar da rede, sendo possível obter relatórios com os resultados e também visualizá-los no próprio diagrama. Esta interface é apresentada na Figura 4.4.
Recentemente as análises QSTS vêm sendo introduzidas em muitas ferramentas de simulação. Neste trabalho as análises QSTS são realizadas com o auxílio do programa Open Distribution System Simulator (OpenDSS), uma ferramenta de simulação de sistemas de distribuição de energia elétrica desenvolvido pelo Electric Power Research Institute (EPRI). Este software livre permite todos os tipos de análise estática, comumente realizadas, para sistemas de distribuição. Algumas de suas aplicações são descritas abaixo, sendo que a principal vantagem é poder realizar estudos de interconexão de geração distribuída a sistemas de distribuição com a consideração de variações de carga e geração ao longo do tempo (EPRI, 2013).
Planejamento e análise de sistemas de distribuição; Análises de circuitos CA com uma ou mais fases; Análises harmônicas e inter-harmônicas;
Simulações anuais de carga e geração;
Simulação de sistemas eólicos e fotovoltaicos; Avaliação de perdas de um sistema com cargas
desequilibradas.
O Anarede é então o programa selecionado para realizar as análises estáticas.
Fonte: Anarede, 2009.
OpenDSS
Recentemente as análises QSTS vêm sendo introduzidas em muitas ferramentas de simulação. Neste trabalho as análises QSTS são realizadas com o auxílio do programa Open Distribution System Simulator (OpenDSS), uma ferramenta de simulação de sistemas de distribuição de energia elétrica desenvolvido pelo Electric Power Research Institute (EPRI). Este software livre permite todos os tipos de análise estática, comumente realizadas, para sistemas de distribuição. Algumas de suas aplicações são descritas abaixo, sendo que a principal vantagem é poder realizar estudos de interconexão de geração distribuída a sistemas de distribuição com a consideração de variações de carga e geração ao longo do tempo (EPRI, 2013).
Planejamento e análise de sistemas de distribuição; Análises de circuitos CA com uma ou mais fases; Análises harmônicas e inter-harmônicas;
Simulações anuais de carga e geração;
Simulação de sistemas eólicos e fotovoltaicos; Avaliação de perdas de um sistema com cargas
4.6.2 OpenDSS
Recentemente as análises QSTS vêm sendo introduzidas em muitas ferramentas de simulação. Neste trabalho as análises QSTS são realizadas com o auxílio do programa Open Distribution System Simulator (OpenDSS), uma ferramenta de simulação de sistemas de distribuição de energia elétrica desenvolvido pelo Electric Power Research Institute (EPRI). Este software livre permite todos os tipos de análise estática, comumente realizadas, para sistemas de distribuição. Algumas de suas aplicações são descritas abaixo, sendo que a principal vantagem é poder realizar estudos de interconexão de geração distribuída a sistemas de distribuição com a consideração de variações de carga e geração ao longo do tempo (EPRI, 2013).
Planejamento e análise de sistemas de distribuição; Análises de circuitos CA com uma ou mais fases; Análises harmônicas e inter-harmônicas;
Simulações anuais de carga e geração;
Simulação de sistemas eólicos e fotovoltaicos; Avaliação de perdas de um sistema com cargas
A definição dos circuitos no OpenDSS e a obtenção dos dados de saída requeridos é feita através linhas de comando no programa. Estas são também utilizadas para controlar os circuitos, como, por exemplo, uma falta ocorrendo em uma linha, assim como alguns controles, como o chaveamento e abertura de bancos de capacitores, TRs e LTCs, armazenamento, controle volt-var, controle de relés e seccionadoras.
De acordo com EPRI, 2013, existem basicamente dois tipos de solução do fluxo de potência possíveis no OpenDSS, sendo estes o método iterativo e o método direto.
No modo de solução direto, as cargas e geradores incluem admitâncias na matriz admitância do sistema, que é então resolvida diretamente sem iterações. No modo iterativo, cargas e geradores distribuídos são tratados como fontes injetoras, sendo que são dois os algoritmos empregados, o método de Newton e modo normal de injeção de corrente.
O modo normal é geralmente mais rápido, entretanto para circuitos mais difíceis de serem solucionados, recomenda- se o método de Newton, que é mais robusto. O modo normal é um simples método do ponto fixo, e funciona bem para a maioria dos sistemas de distribuição. As matrizes de admitâncias primitivas Y são alimentadas em um algoritmo que considera técnicas de esparsidade na ordenação dos elementos, o que constrói a matriz Y do sistema. A solução do fluxo de potência sem carga é utilizada para se chegar a uma estimativa inicial para as tensões. Isto é conseguido com a desconexão dos elementos shunt e mantendo os elementos série, o que é feito para manter todos os ângulos de fase e magnitudes de tensão em um relacionamento adequado. O ciclo de iteração é iniciado através da obtenção das injeções de corrente de todos os elementos de conversão de energia, e introduzindo-os em um vetor linha. O conjunto esparso de matrizes é resolvido até que as tensões convergem para a tolerância especificada. Este é o melhor método para utilizar em simulações que envolvam um
grande período de tempo, devido à sua velocidade para encontrar a solução. Este método iterativo simples converge bem para a maioria dos sistemas de distribuição que têm uma capacidade adequada para atender às cargas. Ao menos que haja grande mudança nas condições de carga de um instante atual em relação ao instante anterior, a solução do fluxo de potência do instante atual converge tipicamente em duas iterações: uma para encontrar a solução e outra para garantir que ela convergiu.
4.6.2.1 Modelo do sistema fotovoltaico no OpenDSS
No OpenDSS, o modelo de um sistema fotovoltaico é composto por um arranjo fotovoltaico e por um inversor para conexão à rede elétrica.
A seguir, são apresentadas as duas equações que compõem este modelo, sendo uma referente à potência de saída do arranjo fotovoltaico e outra à potência de saída do inversor, e assim, do sistema fotovoltaico.
A potência de saída do arranjo fotovoltaico, PFV, em
kW, é uma função dos seguintes parâmetros:
Irradiância solar Ppu, em pu, sendo que o valor de
base é um parâmetro que deve ser definido na simulação;
Máxima potência fornecida pelo painel nas STC,
Pmp, em kW;
Fator da potência máxima, Pmppu, em pu.
Este último dado deve ser obtido através da definição da curva mostrada anteriormente na Figura 2.10, e corresponde à potência máxima fornecida pelo arranjo fotovoltaico, em pu, para uma dada temperatura de trabalho da célula (temperatura real de operação). A potência de saída do arranjo fotovoltaico é então obtida pela equação (4.21).
Já a potência de saída do inversor Pinversor, e também do sistema fotovoltaico, é dada pela multiplicação da potência de saída do arranjo fotovoltaico, obtida em (4.21), pelo rendimento do inversor, em pu. O valor do rendimento é obtido através da curva de rendimento versus potência do inversor, mostrada na Figura 2.13. A potência de saída do inversor é mostrada na equação (4.22). O modelo assume que o inversor sempre opera em seu PMP, isto é, ele é capaz de rastrear o PMP do painel rapidamente.
= × (4.22)
Em simulações que consideram variações ao longo do tempo, como por exemplo, diárias ou anuais, a curva de irradiância e/ou temperatura deve ser também definida.
A Figura 4.5 apresenta o esquemático do modelo utilizado para simular um sistema fotovoltaico.
Figura 4.5 - Modelo de um sistema fotovoltaico no OpenDSS.
Fonte: Produção do próprio autor. Adaptado de EPRI, 2013.
Como citado anteriormente, este modelo é formado por um arranjo fotovoltaico e por um inversor para conexão à rede, sendo bastante eficiente em estudos de interconexão que possuam passo de simulação maior do que 1 segundo. Além
das curvas de rendimento, do fator da potência máxima versus temperatura de operação, e da irradiância e temperatura, outros dados de entrada são requeridos neste modelo, como:
A tensão de linha no lado AC do inversor, em kV; A potência aparente nominal do inversor, em kVA; Fator de potência, FP.
A definição de um fator de potência diferente do unitário faz com que o inversor absorva ou forneça potência reativa nos instantes em que há geração fotovoltaica, também dependente do valor da sua potência aparente nominal. A definição do fator de potência unitário, um dos casos analisados neste trabalho, faz com que o inversor forneça apenas potência ativa à rede.
4.6.2.2 OpenDSS e a função AutoAdd.
A ferramenta de simulação OpenDSS dispõe de um comando chamado de AutoAdd, em que a alocação da geração distribuída ou de bancos de capacitores pode ser feita automaticamente na rede ou em uma área específica dela que pode ser selecionada, necessitando-se apenas definir a potência total dos geradores ou a potência reativa total dos bancos de capacitores, e o número de elementos que se deseja inserir.
O programa verifica em que barra a minimização das perdas é alcançada para realizar a alocação da geração ou do banco de capacitores automaticamente, e então apresenta o resultado mostrado na Figura 4.6, em que a ligação à barra ótima é indicada pelo nome da barra e pelo ponto em amarelo. No entanto, esta função é uma ótima opção para ser utilizada em simulações no modo estático apenas, ou seja, considerando- se uma condição de carga e de geração. Assim, neste trabalho opta-se por realizar a alocação ótima da geração fotovoltaica pelo método apresentado na Seção 4.5, e não automaticamente pela função AutoAdd.
Figura 4.6 - Alocação de geração/capacitor utilizando a função AutoAdd do OpenDSS.
Fonte: Produção do próprio autor.
4.6.3 RADIASOL 2
As simulações envolvendo sistemas fotovoltaicos requerem dados meteorológicos como temperatura e irradiância solar. Para adquirir as curvas diárias de irradiância solar é utilizado o programa RADIASOL 2, sendo sua interface mostrada na Figura 4.7.
Este programa foi desenvolvido pelo Laboratório de Energia Solar - LABSOL da UFRGS e estima, a partir do banco de dados incorporado a ele, dados horários de irradiância solar de uma determinada região brasileira, proporcionando ao usuário planilhas com os dados de irradiância, para que estes possam ser utilizados como dados de entrada em outras ferramentas de simulação (UFRGS, 2010).
Figura 4.7 - Interface de Utilização do Programa RADIASOL 2
Fonte: RADIASOL 2.
Ao RADIASOL 2 estão incorporados dados do Atlas Solarimétrico e do projeto SWERA, sendo possível também utilizar ferramentas de interpolação ou busca de dados da Atlas Brasileiro de Energia Solar selecionando a região no mapa. Para tanto, é necessária a entrada das informações de desvio azimutal, inclinação dos módulos em relação ao plano do solo e albedo local (razão entre a irradiância refletida e a incidente na terra). A Tabela 4 apresenta a informação dos valores de albedo para diferentes tipos de superfície de incidência do Sol. Neste estudo, tais dados são fornecidos na Tabela 6.
Tabela 4 – Valores Típicos de Albedo.
Tipo de Superfície Albedo Solo comum – terra marrom seca 0,2
Terra preta seca 0,13 Terra preta úmida 0,08
Grama 0,15 – 0,30 Asfalto novo 0,09 Areia branca 0,6 Areia molhada 0,09
Neve fresca 0,8 Terra de barro (vermelha) 0,33 Telha de cimento-amianto nova 0,39 Telha de cimento amianto velha 0,25 Tijolo vermelho 0,32 Tinta branca 0,8
Fonte: Produção do próprio autor, adaptado de Iqbal, 1983, apud Paiva, 2013.
5 ANÁLISES E SIMULAÇÕES 5.1 INTRODUÇÃO
Os desafios ao se realizar estudos de interligação de geração distribuída à rede elétrica são muitos, uma vez que cada rede possui topologias e cenários de operação distintos e cada caso deve então ser avaliado individualmente. Porém, apesar de cada caso ser único, estudos de interligação são importantes para prever-se que tipos de impactos podem surgir com a conexão.
Neste estudo, selecionaram-se duas redes testes para análises de interligação, sendo que estas redes apresentam características de sistemas de distribuição trifásicos de média tensão reais. Estes estudos servem como base para análises que devem ser realizadas ao efetuar-se a interligação de sistemas fotovoltaicos à rede.
São efetuadas análises dos impactos da interligação de sistemas fotovoltaicos no perfil de tensão da rede, estudos de alocação ótima do sistema fotovoltaico na rede elétrica através da minimização das perdas do sistema e de interação com o LTC e TR.