SISTEMAS HÍBRIDOS, MICRORREDES E NANORREDES

Conversores fotovoltaicos multifuncionais processam a energia de sistemas fotovoltaicos, baterias, rede elétrica e cargas consumidoras. De acordo com a NBR 11704 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2008), sistemas fotovoltaicos

híbridos devem apresentar mais de uma fonte de geração além da fotovoltaica, como diesel (AN; QUOC-TUAN; SEDDIK, 2013), eólica (WANG; NEHRIR, 2008), hidráulica e célula a combustível (BAMBANG; R; DRONKERS, 2014). Por apresentar somente a fotovoltaica como fonte de geração, sistemas fotovoltaicos conectados à rede com bateria não são classificados como híbridos de acordo com a NBR 11704, embora sejam chamados comercialmente de “inversores híbridos”.

Este trabalho aborda um sistema com geração fotovoltaica, baterias, rede elétrica e cargas consumidoras, reunidos em um único conversor fotovoltaico multifuncional. O sistema abordado é uma nanorrede, que é uma microrrede de pequeno porte. Uma microrrede é definida como uma rede de baixa tensão com as seguintes características (PARHIZI et al., 2015):

a) Pode apresentar diversas fontes de geração distribuída, como gerador fotovoltaico, baterias, gerador eólico, gerador diesel, etc. Assim, microrredes podem ser também sistemas híbridos;

b) Apresenta cargas consumidoras;

c) Opera como uma única entidade controlável perante a rede elétrica externa;

d) Pode operar conectada à rede elétrica externa, fornecendo ou obtendo energia, ou de maneira ilhada. Por isso, necessita de um dispositivo (relé) para conexão/desconexão da rede.

Uma nanorrede deve também apresentar essas características, porém abrange um único prédio ou consumidor, enquanto uma microrrede pode abranger maior número de consumidores (HARDESTY, 2014). Uma microrrede necessita de coordenação entre as fontes de geração distribuídas, normalmente realizada através de comunicação (PARHIZI et al., 2015). Um CFM tem o objetivo de prover energia a um sistema local, normalmente para um único consumidor, e todas as fontes de geração são interligadas em um único equipamento. Por esse motivo, a rede formada por uma CFM é considerada uma nanorrede.

1.3.1 Formas de acoplamento

Micro e nanorredes podem apresentar diversas fontes e cargas. A interface de acoplamento entre as fontes pode ser através de barramentos CC ou CA (GUERRERO et al., 2013b; NEHRIR et al., 2011) . A seguir são explicadas essas formas de acoplamento:

a) Acoplamento CA: nesse caso, todas as fontes em corrente contínuas são ligadas a um barramento CA através de conversores CC-CA. A frequência do barramento CA pode ser:

− Frequência da rede elétrica (60 Hz): nesse caso, cargas convencionais podem ser conectadas diretamente ao barramento CA. A conexão com a rede externa pode ser realizada através de um dispositivo de conexão/desconexão;

− Alta frequência: algumas situações especiais podem empregar frequências superiores à da rede, com o objetivo de reduzir o tamanho dos componentes magnéticos e capacitores. Barramentos de 400 Hz são empregados em aviões, submarinos e naves espaciais (NEHRIR et al., 2011);

b) Acoplamento CC: nesse sistema, todas as fontes em corrente contínua são conectadas a um barramento CC através de conversores CC-CC (DRAGICEVIC et al., 2014; NASIRIAN et al., 2014). Fontes em corrente alternada devem ser conectadas ao barramento CC através de conversores CA-CC. Cargas em corrente alternada devem ser alimentadas através de um inversor. A conexão com a rede elétrica externa deve ser realizada através de um conversor CC-CA bidirecional; c) Acoplamento híbrido: esse sistema apresenta mais de um barramento de

interconexão entre fontes e cargas, podendo apresentar barramentos CC e CA interconectados com conversores estáticos adequados (LIU; WANG; LOH, 2011).

1.3.2 Gerenciamento de potência e de energia

O controle de micro/nanorredes pode ser realizado em vários níveis hierárquicos (GUERRERO et al., 2013a; NEHRIR et al., 2011), de acordo com a estratégia de controle empregada. Os controles podem ser divididos em níveis de acordo com a dinâmica de resposta (KANCHEV et al., 2011):

a) Gerenciamento da potência de curto prazo: no curto-prazo, o controle da micro/nanorrede deve atender a dois objetivos principais: i) controlar o despacho de potência ativa e reativa entre fontes e cargas; e ii) em modo ilhado, controlar o balanço das potências entre geração e consumo, com o objetivo de manter os níveis adequados de tensão do barramento CC, ou tensão e frequência do barramento CA. O gerenciamento de potência deve ser rápido para garantir a estabilidade do sistema. Em (GUERRERO et al., 2013a), o controle de balanceamento de potência é dividido em controle primário, secundário e terciário;

b) Gerenciamento da energia de longo prazo: não é necessário para a estabilidade do sistema, porém é importante para otimizar a operação da micro/nanorrede, com o objetivo de minimizar custos, aumentar confiabilidade ou atingir outro objetivo desejado. Pode operar em modo ilhado ou em modo conectado à rede. Envolve planejamento da operação ao longo de minutos, horas ou até dias.

1.3.3 Paradigmas de gerenciamento de curto e longo prazo

Os gerenciamentos de curto e longo prazo podem ser realizados através de diversas técnicas, de maneira centralizada ou descentralizada. De acordo com (NEHRIR et al., 2011), podem-se classificar as estratégias em três paradigmas:

a) Centralizado: (DAS; AGARWAL, 2014; GUO et al., 2012; HATTI; PHONTIP; NUILERS, 2013; INDU RANI; SARAVANA ILANGO; NAGAMANI, 2013; LIAO; RUAN, 2009; LOCMENT; SECHILARIU; HOUSSAMO, 2012; MAHMOOD; MICHAELSON; JIANG, 2012; TANKARI et al., 2013; ZHU; LIAO, 2009) esse paradigma apresenta dois níveis de hierarquia:

− Controlador central: atua no gerenciamento de curto e longo prazo, enviando sinais de comando e referência para os controladores locais;

− Controladores locais: controlam a potência, tensão ou corrente dos conversores de acordo com as ordens do controlador central.

A abordagem centralizada pode permitir a obtenção do ponto ótimo de operação global, com objetivo de minimizar custos ou maximizar a eficiência. Porém, pode tornar-se computacionalmente muito difícil de implementar ou até impossível em caso de muitos elementos do sistema. Além disso, outra desvantagem desse paradigma é que uma falha no controlador central torna o sistema inoperante;

b) Descentralizado: nesse paradigma, não existe hierarquia, existindo somente controladores locais. No gerenciamento de potência de curto-prazo, os controladores locais descentralizados podem atuar sem comunicação através de níveis do barramento de acoplamento empregando estratégias como a de controle por inclinação (droop) de tensão e frequência (DRAGICEVIC et al., 2014; GUERRERO et al., 2013b, 2009; KATIRAEI; IRAVANI, 2006) ou sinalização do barramento CC (DCB – DC Bus Signaling) (BRYAN; DUKE; ROUND, 2004). Para o gerenciamento de energia no longo prazo, é necessário comunicação entre os

controladores, com o objetivo de se obter a otimização global (DIMEAS; HATZIARGYRIOU, 2005).

A abordagem descentralizada apresenta elevada confiabilidade, pois o sistema pode se manter funcional na ocorrência de uma falha em um dos controladores descentralizados. Além disso, a otimização global pode ser obtida com capacidade computacional inferior à da abordagem centralizada. Uma desvantagem da abordagem descentralizada é a possível complexidade do sistema de comunicação para gerenciamento de energia.

Uma importante estratégia de gerenciamento de energia descentralizada são os sistemas multiagente (DIMEAS; HATZIARGYRIOU, 2005; LEITÃO; MAŘÍK; VRBA, 2013; YGGE; AKKERMANS, 1996; YU et al., 2013). Essa estratégia tem sido muito estudada para o controle de redes elétricas inteligentes em mercados de energia liberalizados, com preços dinâmicos (ADIKA; WANG, 2014; BINETTI et al., 2014; KOK; WARMER; KAMPHUIS, 2005; LI; CHEN; LOW, 2011; MULLER; HAGER; REHTANZ, 2014; NUNNA; DOOLLA, 2014; OYARZABAL et al., 2005; RAHBARI ASR; ZHANG; CHOW, 2013; SAFDARIAN; FOTUHI-FIRUZABAD; LEHTONEN, 2014; SAMADI et al., 2010; YU; YANG; RAHARDJA, 2012). Cada elemento da rede atua como um agente econômico que se comunica, valora a energia e toma decisão em função do preço da energia, atuando para maximizar seu benefício (KOK; WARMER; KAMPHUIS, 2005; YGGE; AKKERMANS, 1996);

c) Híbrido: esse paradigma pode combinar as vantagens da abordagem centralizada com a da descentralizada (JIANG; DOUGAL, 2008). A abordagem híbrida pode ser realizada de várias maneiras. Uma maneira é agrupar as fontes em diversos subsistemas, em que cada subsistema controla de maneira centralizada suas fontes. Os subsistemas comunicam-se entre si a fim de obter a otimização global do sistema completo, como na abordagem descentralizada. Outra abordagem híbrida é empregar, por exemplo, o gerenciamento de potência descentralizado, e o gerenciamento de energia centralizado, com diversos níveis de descentralização.

1.4 GERENCIAMENTO DE CONVERSORES FOTOVOLTAICOS