SISTEMAS HÍBRIDOS EÓLICO-DIESEL

O uso da energia eólica em conjunto com geradores a diesel em sistemas autônomos normalmente reduz os custos de geração, principalmente pela economia de combustível. Fatores ambientais também colaboram para que a geração eólica se torne atrativa. Os sistemas baseados em geração eólica e geração a diesel são chamados de sistemas híbridos eólico-diesel (WDHS, do inglês, Wind-Diesel Hybrid System) (HARUNI et al., 2009).

Os WDHSs são classificados como sistemas de baixa inserção de geração eólica quando a relação entre a energia eólica produzida anualmente e o consumo anual de energia elétrica é menor que 20%, e média inserção quando esta relação fica entre 20% e 50% (SEBASTIÁN e ALZOLA, 2011). A alta inserção é determinada pela capacidade do sistema de poder desligar os geradores a diesel em condições de elevada disponibilidade de vento (SEBASTIÁN e ALZOLA, 2011). É importante mencionar também que geradores síncronos baseados em biocombustíveis também são tipicamente utilizados em microrredes, substituindo em muitos casos os geradores a diesel.

A operação de sistemas eólico-diesel com alta inserção de geração eólica pode ser realizada em três modos:

 Somente diesel (DO, do inglês, Diesel Only);  Vento e diesel (WD, do inglês, Wind Diesel);  Somente vento (WO, do inglês, Wind Only).

No modo DO, somente os geradores a diesel operam para suprir a demanda de potência, enquanto a unidade eólica não produz energia, devido à condição de baixos ventos. No modo WD, a potência fornecida pela unidade eólica é inferior à demanda e o gerador diesel é requerido para realizar o balanço de potência entre carga e geração. Já no modo WO, a unidade eólica supre toda a demanda requerida pela carga, em uma condição de vento favorável. Em ambos os

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modos, uma estratégia de controle confiável é necessária para regular tensão e frequência. Especificamente no modo WD, um apropriado controle da divisão de carga entre a geração diesel e a eólica é vital para a operação do sistema (HARUNI et al., 2009).

O modo de operação abordado no escopo deste trabalho é o WD, não contemplando a transição entre os modos de operação e a operação nos modos DO e WO. Isso se justifica pela necessidade de haver disponibilidade de geração de ambas as unidades para que o restabelecimento da microrrede seja realizado com sucesso, o que será discutido mais adiante.

3.2.1 Controle de Tensão e Frequência

A estratégia de controle do tipo mestre-escravo será utilizada para a operação da microrrede híbrida, pois um dos objetivos é avaliar o desempenho do sistema operando com o gerador diesel em modo Vf e a unidade eólica em modo PQ em comparação com o sistema operando com a unidade eólica em modo Vf e o gerador diesel em modo PQ. Neste contexto, algumas características distintas de operação se destacam entre as duas abordagens, conforme discussão apresentada na sequência dessa subseção.

Caso 1: com o gerador diesel no modo Vf, a frequência do sistema varia na ocorrência de desbalanços de carga, o que é característica de operação de unidades de geração convencionais baseadas em geradores síncronos. A dinâmica da regulação de frequência possui característica eletromecânica, podendo levar de segundos a minutos para entrar em regime permanente. No contexto da regulação de frequência, códigos de rede que determinam os limites de frequência em sistemas elétricos variam de acordo com cada país. Internacionalmente, a norma IEEE Std 1547 (2003) recomenda valores para os limites máximos e mínimos e a duração das variações de frequência para que a geração distribuída se mantenha conectada aos sistemas elétricos. A regulação de tensão feita pelo sistema de excitação do gerador diesel possui uma dinâmica eletromagnética, portanto, mais rápida que a regulação de frequência, e seu tempo de acomodação fica entre milisegundos e segundos. Na unidade eólica operando em modo PQ, a tensão no

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barramento CC, que é uma variável importante para o funcionamento do conjunto, não sofre variações significativas, pois é mantida regulada pelo inversor, que apresenta uma ação de controle rápida.

Caso 2: com a unidade eólica operando no modo Vf, a frequência do sistema permanece aproximadamente constante mediante variações de carga, pois está vinculada com a operação das malhas de controle do inversor, que apresentam uma resposta bastante rápida. A tensão no barramento CA da microrrede também é mantida regulada pelas malhas de controle do inversor, onde as variações são rapidamente suprimidas, em uma escala de tempo de milisegundos (LUKASIEVICZ, OLIVEIRA e DRANKA, 2015). A tensão no barramento CC da unidade eólica, no entanto, sofre variações significativas, pois a energia necessária para equilibrar os desbalanços de potência é retirada do barramento CC. Os limites de variação da tensão do barramento CC aceitáveis para a operação de uma unidade eólica são estabelecidos por cada fabricante. Eles relacionando-se com os níveis de tensão do gerador síncrono empregado e da conexão com a rede, além da técnica de modulação empregada nos conversores (ZHOU e WANG, 2002).

A regulação de tensão e frequência de um sistema está acondicionada à capacidade de fornecimento de potências ativa e reativa demandadas pela carga. Se esta condição não for satisfeita o sistema perde a estabilidade. No caso de microrredes com alta inserção de geração eólica, que é o foco desse trabalho, onde o gerador diesel opera no modo Vf, se a unidade eólica não contribuir para a regulação de frequência e tensão, provavelmente ocorrerão situações em que os desbalanços de potências ativa e reativa sofridos pelo sistema serão maiores que o máximo suportável pelo gerador diesel. De forma análoga, se a unidade eólica é responsável pelo controle Vf, é necessário que o gerador diesel contribua para o equilíbrio de potências do sistema para que a tensão do barramento CC da unidade eólica não atinja seus limites e provoque o desligamento do sistema. Em ambos os casos, uma estratégia empregando malhas de controle suplementares precisa ser adotada para que os problemas mencionados sejam contornados.

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4 RESTABELECIMENTO DE SISTEMAS HÍBRIDOS

Durante a operação de microrredes, tanto no modo ilhado como no modo conectado, podem existir fatores que provoquem o desligamento total da microrrede. Após um desligamento, é necessário que seja realizado o restabelecimento da microrrede, para que o suprimento de energia elétrica seja retomado de forma breve. O restabelecimento da microrrede de forma autônoma traz melhorias no quesito confiabilidade e permite que as cargas sejam atendidas mesmo que a rede principal continue sem energia (CAI, XU e MITRA, 2011).

Em sistemas de potência, o restabelecimento após um desligamento completo (em inglês, blackout) é comumente formulado como um problema multiobjetivo e de tomadas de decisão dinâmicas (CHOU et al., 2013). No geral, é um processo complicado que envolve tarefas sendo executadas manualmente de acordo com procedimentos predefinidos, precisando ser completados de maneira rápida, em tempo real e sob condições extremas. Em uma microrrede, o procedimento completo de restabelecimento é muito mais simples, devido ao reduzido número de variáveis controladas (cargas, chaves e unidade de geração). Porém, a maioria das fontes de geração conectadas por conversores de energia não são apropriadas para realizar a energização da microrrede, pelas características das fontes de energia primárias e incapacidade de iniciar a geração sem a rede estar energizada (LOPES, MOREIRA e RESENDE, 2005).

A presença de geradores síncronos convencionais ou unidades com interface eletrônica capazes de emular a operação de geradores síncronos têm um papel chave no processo de restabelecimento. As especificidades da microrrede, as características de controle das interfaces de eletrônica de potência e suas limitações térmicas conduzem a uma sequência de operações bem específica para restabelecer a microrrede (LOPES, MOREIRA e RESENDE, 2005). No contexto apresentado, a presente seção aborda pontos relevantes no estudo do restabelecimento de microrredes, com foco para sistemas híbridos eólico-diesel.

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