Simulação Computacional

Para a simulação computacional é utilizado o módulo de cálculo de fluxo de car- ga do programa OpenDSS, aplicado à rede da Figura 3.4, na qual é conectado um VE com carregador bifásico (220 V) entre as fases A-B da barra 22. Os limites das tensões nodais foram retirados do Módulo 8 do PRODIST [72], para níveis de tensão inferiores a 1 kV, sendo a faixa de 0,92 até 1,05 pu.

4.1.2.1 Caso base

Neste caso, o estudo consiste em incrementar gradualmente a potência consumi- da pelo carregador conectado à barra 22, até que o limite inferior de tensão (0,92 pu) seja violado em alguma barra do sistema. Após realizar a simulação, o comportamento obtido da magnitude das tensões na barra 22 é apresentado na Figura 4.2, sendo que a potência máxima consumida por este carregador sem a ocorrência de violações é mos- trada na Tabela 4.1.

Tabela 4.1 - Potência máxima consumida da rede pelo carregador bifásico

Barra de conexão do carregador

Potência máxima consumida pelo car- regador do VE [kW]

Percentual da po- tência em relação à

carga total [%]

Percentual da potên- cia em relação à po-

tência nominal do transformador [%]

22 6,5 15,1 8,7

Pela Figura 4.2, nota-se que as tensões das fases A e B (em relação ao neutro) decrescem continuamente com o aumento da potência do carregador, sendo as limitan- tes da quantidade de potência ativa que pode ser consumida por um VE conectado na barra 22. Também foi possível observar que a queda do nível de tensão em uma barra possui comportamento quase linear com a potência consumida [80].

Por outro lado, o nível de tensão na fase C aumenta, embora o crescimento seja menor que a taxa de queda de tensão observada nas fases A e B. Esta variação ocorre pelo acoplamento mútuo entre os condutores da rede, o qual se torna mais significativo com o aumento no fluxo de correntes nas fases A e B, para a recarga do VE. Como a corrente mútua induzida na fase C subtrai-se fasorialmente da corrente de carga desta mesma fase, a corrente total fluindo pela fase C diminui provocando um aumento do perfil de tensão nesta fase.

Este resultado mostra que a preocupação não é somente com a queda de tensão, mas também com o aumento da tensão nas fases em que o carregamento é menor. Cabe destacar que uma distribuição mais igualitária dos VEs entre as fases permite que tanto a redução quanto o aumento da tensão sejam menos acentuados, considerando que os VEs tenham o mesmo consumo.

4.1.2.2 Estudos de sensibilidade

Nos estudos também é importante identificar os fatores que mais contribuem com o impacto na rede elétrica. Por isto será avaliado o comportamento da queda de tensão, em regime permanente, para os seguintes casos:

 Três níveis de carregamento do sistema: normal, carga leve (madrugada) e carga pesada (horário de pico);

 Distância elétrica do VE em relação ao transformador de interconexão entre as redes primária e secundária;

 Recarga bifásica versus monofásica;

Não é realizado um estudo de sensibilidade variando o Fator de Potência, pois os carregadores de veículos elétricos utilizados comercialmente operam com fator de po- tência unitário.

1.1.1.1.1 Nível de carregamento do sistema

A equação (4.6) mostra que a variação de tensão na barra de conexão depende do nível de carregamento da rede. Portanto, quanto menor a demanda, menor a queda de tensão até o ponto de conexão em relação à subestação, ou seja, maior é o limite de con- sumo de potência naquela barra até que ocorra violação do limite de tensão em RP.

Para melhor visualizar o impacto da variação da demanda no perfil de tensão de uma rede elétrica de distribuição, foi verificado o impacto da conexão de um VE de 3,5 kW, bifásico, entre as fases A-B da barra 22 do sistema da Figura 4.2, considerando- se três níveis de demanda: normal, leve (50 % da normal) e demanda pesada (150 % da normal). A Figura 4.3 apresenta os resultados.

Pela Figura 4.3, nota-se que há queda de tensão em todos os três casos. Entretan- to, quanto maior a demanda da rede, mais crítico será o impacto provocado pelo VE e, quanto menor a demanda, uma maior potência pode ser utilizada para recarregar o VE. Demonstra-se que, em relação ao perfil de tensão, a concessionária de energia deve se preocupar com o cenário de maior demanda da rede que será avaliada.

Os resultados obtidos reforçam a importância de evitar a conexão de VEs no ho- rário de pico da rede (em torno de 18h - 21h), já que neste período há maior probabili- dade de violação da magnitude de tensão em na rede. Este fato indica a importância de criar políticas de incentivo para a conexão de VEs fora do horário de pico.

1.1.1.1.2 Distância elétrica em relação à subestação

Outra variável que pode impactar nos limites da penetração de VEs em redes de distribuição, é a distância elétrica entre o transformador abaixador da rede e o ponto de conexão do VE, conforme a representação dos valores de R e X na equação (4.6). Este parâmetro é também associado ao nível de curto-circuito da barra.

(a) demanda leve (b) demanda normal

(c) demanda pesada

Figura 4.3 - Perfis de tensão para diferentes níveis de demanda da rede

Quanto menor a distância entre uma determinada barra e a subestação, menor é a impedância no caminho e maior é seu nível de curto-circuito e, consequentemente, me- nor a variação de tensão provocada por uma carga (no caso o VE).

Para esta análise foram realizadas simulações, variando o ponto de conexão de um VE bifásico de 3,5 kW na rede, a saber: final (entre fases A-B da barra 17), meio (entre fases A-B da barra 8) e início (entre fases A-B da barra 4) do ramal principal. Os resultados são apresentados na Figura 4.4.

Nota-se que a maior queda de tensão proveniente da conexão do VE ocorre quando o mesmo é conectado à barra 17, por ser esta a barra com menor nível de curto- circuito da rede. Observa-se também que a recarga na barra 4 provoca um impacto me- nor em relação à recarga na barra 8, por estar mais próxima da subestação.

Figura 4.4 - Perfis de tensão para diferentes pontos de conexão do veículo elétrico

Portanto, considerando-se a queda de tensão em regime permanente, os estudos da concessionária devem dedicar maior atenção às conexões em barras com menor nível de curto-circuito.

1.1.1.1.3 Recarga bifásica versus monofásica

Como mencionado no Capítulo 2, carregadores residenciais de veículos elétricos podem ser conectados entre fase e neutro ou entre duas fases. Portanto, é esperado que ambas conexões ocorram simultaneamente em uma rede com mais de um VE. Assim, a fim de distinguir a intensidade dos impactos provocados pelos dois tipos de conexão, foi conduzida uma análise comparando a conexão de um carregador monofásico e um bifá- sico na barra 22. A Tabela 4.2 e a Figura 4.5 apresentam os resultados desta análise.

Tabela 4.2 - Potência máxima consumida da rede para conexão monofásica ou bifásica

Forma de co- nexão do car- regador Potência máxima consumida pelo carregador do VE [kW] Percentual da potência em re- lação à carga total [%] Percentual da potên- cia em relação à po-

tência nominal do transformador [%]

Monofásico 0,9 2,09 1,20

(a) (b)

Figura 4.5 - Redução no nível de tensão da barra 22 para um VE monofásico (fig. a) e bifásico (fig. b)

Nota-se que o limite da potência bifásica máxima é cerca de seis vezes superior ao obtido para o caso monofásico. Os resultados mostram que a recarga bifásica causa menor impacto no nível de tensão em relação à monofásica. Por este motivo também é importante sempre analisar a recarga monofásica.

1.1.1.1.4 Avaliação do caso com múltiplos VEs

Para avaliar o cenário de uma conexão massiva de VEs, inicialmente são consi- derados cinco VEs, dois monofásicos (1,5 kW cada) e três bifásicos (3,5 kW cada). Es- tão dispostos na rede elétrica (Figura 4.6) da seguinte forma:

 Um carregador bifásico na fase AB da barra 4;

 Um carregador monofásico na fase C da barra 17;

 Um carregador bifásico na fase AB da barra 22;

 Um carregador monofásico na fase A da barra 28;

Figura 4.6 - Diagrama simplificado da rede secundária estudada

A Figura 4.7 apresenta o comportamento do perfil de tensão na fase A da rede

(fase com tensões mais críticas) frente a diferentes níveis de potência consumida pelo carregador. Δ Y 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 4 25 18 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 31

(a) demanda leve (b) demanda normal

(c) demanda pesada

Figura 4.7 - Perfis de tensão considerando-se a conexão de múltiplos carregadores de VE com diferentes níveis de demanda

Observa-se que com o aumento do nível de potência consumida é maior em rela- ção ao caso anterior, o perfil geral de tensão do sistema ficou mais reduzido em todas as situações, indicando o agravamento deste impacto. Assim, o limite de potência consu- mida individualmente por cada carregador é reduzido, fato comprovado com uma simu- lação adicional considerando-se demanda normal da rede, cujo resultado está apresenta- do na Tabela 4.3. O estudo foi conduzido incrementando-se simultaneamente (em pas- sos de 0,1 kW para carregadores monofásicos e 0,2 kW para bifásicos) a potência con- sumida.

Nota-se que a potência máxima individual foi reduzida de 6,5 kW para 1,0 kW (para carregadores bifásicos) e de 0,9 kW para 0,5 kW (carregadores monofásicos).

Tabela 4.3 - Potência máxima consumida por múltiplos VEs – queda de tensão em RP

Barra de conexão do carregador

Potência máxima consumida por cada VE individualmente [kW] Percentual da po- tência em relação à carga total [%] Percentual da potên- cia em relação à po-

tência nominal do transformador [%]

4, 17, 22, 28, 29 0,5 (VE monofásico) 1,16 0,67

1,0 (VE bifásico) 2,32 1,33