INVESTIGAÇÃO DOS EFEITOS DO ACOPLAMENTO DE MICROGERAÇÃO FOTOVOLTAICA EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE BAIXA TENSÃO. Assim, o objetivo deste trabalho é estudar o comportamento de uma rede de distribuição de baixa tensão com presença de microgeração fotovoltaica distribuída por meio de simulações realizadas por meio de modelagem no software MATLAB/SIMULINK.
Cenário atual e perspectivas
Eficiência energética
Fontes alternativas de energia
Geração distribuída (GD)
Microgeração
Além disso, existem problemas associados a redes de distribuição que não são projetadas para responder ao fluxo bidirecional de energia, o que pode interferir no sistema de proteção da rede. E também por causa desse fluxo reverso, alguns problemas relacionados à qualidade da energia podem ser observados, os quais serão discutidos posteriormente.
Painéis fotovoltaicos
Sobre as vantagens do sistema de painéis fotovoltaicos, Barin (2007) discute o fato de ser uma fonte de energia gratuita, silenciosa, sem consumo de combustível, resistente a intempéries, baixa manutenção e com possibilidade de aumentar a potência produzida pela adição de de módulos, além de ser um meio propício à autonomia energética. E no caso do sistema conectado à rede, os painéis fotovoltaicos atuam como fonte complementar de energia ao sistema elétrico conectado, o que é uma característica da geração distribuída.
Qualidade da energia elétrica
Os aspectos considerados na qualidade de energia são regidos pelo módulo 8 do PRODIST (ANEEL, 2015) e são: tensão constante, fator de potência, flutuações de tensão, harmônicos, desequilíbrios de tensão, variação de tensão de curto prazo, frequência. Tensão de estado estacionário: estes são os limites corretos para os níveis de tensão de estado estacionário. O resultado dessa divisão vai indicar eficiência energética, ou seja, um fator de potência alto caracteriza uma eficiência energética alta e um fator de potência baixo indica uma eficiência energética baixa.
Para uma carga puramente resistiva, a tensão e a corrente estão em fase, de modo que o fator de potência é unitário. Para uma carga puramente reativa, o fator de potência é zero, fazendo com que a potência ativa seja zero. Por meio das simulações realizadas, será possível quantificar o comportamento da linha de distribuição de baixa tensão com geração fotovoltaica distribuída em relação a alguns dos parâmetros de qualidade de energia, como a taxa de distorção harmônica (TDH), tanto para corrente quanto para tensão . e o valor do fator de potência.
Sistemas de distribuição e redes de baixa tensão
Sua estrutura básica é composta por redes de subtransmissão, subestações de distribuição, alimentadores primários, transformadores de distribuição e redes de baixa tensão (tensão secundária de distribuição). As redes de distribuição em geral apresentam um novo perfil, carregadas de cargas não lineares que estão cada vez mais presentes no sistema elétrico. Além de novas tecnologias de geração de energia, principalmente a microgeração, que utiliza equipamentos eletrônicos de potência com características não lineares para introduzir eletricidade na rede de distribuição (FRIGO, 2013).
O arranjo estrutural das redes de baixa tensão é descrito por Frigo (2013) a partir do alimentador primário, que é representado por uma fonte trifásica de 13,8 kV a 60 Hz. As linhas de distribuição de baixa tensão podem ser aéreas ou subterrâneas, com condutores de liga de cobre ou alumínio. O capítulo 4, que trata da modelagem da rede de baixa tensão, trata com mais detalhes dos componentes que compõem a estrutura básica da rede de baixa tensão: o alimentador primário, o transformador de distribuição, os cabos condutores e as cargas.
O software: MATLAB/SIMULINK
Regulamentação da geração distribuída de pequeno porte no Brasil
O primeiro passo para a implantação de unidades geradoras de pequeno porte consiste na viabilização do acesso à rede de distribuição, onde o consumidor faz a solicitação de acesso à distribuidora de energia. Em relação ao sistema de medição, as especificações são as mesmas exigidas para outras unidades consumidoras que estejam conectadas no mesmo nível de tensão, acrescentando apenas a funcionalidade que permite a medição de energia em duas direções. A ANEEL (2012) esclarece que foi retirada a celebração de contratos de uso e conexão para micro e minigeração distribuída que fazem parte do sistema de compensação de energia elétrica.
Sobre a incidência de tributos federais e estaduais, como ICMS e PIS/COFINS, a ANEEL (2014) explica que a cobrança foge à competência da Agência Nacional de Energia Elétrica e que cabe à Receita Federal do Brasil e aos Ministros da Fazenda . Conforme observado, o excesso de energia gerada e disponibilizado à rede é considerado crédito ao consumidor, por meio de um sistema de compensação de eletricidade. Sistema no qual a energia ativa injetada por uma unidade consumidora com micro ou minigeração distribuída é repassada à distribuidora local via empréstimo gratuito e posteriormente compensada com o consumo de energia elétrica ativa, crédito que pode ser resgatado em até 60 meses ser usado, se as coisas correrem de forma diferente (ANEEL, 2012).
Metodologia da modelagem
Metodologia da simulação
Para atingir o objetivo proposto de estudar o perfil da rede BT com acoplamento de microgeração fotovoltaica, foram considerados os trabalhos de diversos autores relacionados ao tema de geração distribuída para fortalecer o entendimento dos conceitos do assunto e auxiliar na idealização de o método utilizado na modelagem, simulação e análise dos resultados deste trabalho. Este cenário, com o intuito de coletar dados sobre o desempenho da rede de baixa tensão com uma pequena geração mais expressiva.
Metodologia da análise
A recolha de dados decorreu através de blocos que estavam disponíveis na plataforma informática Simulink e destinam-se a recolher toda a informação de interesse, quer seja o próprio valor do parâmetro, quer dados que permitam uma pesquisa fácil. Para analisar o impacto da microgeração fotovoltaica na rede de BT, é essencial modelar a rede de forma a representar fielmente o seu comportamento real por meios informáticos.
Modelo do transformador de distribuição
Ensaio em vazio
O segundo valor dado são as perdas em vazio Po=220 W, que representam a potência perdida no ramo de magnetização, pois a impedância do enrolamento série é muito menor e, portanto, não é levada em consideração.
Ensaio de curto-circuito
Modelo dos cabos condutores BT
Enquanto isso, a capacitância de uma linha de distribuição é a carga elétrica nos condutores por unidade de diferença de potencial entre esses condutores. Vieira (2008) explica que o fato de cargas elétricas circularem ao longo da linha (corrente elétrica) produz um campo elétrico radial ao eixo principal da linha de distribuição. Por fim, existe a amperagem, que é um parâmetro da linha de distribuição que determina o limite de carga de cada cabo.
Para a modelagem dos cabos da linha de baixa tensão simulada, ao considerar seu curto comprimento, os parâmetros a serem considerados são apenas a resistência e a indutância, que juntas formam a impedância série. Desta forma, a configuração do modelo Simulink dos cabos condutivos é mostrada na Figura 15. Ao definir uma linha de 60 metros de comprimento, obtêm-se os seguintes valores para os parâmetros dos condutores:
Modelo das cargas elétricas
Cargas lineares
Os parâmetros de interesse dos cabos condutores para simulação, resistência e indutância, foram adquiridos com base no guia técnico da Solidal Condutores Elétricos S.A. É caracterizada pela presença de uma indutância e uma resistência, cuja representação é um indutor em série com um resistor. Cargas indutivas consomem corrente de potência reativa, que alimenta os campos eletromagnéticos e garante o funcionamento do equipamento.
Por outro lado, os circuitos capacitivos são encontrados principalmente na presença de bancos de capacitores e equipamentos com filtro capacitivo. Embora as cargas indutivas e capacitivas não causem distorções harmônicas, elas consomem energia reativa e podem, portanto, causar distúrbios na qualidade da energia, como baixo fator de potência e perda de eficiência energética. A potência total de sistemas com indutores e capacitores é representada pela soma vetorial entre a potência ativa e reativa, a chamada potência aparente.
Cargas não lineares
Modelagem
Para representar as cargas não lineares tipicamente presentes em uma rede de baixa tensão, foi adotado o modelo de Silva (2009), que afirma que cargas não lineares como receptores de televisão, DVD players ou computadores, por exemplo, possuem uma metade retificador de onda e assim apresentar semelhança na forma de onda da corrente consumida, permitindo que tais cargas sejam modeladas segundo o mesmo modelo de circuito. Assim, para esta simulação, as cargas não lineares conectadas à rede foram do tipo retificador (Figura 17), onde os valores dos elementos R, L e C são escalonados de acordo com a potência do dispositivo. Considerando uma potência média Pm=200 W para este tipo de carga, e conhecendo a tensão nominal simples da rede (Vn=127 V), encontra-se a resistência equivalente do retificador.
No cálculo do indutor de entrada, Silva (2009) esclarece que para esse tipo de carga é comum considerar que o valor da bobina do indutor vale 3% do valor da resistência equivalente do circuito retificador. Para este trabalho, foi considerada uma situação em que um total de 2400 W de carga não linear está acoplado à rede, no momento da simulação, de forma balanceada.
Modelo do microgerador fotovoltaico
Modelo da rede BT com microgerador fotovoltaico acoplado em Simulink
Após a apresentação da modelagem no capítulo anterior, neste capítulo são expostos os dados coletados nas três situações consideradas, os resultados são comparados graficamente e em seguida é feita uma discussão sobre o comportamento do sistema durante o acoplamento da microgeração fotovoltaica.
Dados coletados nas simulações
Situação I – Rede sem microgeração
A corrente no neutro tem uma taxa de distorção (TDHin), então a corrente que circula no neutro pode ser considerada uma corrente de ordem harmônica.
Situação II – Rede com microgeração 2,3 kW
Situação III – Rede com microgeração 6,3 kW
TDHin possui uma distorção de forma que a corrente de neutro pode ser tratada como uma corrente de ordem harmônica, com predominância de harmônicos de 3ª e 9ª ordem (Figura 25). A Figura 28 ilustra o TDHin da situação III, onde a distorção da corrente de neutro é considerada uma corrente de ordem harmônica e os harmônicos de 3ª e 9ª ordem dominam.
Resultados e discussão
Isso acontece porque, além da energia reativa já fornecida pelo transformador, há um pequeno aumento da energia indutiva na rede devido às características indutivas do microgerador. Também é nítido o alívio da injeção de energia pelo transformador de distribuição, e com a conseqüente redução na carga da rede, o desgaste dos componentes por sobrecarga é reduzido. Dada a presença significativa da microgeração, especialmente nas redes da BT em um futuro próximo, é fundamental que as distribuidoras de energia considerem a microgeração como uma variável interessante durante o planejamento e expansão da rede.
Estabelece os termos e condições de acesso à microgeração e minigeração distribuídas aos sistemas de distribuição de energia eléctrica, ao sistema de compensação de electricidade, e dá outras providências. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST), Módulo 8 - Qualidade de Energia Elétrica. Modelagem e análise de desempenho de um sistema fotovoltaico em operação isolada e paralela a uma rede de distribuição de energia elétrica.
Análise comparativa de estratégias de regulação de tensão em sistemas de distribuição de energia elétrica na presença de geradores distribuídos. Modelagem de um sistema de distribuição de energia considerando a aplicação em redes inteligentes.
