Reconexão automática de ilhamentos intencionais e ajuste de controladores com algoritmo genético

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

Edson Augusto Abou Hatem de Liz

RECONEXÃO AUTOMÁTICA DE ILHAMENTOS

INTENCIONAIS E AJUSTE DE CONTROLADORES COM

ALGORITMOS GENÉTICOS

Florianópolis

2019

Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor,

através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.

Liz, Edson Augusto Abou Hatem de

Reconexão Automática de Ilhamentos Intencionais e Ajuste de Controladores com Algoritmos Genéticos / Edson Augusto Abou Hatem de Liz ; orientador, Aguinaldo Silveira e Silva, 2019.

91 p.

Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)

-Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2019. Inclui referências.

1. Engenharia Elétrica. 2. Microrredes. 3. Energia Hidrelétrica. 4. Reconexão à Rede Principal. 5. Algoritmos Genéticos. I. Silva, Aguinaldo Silveira e. II.

Universidade Federal de Santa Catarina. Graduação em Engenharia Elétrica. III. Título.

Edson Augusto Abou Hatem de Liz

RECONEXÃO AUTOMÁTICA DE ILHAMENTOS

INTENCIONAIS E AJUSTE DE CONTROLADORES COM

ALGORITMOS GENÉTICOS

Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Universidade Federal de Santa Catarina, como requisito necessário para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica.

Este trabalho é dedicado às crianças adultas que, quando pequenas, sonharam em se tornar engenheiros.

Agradecimentos

À minha família, por terem me educado de forma ímpar. À minha mãe por sua demonstração de força e perseverança e por sempre incentivar os meus sonhos e os dos meus irmãos. Ao meu pai, por me mostrar que a criatividade e a simplicidade são ferramentas valiosas para solucionar problemas. Aos meus irmãos João, Luiz e Geder, pela boa influência e companheirismo.

Aos amigos que fiz durante toda a graduação, pelo conhecimento compartilhado, pelo apoio durante esta jornada e pela união, tanto em momentos de dificuldade como de celebração.

Ao professor Aguinaldo, pela oportunidade, confiança e por todas as vezes que conversamos pois aprendi muito em cada dessas conversas.

Em especial, à minha avó Wilma, pelo grande incentivo, por me mostrar que o conhecimento é impagável e imortal. Por mostrar que a união familiar exige esforço mas é uma benção e compensa.

"Todo jogo sem falhas é incolor" Mikhail Tal

Resumo

A hidroeletricidade é uma fonte de energia renovável que não contribui para o aquecimento global. Mesmo assim, a participação da água na matriz energética mundial é pouco expressiva.

Como fonte de geração distribuída é efetivamente usada para gerar energia local em áreas topograficamente adequadas e de considerável precipitação anual. Em microrredes, pequenas centrais hidrelétricas (PCH) são utilizadas como microfontes locais. Entretanto, é necessário que essas microfontes atendam as várias condições de operação da microrrede.

Este trabalho apresenta uma estratégia de controle para reconexão de uma microrrede com uma pequena central hidrelétrica à rede principal. Para isso, um algoritmo genético é desenvolvido para ajustar os parâmetros de controle dos sistemas desenvolvidos.

Palavras-chave: Microrrede, Energia Hidrelétrica, Reconexão à Rede Princi-pal, Algoritmos Genéticos.

Abstract

Hydroelectricity is a renewable energy source that does not contribute to global warming. Even so, the share of water in the world energy matrix is not so significant.

As a source of distributed generation, it is effectively used to generate local energy in areas topographically adequate and with considerable annual precipitation. In microgrids, small hydroelectric plants are used as local microsources. However, it is necessary that these microsources suit the various operating conditions of the microgrid.

This work presents a control strategy for the reconnection of a microgrid with a small hydropower plant to the main network. For this, a genetic algorithm is developed to adjust the control parameters of the developed systems.

Keywords: Microgrid, Hydropower, Main Grid Reconnection, Genetic Algo-rithms.

Lista de ilustrações

Figura 1 – Potencial hidrelétrico mundial [16] . . . 30

Figura 2 – Configuração típica de uma microrrede [24] . . . 33

Figura 3 – Um aerogerador [25] . . . 37

Figura 4 – Diagrama de blocos do conjunto isolado carga-gerador . . . 45

Figura 5 – Diagrama de blocos do sistema de controle de velocidade da turbina . . 47

Figura 6 – Sistema de excitação do tipo DC1C. (Fonte: IEEE) [5] . . . 48

Figura 7 – Diagrama de blocos do sistema de excitação. . . 48

Figura 8 – Estrutura do controle do erro de tensão. . . 54

Figura 9 – Diagrama de blocos do sistema de controle do erro de tensão . . . 54

Figura 10 – Estrutura do controle de sincronismo de frequência e fase . . . 55

Figura 11 – Diagrama de blocos do sistema completo de controle de sincronismo e defasagem . . . 55

Figura 12 – Fluxograma de um algoritmo genético . . . 60

Figura 13 – Diagrama unifilar do sistema estudado . . . 65

Figura 14 – Sistema de potência implementado em Simulink . . . 67

Figura 15 – Gerador Síncrono, Turbina e Regulador, Sistema de Excitação imple-mentados em Simulink . . . 68

Figura 16 – Controle do erro de tensão implementado em Simulink . . . 69

Figura 17 – Controles de frequência e de defasagem implementados em Simulink . . 69

Figura 18 – Operação da função Linear Analysis - Open Loop. Fonte: Simulink . . . 70

Figura 19 – Lugar das raízes do controle de frequência parametrizado pela sintonia do Simulink. . . . 73

Figura 20 – Linha temporal da primeira simulação . . . 74

Figura 21 – Fluxo de potência saindo da máquina síncrona durante a primeira simulação . . . 74

Figura 22 – Defasagem entre o barramento da rede principal e o barramento da microrrede durante o processo de reconexão . . . 75

Figura 23 – Tensão no barramento da microrrede durante a reconexão . . . 75

Figura 24 – Linha temporal da segunda simulação . . . 76

Figura 25 – Fluxo de potência saindo da máquina síncrona durante a segunda simulação . . . 77

Figura 26 – Tensão no barramento da microrrede durante o degrau de carga . . . . 77

Figura 27 – Velocidade do rotor durante o degrau de carga . . . 78

Figura 28 – Defasagem entre as barras da microrrede e da B2 durante o degrau de carga. . . 78

Lista de abreviaturas e siglas

AG Algoritmo Genético

CC Controle Central

CIGRE International Council on LargeElectric Systems

CIRED International Conference and Exhibition on Electricity Distribution

CHP Combined Heat Power

DC1C Direct current commutator rotating exciter com realimentação na exci-tatriz unitária do tipo C

DOE Departamento de Energia Norte Americano

DMS Sistema de Gerenciamento de Distribuição

FFT Função Transferência

FGD Fonte de Geração Distribuída

I Controlador Integral puro

IAE Integral do erro absoluto

ISE Integral do erro ao quadrado

IEA Agência Internacional de Energia

IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos

LC Controle de Carga

LiFePO4 Lítio-Ferro-Fosfato

MC Controle de Microfonte

MG Micro

MISO Multiple Input/ Single Output

Na-NiCl2 Sódio-Cloreto de Níquel

NCA Níquel-Cobalto-Alumínio-Óxido

PCC Ponto de Acoplamento Comum

PCH Pequena Central Hidrelétrica

PI Controlador Proporcional Integral

PID Controlador Proporcional Integral Derivativo

Lista de símbolos

D Característica de frequência da carga

e(t) Função de erro

Ecomp Erro compensado

g Aceleração gravitacional

G Posição do distribuidor

H Altura no reservatório com relação a entrada da turbina

Ie Corrente de saída do barramento emissor

Ir Corrente de entrada do barramento receptor

J Momento de inércia de um gerador síncrono

KA Ganho de um amplificador rotativo

KE Constante de proporcionalidade de uma excitatriz

Kp Ganho do controlador

KR Ganho de um sistema de amortecimento

l Comprimento da linha de transmissão

L Comprimento do conduto

M Quantidade de movimento angular

N Coeficiente de filtro do PID

N t Velocidade da turbina

P Potência Ativa

Pe Potência elétrica do rotor

Pij Fluxo de potência ativa por uma linha de transmissão

PL Potência consumida pela carga a frequência nominal

Pm Potência mecânica do rotor

Q Vazão da água na turbina

Qij Fluxo de potência reativa por uma linha de transmissão

Qservo Fluxo de óleo no servomotor

r Estatismo transitório

R Regulação

s Variável de frequência

Se Função de saturação de uma excitatriz

Sbase Potência aparente de base

t Variável de tempo

T Torque

Ta Torque líquido

TA Constante de tempo de um amplificador rotativo

Td Constante de tempo derivativa

Te Torque eletromagnético

TE Constante de tempo de uma excitatriz

Ti Constante de tempo integrativa

Tm Torque mecânico

Tr Tempo do amortecedor hidráulico

TR Constante de tempo de um sistema de amortecimento

Tw Tempo de partida

T1 Constante abrangente do servomotor

v Velocidade

Vbase Tensão de base

Vc Produto vetorial das tensões de eixo direto e eixo em quadratura do rotor

Vf d Tensão de saída de uma excitatriz

Vr Tensão no barramento receptor

VREF Tensão de referência

Vservo Volume de óleo no servomotor

Vmg Módulo de Tensão no Barramento da Microrrede

X Reatância elétrica

y Admitância shunt da linha de transmissão

z Impedância série da linha de transmissão

Zc Impedância característica da linha de transmissão

δ Ângulo entre um eixo fixo e outro no rotor

δij Diferença de Fase entre duas Barra da Rede

δmg Fase da tensão na microrrede

δref Fase da tensão na rede principal

∆x Variação posicional

∆ω Variação de velocidade angular

γ Constante de propagação

γs Aceleração angular do rotor

ρ Densidade

ωref Velocidade Angular de Referência

Sumário

2.3 ESTRATÉGIAS DE CONTROLE DE MICRORREDES . . . 35

2.3.1 Controle descentralizado . . . 35

2.3.2 Controle centralizado . . . 35

2.3.3 Controle hierárquico . . . 36 2.3.3.1 Nível 1: controle local . . . 36

2.3.3.2 Nível 2: controle central . . . 36

2.3.3.3 Nível 3: sistema de gerenciamento de distribuição . . . 36

2.4 FONTES DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA . . . 36

2.4.1 Energia solar fotovoltaica . . . 37

2.4.2 Energia eólica . . . 37

2.4.3 Geração hidrelétrica de pequena escala . . . 38

2.4.4 Sistema combinado de calor e potência . . . 39

2.4.5 Outros tipos de fontes de geração distribuída . . . 39

2.4.6 Sistemas de armazenamento . . . 40 2.4.6.1 Baterias de armazenamento . . . 40

2.4.6.2 Bateria inercial . . . 40

2.5 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO . . . 41

3 GERAÇÃO HIDRELÉTRICA: CONTROLE DE VELOCIDADE E

EXCITAÇÃO . . . 43 3.1 INTRODUÇÃO . . . 43

3.2 SISTEMA DE CONTROLE DE FREQUÊNCIA DE UMA USINA

HIDRELÉTRICA . . . 43

3.2.1 A equação de oscilação . . . 43

3.2.2 Modelo de carga . . . 44

3.2.3 A Turbina hidráulica . . . 44

3.2.4.1 Sensor de velocidade e transdutor . . . 46

3.2.4.2 Servomotor . . . 46

3.2.4.3 Compensador de atraso de fase . . . 46

3.2.5 Diagrama completo do sistema de controle de velocidade . . . 47

3.3 SISTEMA DE CONTROLE DA EXCITAÇÃO DE UMA USINA

HI-DRELÉTRICA. . . 47

3.3.1 Diagrama completo do sistema de excitação . . . 48

3.4 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO . . . 49

4 CONTROLE SUPLEMENTAR PARA RECONEXÃO DE

MICROR-REDE . . . 51 4.1 INTRODUÇÃO . . . 51

4.2 MODOS DE OPERAÇÃO EM REGIME PERMANENTE . . . 51

4.3 DESCONEXÃO E RECONEXÃO À REDE . . . 51

4.3.1 Desconexão de microrredes . . . 52

4.3.2 Reconexão de microrredes . . . 53 4.3.2.1 Tensão . . . 53

4.3.2.2 Frequência . . . 53

4.3.2.3 Fase . . . 53

4.4 CONTROLE DO ERRO DE TENSÃO . . . 53

4.5 CONTROLES DE SINCRONISMO DE FREQUÊNCIA E DE

DEFA-SAGEM . . . 54

4.6 FLUXO DE POTÊNCIA APÓS A RECONEXÃO . . . 55

4.7 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO . . . 56

5 PROJETO DE CONTROLADORES UTILIZANDO ALGORITMOS

GENÉTICOS . . . 57 5.1 INTRODUÇÃO . . . 57

5.2 O ALGORITMO GENÉTICO . . . 57

5.2.1 Formulação da população inicial . . . 58

5.2.2 Função objetivo . . . 58

5.2.3 Função de avaliação (fitness) . . . 58

5.2.4 Aplicação dos operadores genéticos . . . 59 5.2.4.1 Reprodução . . . 59

5.2.4.2 Cruzamento . . . 59

5.2.4.3 Mutação . . . 59

5.2.5 Critério de parada. . . 60

5.2.6 Fluxograma do algorítimo . . . 60

5.3 REQUISITOS DE PROJETO DOS SISTEMAS DE CONTROLE . . 60

5.4 USO DO ALGORITMO GENÉTICO EM UM SISTEMA DE CON-TROLE . . . 61

5.4.1 Definição do ajuste do algoritmo genético . . . 62

5.5 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO . . . 63

6 SIMULAÇÃO E RESULTADOS. . . 65 6.1 INTRODUÇÃO . . . 65

6.2 O SISTEMA TESTE . . . 65

6.2.1 Fluxo de potência do sistema em regime permanente . . . 66

6.3 SIMULAÇÃO EM SIMULINK . . . 67

6.3.1 Gerador, turbina hidráulica e regulador e sistema de excitação . . . 67

6.3.2 Controle do erro de tensão . . . 68

6.3.3 Controle de sincronismo e defasagem . . . 69

6.4 MODELOS LINEARIZADOS DA PLANTA. . . 70

6.5 PROJETO DOS CONTROLADORES . . . 71

6.5.1 Projeto usando algoritmo genético . . . 71

6.5.2 Projeto usando o método PI/PID Tuner . . . 71

6.5.3 Análise dos resultados . . . 71

6.6 SIMULAÇÃO NUMÉRICA E ANÁLISE . . . 73

6.6.1 Simulação 1 . . . 73 6.6.2 Simulação 2 . . . 76 6.7 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO . . . 79 7 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . 81 7.1 TRABALHOS FUTUROS . . . 82 Referências . . . 83 ANEXOS

85

29

1 INTRODUÇÃO

A dependência da sociedade por energia elétrica aumenta a cada ano. Novos produtos consumidores de energia elétrica aparecem com frequência e a tendência é que a sociedade consuma cada vez mais energia. Entre 2000 e 2010, a taxa de consumo mundial de energia elétrica subiu significativamente: 17.7%. Especula-se que essa variação ultrapassará 20% entre 2010 e 2020 [16]. Por outro lado, a crescente busca por alternativas ao uso de combustíveis fósseis impacta o consumidor final, que como agente do mercado de energia elétrica, tem se reeducado ao uso eficiente de energia e também às possibilidade como gerador de seu próprio consumo.

Com isso, fontes geradoras não convencionais podem contribuir para redução sig-nificativa do crescimento da demanda de energia no longo prazo. Esta revolução social abre espaço a modelos de geração distribuída que suprem cargas localmente e adaptam a geração às necessidades da carga.

Apesar das várias vantagens proporcionadas pelos sistemas de energia convencionais, problemas relacionados a escassez gradual de recursos fósseis, baixa eficiência energética e poluição ambiental vêm incentivando o desenvolvimento de modelos de gerações

distri-buídas. Estes modelos apresentados como parte do protocolo de Kyoto (1992) vêm sendo

extensivamente investigado pelo CIGRE e pelo CIRED desde o final dos anos noventa [24]. As definições precisas para geração distribuída variam para cada país, dependendo dos tipos de usinas, nível de tensão de geração, etc. No entanto, o impacto deste modelo no sistema de energia é normalmente o mesmo. De acordo com [24], alguns atributos comuns das gerações distribuídas são universalmente aceitos como:

1. Não são planejadas centralmente pela concessionária de energia nem despachadas centralmente.

2. Normalmente são menores que 50 MW.

3. As fontes de energia ou geradores distribuídos são normalmente conectados ao sistema de distribuição, com tensão tipicamente de 230/415 V até 145 kV.

Entretanto, por ser uma tecnologia emergente, ainda são muitos os desafios e as desvantagens de implementação. Além do custo, do controle legislativo e do controle de mercado de energia, talvez o maior desafio das gerações distribuídas ainda seja técnico. Quando se isola uma fonte da rede principal, a inércia da máquina equivalente ao sistema, antes considerada infinita, diminui abruptamente reduzindo assim a margem de estabilidade do sistema. Dessa forma, modelos de estudo clássicos, como por exemplo o de Heffron-Phillips, devem ser evitados.

30 Capítulo 1. INTRODUÇÃO

No que se refere às possibilidades de implantação destes modelos no Brasil, as ca-racterísticas geográficas permitem uma expectativa são otimista. O país possui a matriz energética mais renovável do mundo industrializado (45,3% da produção mundial é proveni-ente de fontes como recursos hídricos, biomassa e etanol, além das energias eólica e solar). As usinas hidrelétricas são responsáveis pela geração de mais de 75% da eletricidade do País. Vale lembrar que a matriz energética mundial é composta por 13% de fontes renováveis no caso de países industrializados, caindo para 6% entre as nações em desenvolvimento [3].

Em [16], a Agência Internacional de Energia (IEA) apresenta um estudo indicando o potencial hidrelétrico mundial. Destaca-se nesta apresentação o grande potencial latino americano (segundo continente com maior potencial, atrás apenas da Asia) e a baixa quantidade de instalações no continente (26%). Mesmo assim, ainda em [16], o Brasil é apresentado como o segundo maior produtor de energia hidrelétrica, tendo produzido 403 TWh em 2010 (atrás apenas da China, com 694 TWh). Entretanto, diferentemente dos chineses, a energia hidrelétrica abrange 80.2% da matriz energética brasileira enquanto que a energia hidrelétrica chinesa abrange apenas 14.8% da matriz energética chinesa. Isso reflete a dependência nacional desta tecnologia e a necessidade acadêmica em desenvolvê-la para servirem as futuras microrredes brasileiras.

1.1. OBJETIVOS DO TRABALHO 31

1.1

OBJETIVOS DO TRABALHO

A inclusão de Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) em uma microrrede implica importantes benefícios, como o aumento da confiabilidade e flexibilidade do sistema. Na regulação, alguns limites são estabelecidos para os parâmetros de sincronização de uma microrrede para a rede [20].

Este trabalho propõem uma estratégia de sincronização entre uma PCH em ilhamento e a rede principal com o intuito de reconectá-las automaticamente. Além disso, uma comparação entre modelos de controladores e seus ajustes é feita a fim de selecionar a melhor opção de controle possível.

• Três controladores são projetados a fim de zerar a diferença de frequência, tensão e fase entre a microrrede e a rede geral.

• Para o ajuste dos controladores, um algorítimo genético foi desenvolvido para propor uma ótima parametrização e ajuste dos mesmos.

• Fazer um estudo da modelagem de controle de uma usina hidrelétrica com foco na regulação de velocidade de um gerador em ilhamento. Um dos grandes desafios da modelagem de sistemas em ilhamento consiste na ausência de uma "barra infinita".

1.2

ORGANIZAÇÃO DO DOCUMENTO

O documento é composto de sete capítulos:

O primeiro capítulo contextualiza o trabalho apresentando a contribuição que o trabalho busca trazer.

O segundo capítulo apresenta o estudo de microrredes, seus modos de operação e estratégias de controle. Também são apresentadas algumas fontes de geração distribuída.

O terceiro capítulo apresenta um estudo específico ao controle primário de velocidade e excitação da geração hidrelétrica.

O quarto capítulo introduz os conceitos de controle suplementar de reconexão a rede. Neste capítulo também é apresentado uma estratégia de controle a ser acrescentado aos sistemas do capítulo 3.

O quinto capítulo apresenta os conceitos de algoritmos genéticos e, de uma forma genérica, o projeto de controladores utilizando essa técnica.

O sexto capítulo apresenta a simulação realizada em software e compara resultados. O sétimo capítulo refere-se a considerações finais sobre os temas debatidos e apresenta sugestões a futuros trabalhos no assunto.

33

2 MICRORREDES

2.1

INTRODUÇÃO

Um modelo de geração distribuída de baixa escala é a microrrede. O conceito de microrrede pressupõe um aglomerado de cargas e pequenas fontes de geração que operam como um único sistema controlável que fornece energia e calor para sua área local. Este conceito fornece um novo paradigma para definir a operação de geração distribuída. Para o usuário, a microrrede pode ser pensada como uma célula controlada do sistema de energia. A microrrede pode ser projetada para atender às necessidades especiais dos consumidores, por exemplo, melhorar confiabilidade, reduzir as perdas, suportar tensões locais, fornecer maior eficiência através do uso de calor residual, corrigir quedas de tensão ou fornecer fonte de alimentação ininterrupta [10].

As definições de microrrede pelo Departamento de Energia Norte Americano (DOE) também destacam a importância de sua fronteira elétrica claramente definida atuando como entidade singular e controlável em relação a rede [27].

A figura 2 foi retirada de [24], e representa uma configuração típica de microrrede. Cargas elétricas e de calor são conectadas a microgeradores por uma linha de distribuição de baixa tensão. As cargas, principalmente as de calor, são posicionadas próximas aos geradores, minimizando assim as perdas durante as transmissões elétricas e de calor.

34 Capítulo 2. MICRORREDES

Uma microrrede pode (ou não) possuir fontes que combinam a transmissão de potência elétrica ao calor com as cargas locais. Neste exemplo, há duas fontes que reutilizam as diferenças de temperaturas (CHP sources) e duas que não o fazem (Non-CHP sources).

Neste exemplo, pode-se observar também 3 circuitos internos à microrrede e deno-minados Feeders (alimentadores). Eles se distribuem pelo sistema subdividindo as cargas e fontes da microrrede. Esses circuitos podem se diferenciar em nível de tensão ou até mesmo em frequência por meio de transformadores ou conversores internos a microrrede. Um barramento comum aos circuitos os conecta ao controle central (CC) e a um disjuntor (CB4) do ponto de acoplamento comum (PCC), responsável pela desconexão e reconexão da microrrede a rede principal. Os controles das microfontes (MC) são intermediários entre os comandos de operação do controlador central e a microfonte associada a este MC.

2.2

MODOS DE OPERAÇÃO

Algumas das grandes diferenças entre as microrredes e a utilização direta de fontes renováveis diretamente na rede estão nas possibilidades de operações disponibilizadas pelas estratégias de controle das microrredes [22]. O que define o modo de operação de uma microrrede é a sua conexão com a rede principal, podendo operar nos modos interligado, isolado:

2.2.1

Modo interligado

No modo interligado, ou modo conectado à rede, a microrrede opera importando, ou exportando, energia da rede principal. Uma microrrede pode estar totalmente ou parcialmente conectada à rede principal e importa ou exporta energia elétrica da rede [24].

Neste modo, o controlador central é responsável pela otimização da operação, enviando sinais de controle apropriados para os controles das microfontes e para os controles das cargas. As microfontes geralmente são controladas para injetar potência ativa e reativa de acordo com valores previamente especificados [22].

2.2.2

Modo isolado

O modo isolado (ou modo de ilhamento) pode ocorrer por diversos motivos. No modo isolado, a microrrede se compromete a suprir as suas cargas internas e não há fluxo de potência entre a microrrede e a rede principal.

As microrredes podem transitar entre os modos de operação dependendo das condições físicas, ambientais, políticas ou econômicas ao qual são submetidas. O processo de transição entre os modos de operação pode ser automático ou manual. Um ilhamento pode ocorrer por diversos motivos, desde o isolamento entre a microrrede e um curto-circuito em uma

2.3. ESTRATÉGIAS DE CONTROLE DE MICRORREDES 35

linha de transmissão da rede principal, até por simples incentivo a qualidade energética ao abastecer as cargas e possíveis sistemas de armazenamento com recursos energéticos renováveis, presentes na própria microrrede.

Em caso de ilhamentos não planejados, a microrrede pode ou não ter a capacidade de continuar operando mesmo após a separação da rede principal, dependendo das carac-terísticas dos defeitos na rede principal, dos controladores locais e do controlador central, bem como das condições operacionais da rede no cenário pré-falha [24]. Neste caso, a ação rápida dos controladores das fontes e das cargas deve garantir a estabilidade da transição. Serão esses os responsáveis por repartir toda a demanda (inclusive as perdas na rede) entre as microfontes que compõem a microrrede [22].

2.3

ESTRATÉGIAS DE CONTROLE DE MICRORREDES

Tanto o projeto quanto a operação do controlador central precisam de uma estratégia de controle para atender às necessidades de gerenciamento da microrrede. A escolha dessa estratégia depende da eficiência do seu desempenho e do custo de sua implementação [24]. Algumas estratégias de controle adequadas são a apresentadas a seguir:

2.3.1

Controle descentralizado

Nesta estratégia, cada microfonte pode pertencer a um proprietário diferente. Assim, cada controlador de microfonte deve ter um grau de inteligência para tomar decisões locais. O objetivo é gerar competição entre os geradores de forma a maximizar a geração, atender à demanda e, em alguns casos, exportar o máximo de energia possível para a rede principal de acordo com os preços instantâneos de energia [22].

Alguns dos problemas envolvendo esta estratégia estão vinculados com a complexidade da microrrede, uma vez que cada microfonte possui um controle e uma microrrede com muitas microfontes possuiria um numero igualmente grade de controles. Além disso, cada unidade controlada recebe apenas informações locais e não tem conhecimento de outras variáveis do sistema.

2.3.2

Controle centralizado

Nesta estratégia, o controle de toda a rede é centralizado em um único sistema que processa os parâmetros para toda a microrrede. O controlador centralizado é responsável pelo compartilhamento de potência entre as microfontes, o qual pode incluir informações externas como exigências da concessionária

Alguns dos problemas envolvendo esta estratégia estão vinculados com a dependência da infraestrutura de comunicação e requerem algoritmos complexos de controle. Entretanto,

36 Capítulo 2. MICRORREDES

apresentam maior robustez.

2.3.3

Controle hierárquico

A estrutura hierárquica se divide em três níveis: controle local; controle central da microrrede; gerenciamento e controle do sistema de distribuição.

2.3.3.1 Nível 1: controle local

Existem dois tipos de controle neste nível: O controle individual de microfonte (microsource controller, MC) e o controle individual de carga (load controller, LC).

O MC é responsável pelo controle de cada microfonte e proporciona grande flexi-bilidade para a operação da microrrede uma vez que está vinculado, na grande maioria dos casos, aos dispositivos baseados em eletrônica de potência. Em modo interligado, é responsável pelo controle dos níveis de injeção de potência ativa e reativa de acordo com o estabelecido pelo controle central. Em modo isolado possui autonomia para promover a otimização local das injeções de potência ativa e reativa da microfonte [22].

O LC é instalado junto às cargas controláveis, com o objetivo de proporcionar controle de carga de acordo com comandos enviados pelo controlador central [22].

2.3.3.2 Nível 2: controle central

O controle central (CC) é responsável pela otimização da operação da microrrede. Esse controlador pedidos do sistema de gerenciamento de distribuição (Distribution Management System, DMS) para determinar o fluxo de potência das microfontes e cargas internas a microrrede, otimizando a geração interna e evitando operações em regiões não seguras [22]. 2.3.3.3 Nível 3: sistema de gerenciamento de distribuição

O DMS é o nível mais alto da hierarquia de controle, podendo estar interligado com diversos CCs. Para uma operação adequada na presença de microrredes, algumas novas funções devem ser incluídas ao DMS tradicional, utilizados nos centros de operações de sistema de distribuição. Assim, estabelece-se uma comunicação adequada com os CCs, além de permitir a operação autônoma de cada microrrede [22].

2.4

FONTES DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

Geradores de eletricidade renováveis ou não-convencionais empregados em sistemas de geração distribuída são conhecidos como Fontes de Geração Distribuída (FGDs). Um dos principais objetivos das microrredes é combinar todos os benefícios das tecnologias não-convencionais/renováveis de baixa geração de carbono e sistemas combinados de calor

2.4. FONTES DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA 37

e energia (CHPs) de alta eficiência. A esse respeito, as FGDs baseadas em CHP facilitam a geração de energia com eficiência energética, coletando o calor residual, ajudam assim a reduzir a poluição ambiental e gerando a chamada "energia limpa"[24]. Abaixo são apresentadas algumas das FGDs mais abordadas recentemente:

2.4.1

Energia solar fotovoltaica

Essa fonte de geração envolve a livre e inesgotável energia presente no nosso sistema solar, proveniente dos próprios raios solares. É implantada em todo o mundo como FGDs para o aumento da geração local no nível de tensão de distribuição [24]. As vantagens dessa tecnologia envolvem:

• A natureza sustentável da energia solar como combustível. • Vida útil funcional superior a 30 anos com manutenção mínima. • Geração silenciosa.

Algumas das desvantagens incluem:

• A variação de energia convertida em relação as situações climáticas. • Rendimento baixo em relação a outras fontes de energia, 25%.

2.4.2

Energia eólica

Figura 3 – Um aerogerador [25] Essa fonte de geração é proveniente do fluxo de

gases atmosféricos, o vento, e seu principal componente é o aerogerador. A imagem a seguir foi retirada de [25] e apresenta a composição básica de um aerogerador:

1. Fundação

2. Conexão com a rede elétrica 3. Torre

4. Escadaria de Acesso

5. Controle de orientação do vento 6. Nacela 7. Gerador 8. Anemômetro 9. Freio 10. Caixa de Câmbio 11. Pá rotatória

38 Capítulo 2. MICRORREDES

12. Controle de inclinação da pá 13. Cubo rotor

As vantagens dessa tecnologia envolvem:

• A natureza sustentável da energia eólica como com-bustível.

• Impacto ambiental mínimo.

• Geração de investimento em zonas desfavorecidas. • Escassa manutenção, revisões semestrais.

Algumas das desvantagens incluem:

• Intermitência dos ventos. • Impacto visual.

• Impacto sonoro. • Impacto aviário.

2.4.3

Geração hidrelétrica de pequena escala

A produção de hidroeletricidade é considerada um dos processos mais eficientes e menos poluidores, incorporando as vertentes das energias renováveis e sustentáveis. Instalando novos projetos com construções de barragens em locais apropriados, os efeitos no ecossistema poderão ser reversíveis e amenizados, não impactando de maneira agressiva o meio ambiente [21].

Nas pequenas centrais hídricas, os inconvenientes como citamos para o meio ambiente, resumem-se praticamente à fase de construção e desenvolvimento das obras. Logo após esse processo, os impactos negativos diminuem significativamente, a fase de funcionamento é mais simples e menos nociva, causando assim um melhoramento contínuo no processo de inicialização da hidroelétrica.

Algumas das vantagens dessa tecnologia são:

• Baixo custo de produção. • Alta confiabilidade. • Não polui o ambiente.

2.4. FONTES DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA 39

• Erosão de solos e alteração da vegetação local. • Alteração do ecossistema.

• Elevados custos de instalação e desativação.

2.4.4

Sistema combinado de calor e potência

O sistema combinado de calor e potência (CHP) ou sistema de cogeração é muito promissores para as microrredes e se caracteriza pela utilização de calor gerado por outras fontes pertencentes a microrrede. Seu funcionamento baseia-se principalmente em motores de combustão interna, motor Stirling, microtubos e células de combustível [24].

As vantagens dessa tecnologia envolvem:

• Reaproveitamento do calor emitido. • Melhoria do rendimento do sistema. • Diminui impactos ambientais.

Uma das desvantagens inclui:

• A Necessidade da proximidade entre a carga e a microfonte.

2.4.5

Outros tipos de fontes de geração distribuída

Gás de aterro, biomassa, resíduos urbanos, são exemplos de possíveis fontes de geração de eletricidade e da diversidade de tecnologias utilizáveis em gerações distribuídas. A utilização dessas fontes variam com disponibilidade destes recursos que muitas vezes são específicas do projeto da microrrede [24]. Entre suas vantagens, destacam-se:

• Reciclagem de recursos poluentes.

• Adaptação ao saneamento em ambientes urbanos. Entre as desvantagens:

• Baixa densidade energética. • Escassez de recursos.

40 Capítulo 2. MICRORREDES

2.4.6

Sistemas de armazenamento

Os sistemas de armazenamento desempenham um papel muito importante para a operação das microrredes ao garantirem a alimentação ininterrupta de potência. Entre os sistemas de armazenamento destacam-se:

2.4.6.1 Baterias de armazenamento

A tecnologia de baterias de armazenamento evolui constantemente, criando assim diversos modelos de baterias que variam desde a suas composições químicas até suas capacidades de descarga, tensão, dimensão, peso e, principalmente, preço.

Atualmente, baterias de lítio (mais especificamente as células de níquel-cobalto-alumínio-óxido, NCA, as células de ferro-fosfato, LiFePO4, e as células de níquel-magnésio-cobalto-oxído, NMC) tem se expandindo com o crescente mercado dos sistemas embarcados. Entretanto, apesar de possuírem uma alta densidade energética, ou seja, estocarem mais energia em um volume físico menor, os custos de implementação deste tipo de células ainda são muito altos.

Outro tipo de bateria bastante utilizados são as células de chumbo-ácido. Apesar de possuir uma densidade energética bem inferior as células de lítio, esse tipo de bateria é bem mais barato e bem mais difundido no mercado.

Neste sentido, as células de chumbo-ácido possuem uma grande vantagem em relação as de lítio em projetos de microrredes: Desde que se tenha espaço para o sistema de armazenamento na microrrede, a densidade energética e o peso do sistema são irrelevantes.

Além dessas, existem várias outras possíveis tecnologias de baterias utilizáveis como sistema de armazenamento em microrredes. Destaca-se entre essas, a bateria de sal fundido, Na-Ni-Cl (mais especificamente o tipo sódio-cloreto de níquel, Na-NiCl2), cujas pesquisas no parque tecnológico de Itaipu se destacam nacionalmente como soluções em diversas áreas (entre elas, a geração distribuída) [18].

2.4.6.2 Bateria inercial

As baterias inerciais (também denominadas volantes de inércia) são máquinas elétricas capazes de armazenar energia cinética. O funcionamento de uma bateria inercial se dá pela aceleração de um rotor (volante) a uma velocidade de 20000 a 50000 rpm (a alta velocidade se deve ao fato dessas máquinas serem projetadas para trabalhar em vazio, apenas para armazenamento) dentro de uma câmara de vácuo, reduzindo assim as perdas por atrito com o ambiente [14]. Essa tecnologia ainda possui alguns ônus não resolvidos, entre eles destaca-se o efeito giroscópio produzido por um disco em altas rotações [14].

2.5. CONCLUSÃO DO CAPÍTULO 41

2.5

CONCLUSÃO DO CAPÍTULO

Neste capítulo foram apresentados diversos conceitos que envolvem as microrredes. O funcionamento dos sistemas propostos neste trabalho estão diretamente ligados aos conceitos das seções 2.2 e 2.3. A seção 2.4 apresentou algumas fontes de geração distribuída, o próximo capítulo dará enfase a geração hidrelétrica.

43

3 GERAÇÃO HIDRELÉTRICA: CONTROLE

DE VELOCIDADE E EXCITAÇÃO

3.1

INTRODUÇÃO

Este trabalho apresenta uma estratégia de controle para reconexão de microrredes com predominância de geração hidrelétrica. Para isso, se faz necessário um estudo mais específico sobre o controle primário de velocidade e o controle de excitação de uma usina hidrelétrica.

A estabilidade operacional de um sistema de potência depende da sua habilidade em continuamente casar a injeção elétrica das unidades geradoras com a demanda elé-trica da carga deste sistema [9]. Neste capítulo serão abordados aspectos do controle de velocidade/frequência e de excitação de uma usina hidrelétrica convencional.

3.2

SISTEMA DE CONTROLE DE FREQUÊNCIA DE UMA USINA

HIDRELÉTRICA

Essa seção é destinada à apresentação dos elementos que compões o sistema de controle de frequência de uma usina hidrelétrica.

3.2.1

A equação de oscilação

Seja o momento de inércia de um gerador síncrono (J ) e a aceleração angular do rotor (γ), o torque líquido aplicado sobre o rotor (Ta) é representado por:

Ta = J γ (3.1)

O torque Ta é composto pelo torque mecânico de entrada, o torque eletromagnético e o torque proveniente das perdas rotacionais [1]. Podemos representá-lo por:

Ta = Tm− Te (3.2)

Tm é o torque mecânico de entrada, corrigido para perdas rotacionais, e Te é o torque eletromagnético. Em regime permanente, não há aceleração do rotor e Taestará em função apenas de possíveis perturbações. Seja δ o ângulo entre um eixo fixo do rotor e um eixo que gira tal que δ = ωst:

Jd

2_δ

44 Capítulo 3. GERAÇÃO HIDRELÉTRICA: CONTROLE DE VELOCIDADE E EXCITAÇÃO

É possível equacionar a oscilação do gerador de forma simplificada a partir da quantidade de movimento angular M1 _{(M = J ω):}

Md 2_δ dt2 = Pm− Pe (3.4) Ou: Mdωs dt = Pm− Pe (3.5)

Para pequenas perturbações e operando na região de equilíbrio do ponto ˙ω = 0 onde ω = ω0 _{= 2πf}0 _{e f}0 _{é a frequência da rede. De forma geral:}

Md∆ωs

dt = ∆Pm− ∆Pe (3.6)

3.2.2

Modelo de carga

Mesmo que a composição da carga seja conhecida com exatidão, é impraticável a representação individual de cada componente pois podem existir milhões destes compo-nentes imersos no conjunto de carga total. Logo, o que se define como carga representativa em estudos é baseado em uma amostra simplificada do sistema [9].

Em função de sua componente reativa, a potência das cargas sofre uma variação. Supondo essa variação linear:

Pe = PL+ D∆ω (3.7)

Onde:

Pe é a potência elétrica de saída; PL é carga a frequência nominal;

D é característica de frequência da carga.

∆Pe = ∆PL+ D∆ω (3.8)

A figura ?? apresenta o diagrama de blocos do conjunto isolado carga-gerador:

3.2.3

A Turbina hidráulica

Existem diversos tipos de turbinas hidráulicas, entre as mais utilizadas destacam-se três:

• Turbina Pelton ou de impulso: Geralmente utilizada em usinas cuja altura dágua varia de 350m a 1100m [19]. São geralmente de eixo horizontal, com o gerador montado ao lado da turbina. O máximo rendimento da turbina Pelton situa-se entre 80% e 90% [26].

3.2. SISTEMA DE CONTROLE DE FREQUÊNCIA DE UMA USINA HIDRELÉTRICA 45

Figura 4 – Diagrama de blocos do conjunto isolado carga-gerador

• Turbina Francis ou de reação: Geralmente utilizada em usinas cuja altura varia de 10m a 650m [19]. São do tipo de fluxo radial, com o gerador normalmente acionado pelo próprio eixo da turbina. O máximo rendimento da turbina Francis situa-se entre 80% e 90% [26].

• Turbina Kaplan: Geralmente utilizada em usinas cuja altura varia de 5m a 60m. [19] São do tipo de hélice com duplo comando de passo. Operam com velocidade mais alta que as turbinas Francis. O máximo rendimento da turbina Kaplan situa-se entre 85% e 92% [19].

Existem ainda outros tipos como as turbinas Michell Banki, ou Turbinas Bulbo, entre outras.

Em uma turbina hidráulica, a vazão da água na turbina (Q) e o torque da turbina (Tm) são variáveis em função da altura no reservatório com relação a entrada na turbina (H), da velocidade da turbina (N) e da posição do distribuidor (G). Assim, desconsidera-se o fenômeno de compressão da água no conduto, o "golpe de aríete", é possível aproximar a variação de potência mecânica da turbina pela variação de abertura do distribuidor a partir do princípio de Pascal (∆P a = ρg(∆H)), da segunda e da terceira Leis de Newton, do fato que a vazão de água na turbina é proporcional a posição do distribuidor e da altura (tal que Q = K1G

√

H), do fato que o o torque da turbina é proporcional a vazão e a altura (tal que Tm = K2HQ∆Tm) e operando sobre um ponto de equilíbrio (Q0, H0, G0):

∆Pm/Pm0 ∆G/G0

(s) = 1 − Tws 1 + (Tw/2)s

(3.9)

O tempo de partida Tw é o tempo necessário para acelerar a água no conduto L até a velocidade v0 sob a ação da pressão H0 e da aceleração da gravidade g. (Tw = _gHLv0₀)

46 Capítulo 3. GERAÇÃO HIDRELÉTRICA: CONTROLE DE VELOCIDADE E EXCITAÇÃO

3.2.4

O regulador de velocidade

A distribuição de carga, sincronização do gerador ao sistema e regulação primária de velocidade são algumas das principais tarefas do regulador de velocidade.

O regulador de velocidade consiste no conjunto do transdutor eletro-mecânico, sensor de velocidade, os servomotores que precedem e ajustam a posição do distribuidor da turbina.

3.2.4.1 Sensor de velocidade e transdutor

O transdutor, cuja saída é um deslocamento posicional proporcional à velocidade do rotor, gera uma variação posicional (∆x) que pode ser expresso a partir da relação entre a variação de velocidade (∆ω) e a regulação (R):

∆x ∆ω =

1

R (3.10)

3.2.4.2 Servomotor

O servomotor é definido a partir da equação da Lei de Darcy: o fluxo de óleo no servomotor (Qservo) é a variação volumétrica (∆Vservo) de óleo no servomotor em um estante de tempo (Qservo = dVservo_dt ). Considerando constante a pressão do óleo no mecanismo do servomotor, e proporcional a variação do fluxo de óleo, a variação no volume do óleo é proporcional e contrária ao deslocamento. Considerando T1 como uma constante

que abrange a pressão do óleo no mecanismo, a área do cilindro entre outras constantes relativas a força de mola, inércias e possíveis reações do óleo, a relação entre o ajuste da posição do distribuidor (G(s)) e a entrada do servomotor (aqui representada pelo erro compensado, Ecomp) pode ser definida como:

G(s) Ecomp

= 1

1 + T1s

(3.11)

3.2.4.3 Compensador de atraso de fase

Um compensador do tipo atraso de fase é ajustado para atender a condição de operação da turbina hidrelétrica. Geralmente, o procedimento adotado para o projeto do compensador é considerar a condição de sistema isolado, que impõe os requisitos mais severos de operação e que garante que em caso de ilhamento a estabilidade é mantida. Considera-se ainda que a otimização do ajuste para cada sistema considerado isoladamente leva a um bom desempenho do sistema interligado [26]. A equação de um compensador de atraso de fase é apresentada a seguir:

Gc(s) = K

1 + τ s

3.3. SISTEMA DE CONTROLE DA EXCITAÇÃO DE UMA USINA HIDRELÉTRICA 47

com α > 1.

O compensador por atraso de fase de um sistema de controle primário de velocidade de um hidrogerador pode ser representado pela seguinte função transferência:

Faj(s) = 1 R 1 + Trs 1 + (r/R)Trs (3.13)

Em [26], aproxima-se o ajuste dos parâmetros e aproximar a função transferência do compensador com o regulador de velocidade assumindo-se que o estatismo transitório (r) é proporcional ao tempo de partida (Tw) e a quantidade de movimento angular (M ) e a constante de tempo do amortecedor hidráulico (Tr) é também proporcional a Tw:

r = 2.5Tw

M (3.14)

Tr = 6Tw (3.15)

3.2.5

Diagrama completo do sistema de controle de velocidade

O diagrama do sistema de controle de velocidade é apresentado na Figura 5:

Figura 5 – Diagrama de blocos do sistema de controle de velocidade da turbina

3.3

SISTEMA DE CONTROLE DA EXCITAÇÃO DE UMA USINA

HIDRELÉTRICA

O sistema de excitação é responsável não somente pela tensão de saída da máquina, mas também pelo fator de potência e pela magnitude da corrente gerada [1].

Os elementos básicos que formam diferentes tipos de sistemas de excitação são as excitatrizes (automáticas ou excitados separadamente); excitatrizes CA; retificadores

48 Capítulo 3. GERAÇÃO HIDRELÉTRICA: CONTROLE DE VELOCIDADE E EXCITAÇÃO

(controlados ou não controlados); amplificadores magnéticos, rotativos ou eletrônicos; circuito de feedback estabilizador do sistema de excitação; Sensores de sinalização e circuitos de processamento [9].

Para esse trabalho, implementou-se um sistema de excitação com uma excitatriz CC em série com um amplificador rotativo e realimentado por retificadores não controlados. No artigo: "IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies", recomenda-se alguns modelos de sistema de excitação. Para este trabalho, o modelo DC1C foi selecionado. O sistema de excitação do tipo DC1C é usado para representar as excitatrizes de comutação DC controladas em campo com reguladores de tensão de ação contínua (especialmente os tipos de amplificador magnético rotativo e reostático de ação direta) [5].

Figura 6 – Sistema de excitação do tipo DC1C. (Fonte: IEEE) [5]

As entradas alternativas do sistema, representadas pelas letras ’a’ e ’b’ na Figura6

serão desconsideradas neste estudo. Dessa forma, os circuitos de gating (HV e LV), responsáveis por variações no circuito também não serão utilizados.

3.3.1

Diagrama completo do sistema de excitação

O Sistema de Excitação completo é apresentado na Figura 7:

3.4. CONCLUSÃO DO CAPÍTULO 49

3.4

CONCLUSÃO DO CAPÍTULO

Neste capítulo foram apresentados aspectos do controle de uma usina hidrelétrica. Destacam-se neste capítulo os diagramas das Figuras 5e7, estes diagramas serão utilizados no próximo capítulo, quando forem propostos os controles de sincronismo entre a microrrede e a rede principal.

51

4 CONTROLE SUPLEMENTAR PARA

RE-CONEXÃO DE MICRORREDE

4.1

INTRODUÇÃO

Em uma microrrede, a confiabilidade do sistema, expressado pela continuidade do serviço, é possível porque a microrrede pode operar isolada da rede principal [15]. O modo de operação isolado impõe uma série de desafios relacionados ao controle e operação das unidades de geração. Os controles de tensão, frequência e fase são três destes desafios. A típica baixa inércia das pequenas unidades de geração implica em elevada taxa de variação de frequência e elevados desvios de frequência, nos casos de variações típicas e atípicas de carga [2].

Neste capítulo serão discutidas as transições entre os modos de operação de uma microrrede bem como os requisitos de controle de cada modo e o controle suplementar. Além disso, será apresentado o sistema de sincronismo entre a microrrede e a rede principal como estratégia para a reconexão.

4.2

MODOS DE OPERAÇÃO EM REGIME PERMANENTE

Como já foi apresentado no capítulo 2, as microrredes podem operar nos modos (i) Interligado e (ii) Isolado (de ilhamento) e o controle suplementar do sistema deve se

adaptar para cada modo de operação.

No modo interligado, o objetivo do controle das microfontes é garantir a injeção de potência ativa e reativa, de acordo com valores pré-estabelecidos [22]. Neste caso, a estrutura do controlador segue a estrutura geral das hidrelétricas e a referência de potência ativa e potência reativa é ajustada pelo operador da mesma.

Já no modo isolado, o objetivo dos controle das microfontes é garantir que o desbalanço entre carga e geração resultante da desconexão da rede principal seja suprido por todas as fontes conectadas à microrrede [22]. Assim, no caso de uma estratégia de controle hierárquica, o controle central é responsável pelo fluxo de potência em cada elemento da microrrede.

4.3

DESCONEXÃO E RECONEXÃO À REDE

No ponto de acoplamento comum, um disjuntor trifásico conecta a rede principal à microrrede. Havendo a necessidade de ilhamento da microrrede, é aberto o disjuntor

52 Capítulo 4. CONTROLE SUPLEMENTAR PARA RECONEXÃO DE MICRORREDE

e a demanda das cargas internas à microrrede é suprida apenas pelas fontes internas de geração. Da mesma forma, a reconexão da microrrede ocorre com o fechamento deste mesmo disjuntor. Entretanto, a paralelização de dois sistemas síncronos requer uma operação de coordenadas a fim de minimizar perturbações e oscilações de potência durante o chaveamento [15]. Para um processo suave de reconexão, a diferença de tensão, frequência e fase entre as duas barras deve ser mínima ou nula.

4.3.1

Desconexão de microrredes

As desconexões podem ser divididas em dois casos de formação (i) pré-planejados e (ii) não planejados.

No caso pré-planejado, a repartição adequada de carga da microrrede entre as unidades de geração distribuída e a rede principal pode ser programada antes do ilhamento. Assim, o processo de ilhamento resulta em transientes mínimos e a microrrede continua funcionando como um sistema autônomo [6].

Já uma formação não planejada ocorre devido a uma falha e seus subsequentes incidentes de comutação ou algum outro processo de comutação inesperado. Antes do ilhamento, as condições de operação da microrrede poderiam ser amplamente variadas, por exemplo, as unidades de geração distribuída poderiam compartilhar a carga de várias maneiras e toda a porção da rede poderia fornecer ou importar energia da rede principal [6].

Em ambos se faz necessária uma predefinição da estratégia de controle da microrrede e consecutivamente das fontes geradoras que a compõe. Este trabalho se volta ao controle local de uma fonte de geração hidrelétrica e portanto, é cabível para algumas estratégias de controle como a de controle hierárquico (nível 1) ou controle decentralizado.

Existem diversos motivos para se desconectar uma microrrede da rede principal. Algumas delas podem ser:

• Contingências externas a microrrede: Isolando a microrrede e garantindo o fornecimento aos elementos internos.

• Contingências internas a microrrede: Isolando a rede principal e garantindo o fornecimento aos elementos externos.

• Política de relações internacionais: Utilizando microrredes em divisões territo-riais e coordenando o fornecimento de energia em fronteiras e divisas.

• Condições ambientais: Otimizando a qualidade da energia gerada em função das condições favoráveis às microfontes renováveis.

• Economia: Ajustando o custo de geração as condições favoráveis às microfontes renováveis.

4.4. CONTROLE DO ERRO DE TENSÃO 53

• Manutenção e testes: Isolando elementos em funcionamento atípico da rede principal.

4.3.2

Reconexão de microrredes

A reconexão de microrredes é possível após uma sincronização entre o barramento imediatamente externo a microrrede e o barramento da própria microrrede. Para isso, é necessário um sistema de sincronismo e reconexão que auxiliará os controles suplementares das microfontes a fim de minimizar as diferenças entre os barramentos.

Neste trabalho, três elementos devem ser controlados para se garantir uma boa reconexão da microrrede, são eles:

4.3.2.1 Tensão

O controle interno do sistema de excitação é usualmente proporcional, ou seja, gera um erro após uma perturbação. Isso se deve ao fato de o sistema assegurar que para grandes variações de tensão, o gerador não tenha seus limites ultrapassados [26]. A fim de não interromper a geração de energia, busca-se minimizar qualquer diferença de tensão entre a rede principal e a microrrede.

4.3.2.2 Frequência

Como já discutido no capítulo 3, as variações de potência ativa são compensadas com a velocidade de rotação da máquina síncrona o que altera a frequência do sistema. O sistema de reconexão da microrrede deve sincronizar as frequências da rede principal e da microrrede e garantir a estabilidade do sistema.

4.3.2.3 Fase

Para evitar desvios de alta frequência durante a reconexão, a defasagem entre as barras deve ser minimizada. Em [15], essa minimização é feita por um relé com um valor de desvio de fase máximo predefinido. Neste trabalho, um PI com uma resposta muito mais lenta que o controle de frequência será utilizado para esse ajuste.

4.4

CONTROLE DO ERRO DE TENSÃO

Para o controle o erro de tensão, um controlador PI minimiza a diferença entre a tensão da rede principal e a tensão da barra situado junto ao PCC. O dado é coletado na proximidade do disjuntor entre as barras e é enviado à central de geração distribuída onde será implementado no sistema de excitação. A estrutura simplificada do controle de erro de tensão é apresentado na figura a seguir:

54 Capítulo 4. CONTROLE SUPLEMENTAR PARA RECONEXÃO DE MICRORREDE

Figura 8 – Estrutura do controle do erro de tensão

O sistema de controle do erro de tensão é realimentado na entrada de referência de tensão do sistema de controle de excitação. Um bloco seletor é posto à saída do controlador PI. Desta forma é possível interromper o controle e manter uma referência de tensão ajustada pelo operador [15].

O diagrama de blocos do sistema de controle do erro de tensão é apresentado a seguir:

Figura 9 – Diagrama de blocos do sistema de controle do erro de tensão

4.5

CONTROLES DE SINCRONISMO DE FREQUÊNCIA E DE

DEFASAGEM

o sistema de sincronismo de frequência requer um controle do tipo isócrono na realimentação de velocidade [29]. Entretanto, esse mesmo controle isócrono pode forçar o gerador a suprir toda a demanda do sistema ou trabalhar em velocidade nominal se estiver conectado a um sistema maior, ignorando a referência de potência ativa estipulada pelo operador.

Um sensor de reconexão, acionado a partir do controle central da microrrede, é posicionado a base de uma chave que fecha a malha de controle de sincronismo e defasagem,

4.6. FLUXO DE POTÊNCIA APÓS A RECONEXÃO 55

de forma a iniciar o processo de reconexão da microrrede.

Após a inicialização do processo de reconexão os erros compensados de frequência e fase somam-se a entrada da referência de potência ativa da turbina. A estrutura simplificada dos controles de sincronismo de frequência e de defasagem é apresentada na Figura 10:

Figura 10 – Estrutura do controle de sincronismo de frequência e fase

O diagrama de blocos do sistema de controle de sincronismo e defasagem é apresentado na Figura 11:

Figura 11 – Diagrama de blocos do sistema completo de controle de sincronismo e defasa-gem

4.6

FLUXO DE POTÊNCIA APÓS A RECONEXÃO

Ignorando-se as perdas ativas na linha de transmissão, os fluxos de potência ativa e reativa entre duas barras podem ser descritos por:

Pij = ViVj

56 Capítulo 4. CONTROLE SUPLEMENTAR PARA RECONEXÃO DE MICRORREDE

Qij = Vi

X(Vi− Vjcos δij) (4.2)

Após a supressão dos erros de tensão, frequência e fase, tem-se que Vi = Vj e δij = 0 e, portanto, não há fluxo de potência entre as barras.

Abrindo-se a malha do controle suplementar, a referência de potência ativa é definida novamente pelo ajuste do operador e o controle primário de velocidade responsabiliza-se pelo amortecimento da variação de potência ativa gerada.

4.7

CONCLUSÃO DO CAPÍTULO

Neste capítulo foram apresentados os sistemas de controle de reconexão para uma fonte local, mais especificamente para uma pequena central hidrelétrica. O projeto dos controladores do sistema, presentes nos diagramas das Figuras 9 e 11, é debatido no próximo capítulo.

57

5 PROJETO DE CONTROLADORES

UTI-LIZANDO ALGORITMOS GENÉTICOS

5.1

INTRODUÇÃO

Como apresentado no capítulo anterior, três compensadores são utilizados para o controle de sincronia de tensão, frequência e fase. Entretanto, o ajuste destes compensadores é específico para cada projeto, sendo necessário um estudo individual do desempenho da microrrede e da PCH em questão.

Este capítulo tem como objetivo apresentar os conceitos de algoritmo genético (AG), sua implementação no problema e uma proposta de ajuste dos parâmetros dos controladores do sistema suplementar de reconexão baseado neste procedimento. Para isso, um algoritmo genético será utilizado a fim de encontrar os valores ótimos dos ajustes de controladores.

5.2

O ALGORITMO GENÉTICO

Em inteligência artificial, o conceito de algoritmo genético consiste em adotar padrões de hereditariedade, já bem explorados pelas ciências biológicas como em [7] e [4], a fim de selecionar candidatos ótimos a solução de um sistema.

Dado que a iteração por algoritmos genéticos é uma ferramenta matemática de otimização o seu uso é pertinente ao projeto, a capacidade de otimizar problemas lineares e não-lineares tornou os Algoritmos Genéticos (AGs) uma ótima opção. Uma vez que os computadores vêm se tornando mais velozes e com grande capacidade de armazenamento de informações, a área de inteligência artificial aproxima-se fortemente dos meios científicos e industriais [12].

Em [28], os princípios básicos de um algoritmo genético são listados por: 1. Formulação da população inicial

2. Função objetivo

3. Função de avaliação

4. Aplicação de operadores genéticos

a) Reprodução

b) Cruzamento

58 Capítulo 5. PROJETO DE CONTROLADORES UTILIZANDO ALGORITMOS GENÉTICOS

5. Critério de parada

5.2.1

Formulação da população inicial

Nesta etapa, são ajustados aspectos relativos aos limites experimentais como [28]: • Máximos e mínimos valores assumíveis pelos genes (variáveis) do indivíduo testado; • O número total de indivíduos de uma mesma geração;

• As taxas de seleção, reprodução e mutação; • O número de gerações (iterações);

• O número de genes (variáveis) que cada indivíduo possui.

Como exemplo: Seja {x, y ∈ IR}, a função F (x, y) = x2_{+ y}2_{− 1 possui mínimo. Um}

grupo de 50 indivíduos com 2 genes cada (x, y) pode ser gerado para buscar, no intervalo [(xmin, ymin), (xmax, ymax)] durante 100 gerações (iterações) de operações genéticas, uma ótima combinação de genes (x, y) que busque o mínimo local ou global de F (x, y).

5.2.2

Função objetivo

Trata-se da própria função do sistema. No caso do exemplo anterior [28]:

F (x, y) = x2+ y2− 1 (5.1)

5.2.3

Função de avaliação (fitness)

Em algoritmos genéticos, a classificação dos indivíduos é de extrema importância, pois será assim que a seleção natural determinará quais indivíduos devem reproduzir e quais serão extintos. A função de avaliação é uma função adjacente à função objetivo e é utilizada para avaliar os indivíduos testados. A principal diferença entre uma função objetivo e uma função de avaliação é que a função de avaliação precisa de uma referência afirmativa provada por teorema [28].

Seguindo com o exemplo: Uma boa função de avaliação para o problema seria o módulo da função gradiente de F (x, y), pois ainda que não se saiba o mínimo F (x, y), em um intervalo fechado é possível provar a existência de um máximo e um mínimo pelo teorema do valores extremos e pelo Teorema de Fermat. Portanto, um mínimo existe e seu gradiente é igual a 0: |−→∇F (x, y)| = s (∂F (x, y) ∂x ) 2_{+ (}∂F (x, y) ∂y ) 2 ₌q_4x2_{+ 4y}2 _(5.2)

5.2. O ALGORITMO GENÉTICO 59

5.2.4

Aplicação dos operadores genéticos

Essa é a essência genética do algorítimo. Nela estão fundadas as teorias de Gregor Mendel, Charles Darwin e Hugo de Vries [28].

5.2.4.1 Reprodução

Diferentemente da biota, onde o ecossistema define a seleção natural, a reprodução dos indivíduos em algoritmos genéticos é determinada pelo critério de avaliação e pelo ajuste do projetista.

Existem diversas formas de se projetar a seleção dos indivíduos. Após serem testados na função de avaliação, os indivíduos são listados e recebem uma pontuação por sua avaliação. Assim é possível selecioná-los a partir de médias entre os mesmos, ou a partir de valores pré-fixados. Dois métodos têm destaque bibliográfico: seleção por roleta, onde os elementos recebem uma probabilidade de reprodução proporcional à posição em que se encontra na lista, e seleção por resto estocástico, onde a pontuação conquistada na avaliação definirá, a partir de uma média entre todos os indivíduos, a probabilidade de reprodução ou extinção. Neste trabalho utiliza-se o método de seleção por roleta.

5.2.4.2 Cruzamento

Após a reprodução de alguns indivíduos e a extinção de outros. A operação de cruzamento é utilizada a fim de evoluir a prole. A principal diferença entre a reprodução e o cruzamento é que a reprodução clona o indivíduo selecionado, o que na biologia pode ser comparada à mitose (divisão da célula mantendo a mesma composição genética), enquanto que no cruzamento, dois indivíduos compartilham de suas informações genéticas para gerar novos indivíduos.

5.2.4.3 Mutação

Após o cruzamento, alguns indivíduos são escolhidos randomicamente para um processo de mutação. Este processo demanda a responsabilidade do projetista, pois o mau ajuste da taxa de mutação pode comprometer todo o experimento. Por exemplo: Supondo dois experimentos extremos, no primeiro não há mutações e a solução ótima é escolhida apenas pela reprodução e cruzamento. Desta forma, o resultado se limitará a um ótimo local da região de todos os indivíduos testados, limitando o estudo. Supõem se agora um segundo experimento com uma taxa de 100% de mutação, neste caso o algorítimo eliminará as características genéticas hereditárias e convergirá a uma solução randômica. Em [8], diferentes técnicas de ajuste à taxa de mutação são testados e debatidos. A partir dos teste e indicações de [8], assumiu-se apenas a taxa de mutação do conjunto total de indivíduos igual a 10% para este trabalho.

60 Capítulo 5. PROJETO DE CONTROLADORES UTILIZANDO ALGORITMOS GENÉTICOS

5.2.5

Critério de parada

O critério de parada ocorre após a avaliação da última geração de indivíduos. Portanto, os últimos indivíduos não se reproduzem nem cruzam e nem sofrem mutação.

O indivíduo com maior pontuação ou na primeira posição da classificação é o ótimo local do experimento e é a solução do algorítimo [28].

5.2.6

Fluxograma do algorítimo

O fluxograma de um algoritmo genético é apresentado a seguir:

Figura 12 – Fluxograma de um algoritmo genético

5.3

REQUISITOS DE PROJETO DOS SISTEMAS DE CONTROLE

Na análise e no projeto de sistemas de controle, deve-se ter uma base de comparação do desempenho de vários sistemas de controle. Essa base pode ser estabelecida detalhando-se sinais de entrada de teste específicos e, em detalhando-seguida, comparando-detalhando-se as respostas dos vários sistemas com esses sinais [17].

No projeto de um sistema de controle, deve ser possível prever seu comportamento dinâmico a partir do conhecimento de seus componentes. A característica mais importante do comportamento dinâmico do sistema de controle é a estabilidade absoluta [17]. Um sistema de controle está em equilíbrio se, na ausência de qualquer distúrbio ou sinal de entrada, a saída permanece no mesmo estado [17]. Destaca-se aqui o primeiro requisito a ser cumprido pela função de avaliação do projeto, a estabilidade absoluta. A função de avaliação deve garantir a convergência da saída do sistema.

Como um sistema físico de controle contém energia armazenada, a estabilidade relativa também é uma característica importante do sistema e está diretamente relacionada