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GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

GERAÇÃO

DISTRIBUÍDA

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Geração

D

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RESUMO

Este trabalho apresenta os resultados alcançados em projeto executado pela COPPE/UFRJ para a CERJ, dentro do Pro-grama de P&D do Setor Elétrico Brasileiro coordenado pela ANEEL no ciclo 2002/2003. O projeto tratou do desenvolvi-mento de metodologia para localização e dimensionadesenvolvi-mento ótimo de geração distribuída em redes de distribuição de ener-gia elétrica, levando em consideração o custo da instalação das unidades de GD e a melhoria nos índices de confiabilidade da rede, no perfil de tensão e nas perdas elétricas. A metodologia baseia-se na utilização de Algoritmos Genéticos combinados com um módulo de avaliação do impacto da geração distribu-ída nas redes de distribuição. A ferramenta computacional foi desenvolvida em linguagem de programação C++ consideran-do a Modelagem Orientada a Objetos e dispõe de interface gráfica amigável ao usuário para entrada de dados e visualização de resultados.

PALAVRAS-CHAVE

Sistemas de Distribuição, Geração Distribuída, Confiabilidade, Perdas Elétricas, Perfil de Tensão, Algoritmos Genéticos.

I. INTRODUÇÃO

Uma alternativa para o atendimento da demanda cres-cente de energia elétrica observada nas últimas décadas é a utilização de geração distribuída. Geração distribuída (GD) está relacionada com a utilização de pequenas unidades geradoras (10MW ou menos) instaladas em pontos estra-tégicos do sistema elétrico e, principalmente, próximos a centros de consumo. As tecnologias aplicadas em GD com-preendem pequenas turbinas a gás, microturbinas, células combustíveis, geradores eólicos, energia solar, etc. A GD pode ser utilizada de modo isolado, suprindo a demanda local do consumidor, ou de modo integrado, fornecendo energia ao restante do sistema elétrico. Em sistemas de distribuição, a GD pode fornecer benefícios tanto para

con-sumidores como empresas fornecedoras, especialmente em locais onde a geração central é impraticável ou existe defi-ciência do sistema de transporte de energia. As principais razões da crescente utilização de GD são:

1. As unidades de GD estão mais próximas dos consumi-dores de modo que os custos de transporte (transmis-são e distribuição) (transmis-são reduzidos;

2. As novas tecnologias disponibilizaram unidades varian-do de 10KW a 15MW;

3. O tempo de instalação é reduzido e os riscos de inves-timento não são tão altos;

4. As questões ambientais levantadas com a instalação de pequenas unidades são reduzidas, especialmente quan-do empregadas fontes alternativas de energia;

5. Oferece grande flexibilidade de escolha da combinação mais adequada de custo e confiabilidade;

6. A liberação do mercado de energia cria oportunidades para novos agentes produtores.

Neste contexto, a necessidade de prover acesso à rede de distribuição às empresas que desejam instalar unidades de GD confronta com a necessidade de contro-lar a rede e garantir níveis adequados de segurança e confiabilidade. As empresas de energia elétrica passam a ter de lidar não só com os problemas técnicos já conheci-dos, mas também com novas tarefas. As incertezas en-volvidas no planejamento e operação do sistema tornam-se maiores do que no passado e certamente novas ferra-mentas necessitam ser desenvolvidas para analisar e pre-ver o comportamento do sistema.

O planejamento do sistema elétrico com a presença de GD requer a definição de vários fatores, tais como: a melhor tecnologia a ser utilizada, o número e a capacidade das unida-des, a melhor localização, o modo de interconexão à rede, etc. O impacto da GD nas características operacionais do sistema, tais como perdas elétricas, perfil de tensão, confiabilidade, entre outras, precisa ser adequadamente avaliado. Este proje-to visa analisar o impacproje-to da localização e dimensão das uni-dades de GD nas perdas elétricas, confiabilidade e perfil de tensão das redes de distribuição. A instalação de unidades de GD em locais não ótimos pode resultar em aumento das per-das do sistema, implicando em aumento de custos e tendo

Análise do Impacto da Localização e

Dimensão da Geração Distribuída na

Confiabilidade, Perdas Elétricas e Perfil de

Tensão de Redes de Distribuição

Carmen L.T. Borges, Djalma M. Falcão, Zulmar S. Machado Jr, Alessandro Manzoni - EE - COPPE/UFRJ

Este trabalho foi apoiado técnica e financeiramente pela CERJ – Companhia de Eletricidade do Rio de Janeiro, através de seu Programa de Pesquisa e Desenvolvimento ciclo 2002/2003. Carmen L.T. Borges é Prof. Adjunto da EE e COPPE/UFRJ (carmen@dee.ufrj.br). Djalma M. Falcão é Prof. Titular da COPPE/ UFRJ (falcão@nacad.ufrj.br). Zulmar S. Machado Jr é aluno de D.Sc. da COPPE/UFRJ (zulmar@pee.coppe.ufrj.br). Alessandro Manzoni é aluno de D.Sc. da COPPE/UFRJ (manzoni@coep.ufrj.br).

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Geração

D

istribuída

efeito contrário ao pretendido. Por essa razão, a utilização de uma ferramenta de otimização capaz de indicar a melhor solu-ção para uma dada rede de distribuisolu-ção pode ser de grande valia para o planejador do sistema frente ao aumento da pene-tração da GD que vem ocorrendo.

A seleção dos locais para instalação e dimensões das unidades de GD em sistemas de distribuição de grande porte é um problema de otimização combinatorial muito complexo. As técnicas convencionais de otimização reque-rem elevado esforço computacional e impõem modelagens simplificadas. Recentemente, uma nova classe de métodos de otimização, chamados de Métodos Metaheurísticos, tem sido aplicada com sucesso a problemas de otimização combinatorial em sistemas de potência.

A ferramenta computacional desenvolvida neste pro-jeto visa otimizar a localização e a dimensão da GD de modo a minimizar as perdas na rede de distribuição primária e ga-rantir níveis aceitáveis de confiabilidade e perfil de tensão. Para tanto, foi explorada a combinação da técnica de Algo-ritmos Genéticos com um método para avaliar os impactos da GD no desempenho do sistema, no tocante a confiabili-dade, nível de perdas e perfil de tensão.

A ferramenta computacional foi implementada basea-da numa plataforma de desenvolvimento (Modelagem Ori-entada a Objetos), a qual apresenta grande vantagem em termos de manutenção, expansão e re-utilização do códi-go. O programa foi desenvolvido levando-se em conside-ração as características específicas da rede da CERJ e con-tém uma interface gráfica amigável ao usuário.

II. METODOLOGIAS DESENVOLVIDAS

A ferramenta computacional desenvolvida neste proje-to visa otimizar a localização e a dimensão da GD de modo a minimizar as perdas na rede de distribuição primária e ga-rantir níveis aceitáveis de confiabilidade e perfil de tensão. Para tanto, foi explorada a combinação da técnica de Algo-ritmos Genéticos com um método para avaliar os impactos da GD no desempenho do sistema, no tocante a confiabili-dade, nível de perdas e perfil de tensão. Conceitualmente, a ferramenta envolveu o desenvolvimento dos seguintes métodos: • Método para avaliação do impacto da localização e da

dimensão das unidades de geração distribuída (GD) nas perdas elétricas, confiabilidade e perfil de tensão das redes de distribuição. A avaliação das perdas elétricas e do perfil de tensão é baseada em programa para cálculo do fluxo de potência com representação de geradores (barras PV) [1]. A avaliação da confiabilidade é baseada em métodos analíticos [2,3]. Os indicadores de continui-dade são calculados de acordo com a resolução No 024 da Aneel. O método desenvolvido pode ser utilizado de forma autônoma para avaliar soluções propostas por um especialista ou como parte integrante do método auto-mático de localização e dimensionamento ótimo de GD descrito a seguir.

• Método automático para localização e dimensionamento ótimo de unidades de GD, de modo a minimizar as perdas na rede de distribuição primária e garantir níveis aceitá-veis de confiabilidade e perfil de tensão. O método é baseado na técnica de Algoritmos Genéticos (AG), o qual utiliza o método de avaliação do impacto da GD acima descrito na avaliação das candidatas potenciais à solu-ção do problema [4]. O AG desempenha o papel do espe-cialista na tarefa de produzir candidatas potenciais à solução do problema de forma automática.

A. Método de Avaliação do Impacto da GD

A ferramenta básica para avaliação do impacto da GD nas perdas e perfil de tensão da rede de distribuição é o fluxo de potência. Existem vários trabalhos publicados na literatura que propõem metodologias para avaliação do fluxo de potência em redes de distribuição com representação de geradores. Alguns trabalhos apresentam grandes similari-dades, como por exemplo, o fato de todos converterem as redes originais em redes radiais visando à utilização de métodos de varredura para a resolução de fluxos de potên-cia. As principais diferenças observadas estão no tipo de método de varredura escolhido para resolver o problema de fluxo de potências e na forma de obter as atualizações das variáveis envolvidas no processo de convergência. No desenvolvimento deste projeto, foi adotado o método proposto por [1], por utilizar o método da soma das potên-cias para resolver o fluxo de potência, por incorporar a presença de barras PV e por ser de uma simplicidade ade-quada aos objetivos do projeto.

O efeito da presença de geração distribuída na confiabilidade do sistema foi considerado baseado em [5]. O método desenvolvido considera a possibilidade da GD suprir toda ou parte da carga interrompida na indisponibi-lidade da alimentação principal. A ocorrência de uma falha provoca a atuação dos dispositivos de proteção do siste-ma principal e da geração distribuída, caso em operação, seguida pela abertura dos dispositivos de isolamento ade-quados e posterior conexão da geração distribuída nova-mente ao sistema. Dessa forma, índices de confiabilidade relacionados à freqüência de falha não são alterados pela presença da GD. Por outro lado, existe uma melhoria signi-ficativa nos índices relacionados a tempo de indisponibili-dade devido ao suprimento de parte da carga pela GD en-quanto a geração principal está sendo reparada. Esse be-nefício é maior se a GD for considerada como sempre dis-ponível, como seria o caso de geradores a diesel, gás, microturbinas, etc.

De um modo geral, a GD é modelada de forma seme-lhante a um recurso com capacidade de suprimento limita-da pela capacilimita-dade do gerador. No cálculo dos índices de confiabilidade dos blocos de carga, são comparadas a car-ga instalada do bloco com a capacidade total de geração diretamente conectada ao bloco. Caso a capacidade de geração seja maior que a carga, o tempo de indisponibilida-de do bloco corresponindisponibilida-de ao tempo indisponibilida-de manobra para

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isola-mento do defeito e conexão da GD ao bloco. Caso contrá-rio, o tempo de indisponibilidade do bloco corresponde ao tempo de reparo do elemento onde ocorreu o defeito. Os índices de confiabilidade que estão sendo calculados nes-te projeto são DIC, FIC, DEC e FEC e CEND.

A implementação do algoritmo de confiabilidade com geração distribuída considera que quando há uma falha em algum trecho do alimentador, os dispositivos de proteção serão abertos no sentido de isolar a falha, neste instante analisa-se a possibilidade da geração distribuída alimentar aque-las cargas que ficaram desligadas mas que poderiam se conectar à GD. Assim, estas cargas que são religadas terão apenas que esperar o tempo de transferência para a GD, enquanto que as demais irão esperar o tempo de repa-ro da falha. Caso o valor das cargas seja superior à capaci-dade de geração então no algoritmo todas as cargas irão esperar o tempo de reparo.

B. Método Automático de Localização e Dimensionamento Ótimo de GD

A metodologia desenvolvida visa otimizar a localiza-ção e a dimensão da GD de modo a minimizar as perdas na rede de distribuição primária e garantir níveis aceitáveis de confiabilidade e perfil de tensão. Para tanto, foi explorada a combinação da técnica de Algoritmos Genéticos com um método para avaliar os impactos da GD no desempenho do sistema. A otimização da localização e do tamanho das unidades de GD é baseada no fornecimento prévio dos locais candidatos à instalação e da relação dos possíveis unidades a serem considerados para instalação em cada local. Baseado nas informações técnicas das unidades ge-radoras e nas informações relativas aos custos de instala-ção, manutenção e aquisição das mesmas, o programa for-nece a melhor solução para a rede que maximiza o benefí-cio, medido pela redução das perdas elétricas, e minimiza os custos. O número e o tamanho das unidades seleciona-das para instalação dependem da penetração da GD dese-jada para o sistema em estudo, ou seja, da potência total (MW) que deve ser suprida pelas unidades de GD alocadas no processo de otimização.

Dentre as premissas adotadas na modelagem do pro-blema está a consideração da topologia da rede e dos valo-res das cargas constantes durante o período do estudo. Isso significa otimizar a instalação de unidades de GD para uma dada configuração de cargas e da rede elétrica, sem considerar o crescimento da carga ou a expansão da rede. Outra premissa é a não consideração da curva diária de variação da carga e, conseqüentemente, os índices de confiabilidade são calculados para valores médios de de-manda das cargas. A END - Energia Não Distribuída, por exemplo, é calculada baseada na potência média demanda-da nos transformadores de distribuição sem considerar as variações diárias de carga.

O problema de otimização solucionado neste projeto pode ser caracterizado como a maximização da relação Be-nefício/Custo, onde o Benefício é medido pela redução das

per-das propiciada pela instalação de GD e o Custo corresponde aos investimentos de aquisição das unida-des de GD, instalação e manutenção das mesmas. O pro-blema de otimização pode ser expresso como:

Custo Benefício F= Maximizar s.a.

• Nível de Tensão dentro de limites aceitáveis

• Índices de Confiabilidade abaixo de limites aceitáveis • Penetração da GD menor ou igual ao especificado • Custo Total da instalação da GD menor que o orçamento

III. RESULTADOS

Nesta seção serão apresentados os resultados obti-dos em testes realizaobti-dos com o programa de localização ótima de geração distribuída desenvolvido. Serão utiliza-dos dois sistemas para avaliação: o primeiro é um sistema exemplo extraído da literatura [2], cujo diagrama unifilar está mostrado na Figura 1, e o segundo é um sistema repre-sentando um alimentador real fornecido pela CERJ, cujo unifilar está mostrado na Figura 2.

A. Sistema Exemplo Fonte a b c d A B C D 1 2 SECC 3 4 2 DISJ SECC 3 FUSI 1 FUSI 2 FUSI 3 FUSI 4 SECC 1 5000 kW 4000 kW 3000 kW 2000 kW Candidato 1 Candidato 2

FIGURA 1 - Sistema Exemplo

As setas indicam os pontos candidatos à instalação de unidades de geração distribuída. Neste exemplo especifica-mente, o alimentador possui um disjuntor principal, e dispo-sitivos de proteção e manobra do tipo chave seccionadora e chave fusível, como pode ser visto na figura.

Por se tratar de um caso teste, os dados apresentados aqui não representam os valores reais dos custos das uni-dades a serem alocados.

A Tabela 1 apresenta os geradores candidatos a instalação em ambos os pontos candidatos. O tempo de religamento da geração distribuída considerada foi de 0.5 hora, o custo de perdas do alimentador foi de R$ 100,00/KW.

TABELA 1

Dados das Unidades de GD

Tipo de Gerador Custo de Aquisição Potência Nível de Tensão

Gerador #1 R$ 1000,00 2000 kW 13.8 kV Gerador #2 R$ 1500,00 3000 kW 13.8 kV Gerador #3 R$ 2000,00 4000 kW 13.8 kV

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Geração

D

istribuída

A Tabela 2 apresenta os índices de confiabilidade do alimentador sem considerar a instalação da geração distri-buída. A queda de tensão máxima calculada pelo fluxo de potência antes da alocação da GD foi de 0.018503 pu e as perdas foram de 209.9 KW.

TABELA 2

Índices de Confiabilidade - Config. Original INDICES DE CONFIABILIDADE

FEC DEC FEP DEP [/ano] [h/ano] [/KW-ano] [h/KW-ano] 1.153 2.577 1.157 2.514 END CEND

KWh/ano R$/ano 35200.00 2624.69

A Tabela 3 apresenta a solução ótima obtida pelo AG, A Tabela 3 apresenta a solução ótima obtida pelo AG, onde uma unidade de GD de 4000kW foi instalada no ponto can-didato 1 e uma outra unidade de GD de 3000kW foi instala-da no ponto candiinstala-dato 2.

TABELA 3

SOLUÇÃO ÓTIMA DO AG

Ponto Tipo de Gerador Custo de Aquisição Potência

Candidato 1 Gerador #3 R$ 2000,00 4000 kW Candidato 2 Gerador #2 R$ 1500,00 3000 kW

A Tabela 4 apresenta os índices de confiabilidade do alimentador considerando a instalação da GD obtida pelo algoritmo genético. O que se observa em termos de confiabilidade é que os valores dos índices relacionados à duração (DEC, DEP e CEND) diminuem, pois com a instala-ção da GD, a durainstala-ção da interrupinstala-ção às cargas fica menor quando falha a alimentação principal. No entanto, os índi-ces relacionados à freqüência permanecem inalterados. Em termos de análise de fluxo de potência, o valor da queda de tensão máxima é reduzido para 0.007422 pu e as perdas passam a ser de 74.26 kW após a alocação da GD.

TABELA 4

Índices de Confiabilidade após alocação da GD INDICES DE CONFIABILIDADE

FEC DEC FEP DEP [/ano] [h/ano] [/KW-ano] [h/KW-ano] 1.153 2.262 1.157 2.239 END CEND

KWh/ano R$/ano 31350.00 2136.92

A Tabela 5 mostra uma comparação entre os valores de perdas antes e após a instalação da GD. O que se obser-va é que houve uma melhora significatiobser-va nas perdas do alimentador, causando uma redução percentual nas perdas de 64.62%. Observa-se também uma melhora no perfil de ten-são do sistema, tornando-se praticamente plano.

TABELA 5

Perdas e Perfil de Tensão Antes e Após a GD Comparação Antes da GD Após a GD

Perdas (kW) 209.90 74.26 Queda Tensão Max 0.018503 0.007422

Considere, agora, a restrição de penetração da GD de maneira a limitar a geração máxima em 5000kW. Assim, tem-se a nova solução do algoritmo genético apretem-sentada na Tabela 6, na qual a potência total dos geradores determina-da na solução do AG é de 5000kW, o que atende a restrição de penetração.

TABELA 6

Solução AG com restrição de penetração da GD

Ponto Tipo de Gerador Custo de Aquisição Potência Candidato 1 Gerador #2 R$ 1500,00 3000 kW Candidato 2 Gerador #1 R$ 1000,00 2000 kW

Em contra partida, como a capacidade máxima de geração da GD agora é menor do que o apresentado na solução da Tabela 3, as perdas aumentaram, como mos-tra a Tabela 7 em comparação com a Tabela 5. Por razões equivalentes, a melhoria no perfil de tensão se torna ligeiramente menor.

TABELA 7

Perdas e Perfil Tensão com restrição penetração

Comparação Antes da GD Após a GD Perdas (kW) 209.90 129.37 Queda de Tensão Max 0.018503 0.007417

B. Sistema CERJ Fonte 2 3 5 6 7 4 8 Alim. Adj. 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 40 41 42 43 11 12 13 14 10 15 33 34 35 36 37 39 38 9 RELG SECC Disjuntor Ponto de Carga Dispositivos de Proteção Geração Distribuída Ponto Candidato GD

FIGURA 2 - Sistema CERJ

A Figura 2 mostra um alimentador da CERJ, o qual possui como dispositivos de proteção instalados um religador no trecho 16-17 e uma seccionalizadora no trecho 22-23. Para estudos de alocação da geração dis-tribuída, considerou-se o ponto 33 como candidato a

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instalação da GD, e desconside-rou-se a participação do alimentador adjacente conectado no ponto 9 atra-vés de dispositivo de proteção normalmente a-berto (chave de recurso).

A Tabela 8 apresenta os geradores candidatos a ins-talação no ponto 33. O tempo de religamento da geração distribuída considerada foi de 0.5 horas, o custo de perdas do alimentador foi de R$ 100,00/KW.

TABELA 8

Dados das Unidades de GD

Tipo de Gerador Custo de Aquisição Potência Nível de Tensão Gerador #1 R$ 18750,00 3000 kW 13.8 kV Gerador #2 R$ 25000,00 4000 kW 13.8 kV Gerador #3 R$ 31250,00 5000 kW 13.8 kV

A Tabela 9 apresenta os índices de confiabilidade do alimentador sem considerar a instalação da geração distri-buída. A queda de tensão máxima calculada pelo fluxo de potência antes da alocação da GD foi de 0.147978 pu e as perdas foram de 525.4 KW.

A Tabela 10 apresenta a solução ótima obtida pelo AG, onde uma Geração Distribuída de 3000 kW foi instala-da no ponto candiinstala-dato.

A Tabela 11 apresenta os índices de confiabilidade do alimentador considerando a instalação da GD obtida pelo algoritmo genético. O que se observa em termos de confiabilidade é que os valores dos índices relacionados à duração e custo (DEC, DEP, e CEND) diminuíram, pois com a instalação da GD, a duração da interrupção às cargas fica menor quando falha a alimentação principal. No entanto, os índices relacionados à freqüência permanecem inalterados. Em termos de análise de fluxo de potência, o valor da queda de tensão máxima é reduzido para 0.016818 pu e as perdas passam a ser de 65.95 kW após a alocação da GD.

TABELA 9

Índices Confiabilidade - Configuração Original

INDICES DE CONFIABILIDADE

FEC DEC FEP DEP [/ano] [h/ano] [/KW-ano] [h/KW-ano] 44.538 72.436 43.296 69.862 END CEND KWh/ano R$/ano 385883.8 3,027,544.00 TABELA 10 Solução Ótima do AG

Ponto Tipo de Gerador Custo de Aquisição Potência Candidato 1 Gerador #1 R$ 18750,00 3000 kW

TABELA 11

Índices de Confiabilidade após alocação da GD

INDICES DE CONFIABILIDADE

FEC DEC FEP DEP [/ano] [h/ano] [/KW-ano] [h/KW-ano] 44.538 68.642 43.296 66.198

END CEND

KWh/ano R$/ano 365643.2 2,849,640.0

A Tabela 12 mostra uma comparação entre os valores de perdas antes e após a instalação da GD. O que se obser-va é que houve uma melhora significatiobser-va nas perdas do alimentador, causando uma redução percentual nas perdas de 87,44%. Observa-se também uma melhora no perfil de ten-são do sistema.

TABELA 12

Perdas e Perfil de Tensão Antes e Após a GD

Comparação Antes da GD Após a GD Perdas (kW) 525.37 65.95 Queda de Tensão Max 0.147978 0.016818

Considere, agora, a restrição de DEC para a GD de maneira a limitá-lo em 65.0 horas/ano. Assim, tem-se a nova solução do algoritmo genético apresentada na Tabela 13, na qual o gerador a ser instalado é de 4000 kW.

TABELA 13

Solução AG com restrição de DEC

Ponto Tipo de Gerador Custo de Aquisição Potência Candidato 1 Gerador #2 R$ 25000,00 4000 kW

A Tabela 14 apresenta os índices de confiabilidade do alimentador considerando a instalação da GD obtida pelo algoritmo genético considerando a restrição de DEC. O que se observa em termos de confiabilidade é que os valo-res dos índices relacionados à duração e custo (DEC, DEP e CEND) diminuíram. Isto acontece porque o AG busca obter soluções que atendam a restrição de DEC. Em termos de análise de fluxo de potência, o valor das perdas passa a ser 85.4 kW e a queda de tensão máxima passa a ser de 0.022404 pu após a alocação da GD.

TABELA 14

Índices de Confiabilidade após alocação da GD com Restrição INDICES DE CONFIABILIDADE

FEC DEC FEP DEP [/ano] [h/ano] [/KW-ano] [h/KW-ano] 44.538 63.802 43.296 61.920

END CEND

KWh/ano R$/ano 342016.3 2,682,183.00

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Geração

D

istribuída

A Tabela 15 mostra uma comparação entre os valores de perdas antes e após a instalação da GD considerando a restrição. O que se observa é que novamente houve uma melhora significativa nas perdas do alimentador, causando uma redução percentual nas perdas de 83,74%.

TABELA 15

Perdas e Perfil de Tensão Antes e Após a GD com Restrição

Comparação Antes da GD Após a GD Perdas (kW) 525.37 85.4 Queda de Tensão Max 0.147978 0.022404

IV. CONCLUSÕES

Este projeto desenvolveu metodologia para locali-zação e dimensionamento ótimo de geração distribuída em redes de distribuição de energia elétrica, levando em consideração o custo da instalação das unidades de GD e a melhoria nos índices de confiabilidade da rede, no perfil de tensão e nas perdas elétricas. A metodologia baseia-se na utilização de Algoritmos Genéticos, que desempenha o papel do especialista na tarefa de produ-zir candidatas potenciais à solução do problema de for-ma automática. Os prografor-mas computacionais desen-volvidos encontram-se em condições de serem utiliza-dos pelos engenheiros da empresa em estuutiliza-dos de pla-nejamento e operação da rede de distribuição.

V. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] G.X. Luo and A. Semlyen, "Efficient Load Flow for Large Weakly Meshed Networks", IEEE Trans on Power Systems, Vol. 5, No. 4, November 1990.

[2] R. Billinton and R. Allan, "Reliability Evaluation of Engineering Systems: Concepts and Techniques", Plenum Press -New York, Second Edition, 1992.

[3] R. Billinton and R. Allan, "Reliability Evaluation of Power Systems", Plenum Press - New York, Second Edition, 1996. [4] D. Goldberg, "Genetic Algorithms in Search, Optimization

and Machine Learning", Addison-Wesley, Reading, MA, 1989. [5] R. Allan and R. Billinton, "Probabilistic Assessment of Power Systems", Proceedings of the IEEE, Vol.88, No.2, February 2000.

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RESUMO

A instalação de geração distribuída (GD) nas redes de distribui-ção de energia elétrica no Brasil é um assunto relativamente novo, que apresenta novos desafios, principalmente do ponto de vista técnico. A conexão e operação de novas unidades de geração distribuída demandam um estudo preliminar para avaliar seus impactos na rede de energia elétrica, de tal forma que alguns efeitos indesejáveis sejam evitados. Neste contexto, estudos de fluxo de potência e curto circuito constituem a base para avalia-ção do impacto de novas unidades de GD sobre o carregamento dos equipamentos, sobre o perfil de tensão e sobre o sistema de proteção da rede de distribuição. Este artigo apresenta a metodologia que permite a realização destes estudos, os quais foram implementados num sistema computacional, que foi implementado na ELEKTRO, integrado ao seu Sistema de Gerenciamento da Distribuição (SGD). O trabalho é resultante do projeto de P&D, que agora se encontra em seu segundo ciclo, quando estão sendo analisados aspectos relacionados à otimização da alocação de unidades de geração distribuída na rede de distri-buição. A metodologia e sua implementação repre-sentam uma contribuição efetiva, que facilitam sobremodo o estudo de inser-ção de GDs em redes de distribuiinser-ção, de modo a otimizar o suprimento de energia elétrica no país, o que coloca a pesquisa como sendo de grande relevância, permitindo a rápida avaliação técnica de novas unidades de GD no sistema de distribuição.

PALAVRAS-CHAVE

Curto circuito; desequilíbrios; fluxo de potência; geração dis-tribuída; redes de distribuição.

I. METODOLOGIA DE FLUXO DE POTÊNCIA A. Introdução

As ferramentas mais importantes para avaliar o impacto de novas unidades de GD em redes de distribuição são os pro-gramas de fluxo de potência e curto circuito. As metodologias aqui estabelecidas permitem a análise integrada de redes de subtransmissão e redes primárias, aqui denominadas, res-pectivamente, como redes de distribuição AT e MT.

A maioria das redes MT, principalmente as aéreas, opera em configuração radial, com uma fonte apenas (re-presentada por uma barra de suprimento na subestação de distribuição). A análise de fluxo de potência para redes radiais é muito eficiente, pois leva em consideração a

es-Avaliação Técnico-Econômica da Viabilidade de

Projetos de Geração Distribuída

N. Kagan C. C. B. Oliveira J. C. Guaraldo - Enerq/USP

C. R. Benedik; A.Conceição - Elektro S.A.

trutura da rede (cada nó da rede é 'alimentado' por um úni-co trecho de rede), resultando em ordenação úni-conveniente dos elementos da rede. Além disso, como será mostrado mais adiante neste artigo, um fluxo de potência trifásico permitirá a análise de redes e cargas desequilibradas.

Entretanto, quando uma ou mais unidades de GD são insta-ladas, o sistema opera com mais de uma fonte, o que pode ser tratado de duas formas:

• Representação de unidades de GD como cargas ne-gativas, isto é, as potências ativa e reativa injetadas por cada unidade são supostamente conhecidas e o modelo de fluxo de potência em redes radiais pode ser utilizado; • Representação de unidades de GD como barras de gera-ção (para cada unidade, potência ativa e magnitude da tensão são conhecidos), isto é, um método de fluxo de potência convencional, como o método de Newton-Raphson, poderia ser usado.

A metodologia de fluxo de potência desenvolvida nes-ta pesquisa realmente utiliza as duas formulações acima.

O método de Newton-Raphson permite a determina-ção da potência reativa injetada por cada unidade de GD. Isto é realizado sobre uma rede reduzida, que incorpora a rede AT e uma parcela representativa da rede de distribui-ção MT, na qual trechos e cargas equivalentes são pré-determinados por método a ser detalhado neste artigo.

Uma vez que a injeção de potência reativa é obtida por unidades de GD, estas podem ser representadas por uma carga negativa, o que permite o uso do fluxo de potên-cia trifásico para cada alimentador de distribuição.

O enfoque acima é muito eficiente, dado que um algoritmo de fluxo de potência convencional é executado sobre uma rede de tamanho reduzido e um fluxo de potência trifásico, eficiente e específico para redes radiais, é executa-do sobre redes completas e desequilibradas deviexecuta-do as car-gas ou devido a assimetria dos componentes da rede (por exemplo, não transposição das linhas de distribuição).

Os itens seguintes descrevem o método de Newton-Raphson convencional, bem como o método para determi-nação da rede reduzida e o algoritmo de fluxo de potência trifásico para redes radiais.

B. O Algoritmo de Newton-Raphson

Este item apresenta uma descrição simplificada de um algoritmo de fluxo de potência convencional, usado para determinação de fluxos de potência e níveis de tensão em

N. Kagan e C. C. B. Oliveira são professores da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (e-mails: nelsonk@pea.usp.br e barioni@pea.usp.br).

J. C. Guaraldo é pesquisador sênior do Enerq/USP (email: jcguaraldo@terra.usp.br).

(10)

Geração

D

istribuída

redes integradas MT/AT. Em métodos de fluxo de potên-cia, é mais comum serem definidos três tipos de barras, quais sejam:

- Barra swing (ou barra de referência), na qual o ângulo e magnitude da tensão são conhecidos. Em alguns casos específicos, quando múltiplas barras são conectadas os sistemas de transmissão, múltiplas barras swing podem ser consideradas.

- Barra PV ou de geração, na qual são conhecidos a po-tência ativa injetada e a magnitude de tensão. Este tipo de barra é útil para a representação de geradores conec-tados no sistema, como é o caso de unidades de GD. - Barra PQ ou de carga, na qual as potências ativa e

reati-va injetadas são conhecidas. Assumindo-se conhecidos:

n n

n e

e = |δ - tensão, em pu, para uma barra genérica n;

nk nk

nk y

y = |θ - elemento "n-k" da matriz de admi-tâncias nodais;

pn + j qn - potência complexa injetada, em pu, numa barra n,

- a equação abaixo relaciona a potência injetada na barra

n e as tensões em outras barras da rede através da

matriz de admitâncias nodais:

n nk k nk k k n k k nk n n n jq e y e e e y p − =*

 =

|δ +θ −δ (1) ou: ) ( sen ) ( cos n nk k nk k k n n n nk k nk k k n n y e e q y e e p δ θ δ δ θ δ + − − = − + =

(2)

Dada uma rede com n

v barras de geração, nL barras de

carga e uma barra swing, existem n

v + nL variáveis

correspondendo ao ângulo δ de tensões em barras e n

L

variáveis relativas às magnitudes de tensão em barras. A linearização das equações (2) fornece a relação entre as variações de injeções de potência ativa (nas barras de ge-ração e de carga) e de potência reativa (nas barras de car-ga) como função das variações de ângulo e de magnitude de tensão, o que pode ser escrito como:

e

J

J

J

J

q

p

=

δ

4 3 2 1 (3) onde Ji são as sub-matrizes da matriz do Jacobiano:

e p J q J e p J p J ∂ ∂ = ∂ ∂ = ∂ ∂ = ∂ ∂ = 2 3 4 1 δ δ (4)

O método Newton-Raphson utiliza as equações (2), (3) e (4) em um processo iterativo, resolvido através dos seguintes passos:

- Magnitudes e ângulos de fase de tensões são assumi-dos (usualmente 1 pu para as magnitudes e 0o para os

ângulos de tensão).

- Potências ativas e reativas injetadas nas barras de carga e potências ativas injetadas nas barras de geração são calculadas pelas equações (2). Se estes valores não di-ferem, dentro de uma tolerância, dos valores especifi-cados nesta barra, o processo alcançou convergência. - A matriz do Jacobiano é avaliada e a solução do sistema

de equações (3) leva à determinação das variações de ângulo em barras de carga e de geração e à determinação das variações de magnitude de tensão em barras de car-ga. Isto permite a determinação das magnitudes e ângu-los de tensão para a iteração seguinte:

e

e

e

k k k k+1

=

δ

+

δ

+1

=

+

δ

(5)

- Quando a convergência é alcançada, as potências ativa e reativa injetadas na barra swing e as potências reati-vas injetadas em barras de geração são determinadas. Também são avaliados os fluxos de potência e perdas ativas e reativas em componentes do sistema.

A aplicação do método acima para redes integradas AT/MT é direta, dado que o método contempla redes em malha e um ou mais pontos de suprimento.

C. Redução da Rede MT

Quando unidades de GD são conectadas ao sistema de distribuição MT, o método de Newton-Raphson aqui descrito pode ser utilizado de forma eficiente, desde que a rede primária seja convenientemente reduzida para uma rede equivalente, com menor número de barras e trechos. A rede reduzida é avaliada de forma que apenas os nós que estejam no caminho entre as unidades de GD (ou de algu-mas outras barras específicas previamente selecionadas) e a barra da subestação de distribuição sejam mantidos. O procedimento pode ser descrito como se segue:

- A barra MT da subestação de distribuição, as barras com unidades de GD e, eventualmente, algumas barras especificadas pelo usuário, são mantidas.

- As barras no caminho entre uma dada barra com GD e a barra da subestação são mantidas.

- As barras no caminho entre barras especificadas pelo usuário e a barra da subestação são mantidas.

- As demais barras do sistema são descartadas, e suas de-mandas são transferidas para as barras mais próximas no alimentador.

Na determinação da rede reduzida, um passo adici-onal pode ser realizado, no qual as barras de carga conectando até dois trechos de rede, com demandas significativamente baixas, são convenientemente elimi-nadas. Da mesma forma, a demanda correspondente, apesar de pequeno valor, é transferida para a barra sub-seqüente mantida.

Uma vez que o método de Newton-Raphson é aplica-do para a rede integrada, que considera a rede MT e a rede reduzida MT, as injeções de potência ativa e reativa nas unidades de GD podem ser usadas como entrada para um

(11)

método de fluxo de potência mais preciso, especialmente projetado para configurações radiais com desequilíbrios, como descrito no item seguinte.

D. Fluxo de potência trifásico para redes radiais

Como explicado acima, as unidades de GD podem ser consideradas como 'cargas negativas', de modo que o alimentador primário possa ser considerado como radial. Neste caso, o algoritmo de fluxo de potência é muito efici-ente, pois utiliza a estrutura ordenada da rede, isto é, cada barra do sistema é suprida por um único trecho (ramo).

Para modelar sistemas de distribuição MT, capacitores em derivação, relativos às linhas de distribuição, podem ser desprezados. Para obter a queda de tensão em trechos de redes desequilibradas, o método utiliza a matriz de impedâncias dos elementos de rede, que compreende as impedâncias próprias e mútuas entre as fases A, B e C e o cabo neutro N, conforme mostrado na figura 1. Esta matriz relaciona as quedas de tensão nas três fases e no neutro de um trecho de rede com as correspondentes correntes de fase e de neutro, conforme equação abaixo:

                        =             ∆ ∆ ∆ ∆ N C B A NN NC NB NA CN CC CB CA BN BC BB BA AN AC AB AA N C B A I I I I Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z V V V V (6)

Valores das demandas em cada fase são avaliados para cada consumidor conectado a cada transformador de distribuição e para os consumidores primários através de curvas típicas de carga e consumos mensais obtidos do sistema de gerenciamento da rede. Além disso, de acordo com o tipo de transformador de distribuição (trifásico, monofásico, etc.), é possível avaliar as características de desequilíbrio da carga. As curvas de carga são simplifica-das para 4 períodos diários, por exemplo, representando a madrugada, manhã, tarde e noite.

B IB A ∆VN VC VB VA IA N IN C IC

FIGURA 1 - Trecho da rede

A determinação de correntes nos trechos e níveis de tensão baseia-se no método de Gauss, estruturado para tratar eficientemente as redes radiais:

- correntes injetadas nas barras de carga (consumidores primários, transformadores de distribuição, iluminação pública, bancos de capacitores e unidades de GD) são

avaliadas, por fase, assumindo-se tensão nominal (1pu) em toda a rede;

- uma lista ordenada é usada para mover das barras termi-nais do alimentador (as mais distantes eletricamente da subestação) em direção ao início do alimentador, quan-do são determinadas gradualmente as correntes de chos; as correntes de fase e de neutro de um dado tre-cho permitem a avaliação das quedas de tensão, confor-me equação (6);

- partindo da barra da subestação, onde o nível de tensão é conhecido, as tensões nas demais barras da rede são gradualmente determinadas em direção às barras termi-nais da rede, utilizando-se a lista ordenada e as quedas de tensão nos trechos obtidas no passo anterior; - de acordo com o modelo de carga (isto é, a maneira co-mo

a corrente de carga varia com a tensão aplicada), cor-ren-tes nos pontos de carga são atualizadas de acordo com as tensões determinadas no passo anterior, e outra iteração é realizada até que as tensões entre duas iterações sucessi-vas não variem, dentro de uma determinada tolerância.

II. METODOLOGIA PARA O CURTO CIRCUITO Para representação dos pontos de suprimento, impedâncias equivalentes são utilizadas. Estas são repre-sentadas pelas correspondentes impedâncias seqüenciais. Quando o sistema é suprido por múltiplos pontos, trechos fictícios podem ser utilizados na rede equivalente para com-plementar a representação do sistema externo.

A figura 2 ilustra o procedimento, onde Z1, Z2 e Z12 são as impedâncias representativas do sistema externo. Unidades de GD são representadas pelas suas correspon-dentes impedâncias, considerando os transformadores de conexão. a. rede completa b. rede equivalente Rede externa Rede em estudo Nós de suprimento Rede em estudo Z1 Z2 Z12 unidade GD

FIGURA 2 - Modelo de rede para estudos de curto circuito

O algoritmo de cálculo de curto circuito é baseado na avaliação de impedâncias seqüenciais equivalentes para as barras onde as correntes de defeito são determinadas. O procedimento de análise do curto circuito, para uma da barra i, pode ser resumido nos passos a seguir:

- As matrizes de admitâncias nodais, de seqüência positi-va e zero, são obtidas com base em modelos convencio-nais de linhas de subtransmissão e de distribuição

(12)

pri-Geração

D

istribuída

mária, transformadores de potência (com corresponden-tes conexões de enrolamentos), pontos de suprimento e unidades de GD;

- As iésimas colunas das matrizes de impedâncias nodais, seqüências positiva e zero, são determinadas pela solu-ção do seguinte sistema de equações:

=

in ii i nn ni n in ii i n i

Z

Z

Z

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

...

...

0

...

1

...

0

1 1 1 1 1 11 A impedância equivalente Z

ii permite a avaliação das

correntes de curto circuito no ponto de defeito, enquanto que as impedâncias de transferência Zik permitem a avalia-ção das tensões em outras barras e as contribuições de corrente nos componentes da rede.

Quando analisando sistemas integrados AT / MT, nas quais unidades de GD são conectadas, existe uma forte ne-cessidade de verificação das contribuições de corrente por estas unidades quando ocorrem curto circuitos em outras barras especificadas (no sistema AT ou MT). Além disso, os resultados obtidos permitem a análise de como os esque-mas de proteção operam em condições de curto circuito na rede.

III. SISTEMA COMPUTACIONAL E EXEMPLO DE APLICAÇÃO

Um sistema computacional foi desenvolvido para es-tudar o impacto de novas unidades de GD nos sistemas de distribuição de energia elétrica. A análise é realizada consi-derando os sistemas MT e AT, usando a metodologia des-crita previamente no artigo. Além disso, a ferramenta é integrada aos sistemas de bases de dados da Empresa, para que os engenheiros possam realizar as simulações considerando os sistemas de subtransmissão, conjunta-mente com as subestações de distribuição e correspon-dentes alimentadores primários.

Para ilustrar a metodologia e a ferramenta computa-cional, a figura 3 mostra um sistema de distribuição AT, onde duas barras de suprimento B1 e B2, correspondendo às subestações de suprimento S1 e S2, são identificadas.

Este subsistema supre duas subestações de distri-buição e um consumidor AT, denominado CGa.

Uma das subestações contém 2 transformadores de potência TR1 e TR2 e a outra subestação um único trans-formador TR3.

A Figura 4 mostra uma rede de distribuição MT (seis alimentadores primários), na qual duas unidades de GD são instaladas.

O usuário controla onde as unidades são instaladas e fornece informações relativas às condições de operação, por exemplo, potências injetadas e ajustes de tensão em GDs, conforme ilustrado em uma janela da figura 4. A figu-ra ainda apresenta a rede reduzida dinamicamente avalia-da, e identificada pelos caminhos que conectam as unida-des de GD à barra da subestação.

FIGURA 3 - Sistema de Subtransmissão (AT)

FIGURA 4 - Sistema de Distribuição Primária e Rede Reduzida

Uma vez que as unidades de GD são incorporadas ao sistema MT, a ferramenta computacional é capaz de trans-ferir as informações relevantes para serem incorporadas à rede AT, conforme mostrado na figura 5, na qual as unida-des DG1 e DG2 foram conectadas ao sistema. O programa de fluxo de potência é então executado. Alguns recursos para visualização dos resultados (por exemplo, diferentes cores de trechos em função de faixas de carregamento e diferentes cores de barras em função de faixas de tensão) foram introduzidos na ferramenta para facilitar a análise. Na figura, a janela de resultados apresenta os fluxos de potência e correntes passantes no trecho de linha T4.

Uma vez que os fluxos de potência reativa injetados por unidades de GD são avaliados, estes são usados pelo algoritmo de fluxo de potência trifásico para a rede MT, aplicada à rede de distribuição completa da figura 4.

(13)

A figura 6 ilustra a ferramenta de análise de curto cir-cuito, com as duas unidades de GD incorporadas. Deve-se notar que o trecho fictício (TF1) foi incluído entre as barras B1 e B2, para melhor representar o sistema externo em con-dições de crto circuito nas barras do sistema em estudo (vide figura 2). A figura 6 ilustra como a unidade DG2, localizada na barra B11, contribui para um curto circuito trifásico na barra B3 e mostra como outros resultados po-dem ser apresentados, como por exemplo as contribuições de corrente nos trechos, níveis de tensão para os diferen-tes tipos de defeito, etc.

Figura 6 - Estudo de curto circuito

IV. CONCLUSÕES

Este artigo apresentou metodologia e ferramenta com-putacional, que permitem a engenheiros de empresas de distribuição avaliar aspectos técnicos relacionados com a instalação de unidades de geração distribuída em sistemas de distribuição de energia elétrica. Os resultados aqui al-cançados representam uma parte das atividades do Proje-to de P&D desenvolvido pelo Enerq/USP com a Elektro. As atividades atuais concentram-se em ferramentas de

otimização da instalação de novas unidades de GD no sis-tema, e deverão ser publicados num próximo artigo.

O modelo desenvolvido permite a inclusão, de forma simples, de unidades de GD no sistema de distribuição. A redução da rede MT permite que modelos convencionais para análise de fluxo de potência e curto circuito sejam eficientemente utilizados, de forma que os engenheiros possam realizar estudos globais, considerando não só o sistema MT como também o sistema AT.

Como resultado da análise de fluxo de potência com o modelo convencional, aplicado à rede MT/AT, são obti-dos os fluxos de potência injetaobti-dos nas unidades de GD em diferentes níveis de carga. O sistema de distribuição primária (MT) pode então ser analisado em detalhe pelo algoritmo de fluxo de potência trifásico, que é executado de forma eficiente em configurações radiais, como é o caso de redes MT aéreas.

O módulo de curto circuito permite a simulação de diferentes tipos de defeitos em qualquer barra seleciona-da, seja na rede MT ou AT. Os resultados são apresenta-dos ao usuário de forma amigável, de forma que as contri-buições de unidades de GD, níveis de tensão em barras da rede e correntes nos trechos e componentes da rede pos-sam ser analisados. A avaliação do impacto nos esquemas de proteção da rede de distribuição e seu comportamento para condições de curto circuito podem ser realizados a partir da ferramenta desenvolvida.

VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Kagan, N.; Silva, J. C. B. Otimização do Planejamento de Sistemas de Distribuição introduzindo Fontes Alternativas e Gerenciamento do Lado da Demanda. Proceedings CIER 2000. Buenos Aires, Ar-gentina, Nov. 2000.

[2] Kagan, N.; Silva, J. C. B. Inclusão de Geração Distribuída na Otimi-zação do Planejamento de Sistemas de Distribuição. Proceedings da Latin Power & Gas Conference. Rio de Janei-ro, Brazil, Aug. 2001.

[3] Kagan, N.; Silva, J. C. B.; Lima, W. S. Economical Comparison of Distributed and Central Station Generation in the Brazilian Whole-sale Energy Market. VIII SEPOPE - Symposium of Specialists in Electric Operational and Expansion Planning, Brasília, Brazil, 2002.

[4] Kagan, N.; Silva, J. C. B.; Lima, W. S.; Silva, J. C. R. Distribution Systems Planning Considering Distributed Generation Within a Competitive Environment. IEEE/PES T & D 2002 Latin America Conference, São Paulo, Brazil, 2002.

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Geração

D

istribuída

Desenvolvimento de Células a Combustível de

Polímero Sólido (PEMFC) para Aplicação em

Geração de Energia Elétrica Distribuída.

M. Ellern, AES-Eletropaulo; G. Janólio, G. Ett, V. Ett, A. Ebesui, Electrocell; J. A. Jardini,

G. Y. Saiki, EPUSP/ PEA/ GAGTD

1

RESUMO

As pressões da sociedade em relação às questões ambientais têm contribuído para o desenvolvimento de formas alternati-vas para geração de energia elétrica. Um dos campos mais promissores nessa área é a geração de energia elétrica através das chamadas células a combustível. Essas células utilizam os gases hidrogênio e oxigênio para produção de eletricidade e têm como resíduo final a água. O hidrogênio pode ser forne-cido puro ou ser obtido através da reforma de produtos ricos nesse elemento, como o gás natural.

Como a produção de eletricidade pode ser realizada no local de consumo ou próximo dele, as células a combustível possu-em grande potencial de uso na geração distribuída.

PALAVRAS-CHAVE

Célula a Combustível, Hidrogênio, Fontes Alternativas, Ge-ração Distribuída.

I. GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

A geração distribuída deverá tornar-se uma opção energética importante nos próximos anos devido a um con-junto de fatores: a reestruturação do setor elétrico, a evolu-ção tecnológica, as pressões da sociedade em relaevolu-ção às questões ambientais e o mercado em expansão. Simultanea-mente à reestruturação das concessionárias, há, por parte dos consumidores, exigências crescentes quanto à qualida-de do fornecimento qualida-de energia elétrica e por respostas rápi-das na prestação de serviços, no aumento da demanda e na diversificação dos serviços prestados pela concessionária. O conceito da geração distribuída (elétrica ou térmi-ca) se baseia na geração no próprio local de uso (ou o mais próximo), economizando os custos de transmissão e

distri-buição e proporcionando uma solução energética e econo-micamente otimizada para cada caso.

As tecnologias para geração distribuída são muito baratas quando comparadas às de geração centralizada, dispensando investimentos em transmissão e distribuição, e podem ser implantadas em curtos prazos, com riscos muitas vezes menores.

A geração distribuída possui diversas aplicações: re-serva de potência, co-geração de eletricidade e calor, gera-ção na ponta, reforço de carga e geragera-ção isolada.

Os sistemas de geração distribuída também se carac-terizam pela flexibilidade em relação ao combustível e abran-gem diversas tecnologias. A possibilidade de empregar gás natural e gás de síntese derivado de hidrocarbonetos, de carvão, de biomassa é exemplo dessa flexibilidade.

Nesse trabalho será discutida a utilização de células a combustível para produção de energia elétrica. Esse equi-pamento utiliza hidrogênio e oxigênio e através dos princí-pios de eletroquímica produz corrente elétrica.

As concessionárias de energia elétrica que têm de-monstrado maior interesse no desenvolvimento das célu-las a combustíveis, são aquecélu-las de âmbito regional e com interesses na geração distribuída. Tal fato se deve aos atrativos proporcionados pelas células a combustível, en-tre as quais destacam-se:

• alta eficiência tanto em plena carga como em carga parci-al, em unidades de pequeno porte;

• nível muito baixo de emissões (NOx, SOx, compostos or-gânicos);

• unidades compactas com baixo nível de ruído audível; • unidades modulares, pré-montadas em fábrica e com

bai-xo tempo de construção; • flexibilidade operacional; e

• possibilidade de complementar a capacidade existente de operação, reduzindo demanda de pico e perdas.

Apesar dessas vantagens as células a combustível apresentam algumas desvantagens:

• alto custo;

• tecnologia não familiar para a indústria de potência; e • falta de infraestrutura.

Diversos estudos de mercado, conduzidos a partir do final da década de 80, identificaram a existência de um

mer-1 M. Ellern (Gerente do Projeto) trabalha na AES-Eletropaulo

(mktgc@eletropaulo.com.br) G. Janólio (engenheiro) trabalha na Electrocell (gilberto@electrocell.com.br) G. Ett (engenheiro) trabalha na Electrocell. V. Ett (engenheiro) trabalha na Electrocell. A. M. Ebesui (engenheiro) trabalha na Electrocell

(angelo@electrocell.com.br) J. A. Jardini (Coordenador do Projeto), Prof. Dr. Titular da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da USP (jardini@pea.usp.br) G. Y. Saiki (Pesquisador) trabalha na EPUSP/PEA/GAGTD – Grupo de Automação da Geração, Transmis-são e Distribuição de Energia (gysaiki@pea.usp.br).

(15)

cado potencial para aplicações na faixa de 3 a 10 kW, para atendimentos residenciais e pequenos comércios.

Entretanto, os mesmos fatores que estão motivando o crescimento da geração distribuída são capazes de modi-ficar as expectativas de entrada no mercado de um tipo específico de célula a combustível de baixa potência.

As células a combustível denominadas de membrana polimérica (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC, ou Solid Polymer Fuel Cell – SPFC), anteriormente desenvol-vidas para uso veicular, passaram a ser encaradas como uma alternativa atrativa para a geração estacionária destinada ao mercado mencionado. O grande esforço de pesquisa e de-senvolvimento empreendido pelos grandes fabricantes de veículos no sentido de reduzir os custos de fabricação das PEMFCs, aumentar a durabilidade, reduzir o nível de emis-sões atmosféricas e aumentar a potência específica (W/kg) tem, de forma indireta, ampliado à possibilidade de empregar PEMFCs de baixa potência (<50 kW) para uso estacionário.

II. CÉLULA A COMBUSTÍVEL

As células a combustível são, em princípio, baterias (pilhas) químicas, ou seja, dispositivos que convertem ener-gia química diretamente em enerener-gia elétrica e térmica, pos-suindo, entretanto uma operação contínua, graças à ali-mentação constante de um combustível.

Ao ser utilizado como fonte de energia numa célula a combustível, o hidrogênio libera energia e não gera poluentes. A reação química resultante da operação gera, além de energia, calor e vapor de água pura.

Por sua vez, o hidrogênio poderia ser obtido a partir da eletrólise da água, da reforma-vapor de hidrocarbonetos leves (cadeias carbônicas situadas entre o metano e a nafta), gaseificação de resíduos agrícolas, dissociação do metanol, etanol e do gás natural.

O reformador é um equipamento que “quebra” a molé-cula do combustível liberando os átomos de hidrogênio (H2). Ele trabalha com vapor de água em temperaturas rela-tivamente elevadas e, para tanto, utiliza parte da energia do combustível que geralmente é da ordem de 20%.

O início da pesquisas de células a combustível ocorreu há mais de 150 anos, por Sir William Grove. Com o grande desenvolvimento na área de materiais nos últimos 15 anos, a tecnologia em células a combustível, associada à crescente exigência de baixo impacto ambiental, tornou-se bastante promissora no cenário mundial de energia. Estas represen-tam, já em médio prazo, uma alternativa tanto para motores a combustão (unidades móveis), como para geradores de ener-gia de médio porte (100 kW) e até plantas de alguns MW de potência (unidades estacionárias). O estudo e desenvolvi-mento de célula a combustível associam outras áreas de conhecimento, como, por exemplo, a produção de hidrogê-nio (combustível da célula a combustível) a partir da reforma de outros combustíveis (fósseis, de biomassa, etc.),

incluin-do-se aí o etanol, estratégico para o Brasil.

Esta conversão ocorre por meio de duas reações eletroquímicas parciais de transferência de carga em dois eletrodos separados por um eletrólito apropriado, ou seja, a oxidação de um combustível no ânodo e a redução de um oxidante no cátodo. Escolhendo-se, por exemplo, hidrogê-nio como combustível e oxigêhidrogê-nio (do ar ambiente) como oxidante, tem-se na denominada célula ácida, a formação de água e produção de calor, além da liberação de elétrons para um circuito externo, que podem gerar trabalho elétri-co. As reações nos eletrodos são:

Ânodo: H2→ 2H+ + 2e- (1)

Cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e- H

2O (2)

Reação Total: H2 + ½ O2→ H2O (3)

FIGURA 2 – Desenho Esquemático de uma Célula a Combustível

Um esquema simplificado de uma célula a combustí-vel de eletrólito polimérico sólido é apresentado na figura (1). Os prótons produzidos na reação anódica são condu-zidos pelo eletrólito até o cátodo, onde se combinam com o produto da redução do oxigênio, formando água.

III. APLICAÇÕES

A eficiência das células a combustível está na faixa de 40% a 55% para as células de baixa temperatura de opera-ção. Para as células que operam em temperaturas mais altas a eficiência pode ultrapassar 70% se o calor gerado for utilizado para cogeração ou aquecimento.

A eficiência, isoladamente, não é a principal vanta-gem de sistemas de geração de energia com célula a com-bustível, mas sim, o seu inerente fator ecológico, com baixíssima geração de poluentes, além de silenciosas, com-pactas e de fácil manutenção. Por estas razões, vislumbra-se um mercado para sistemas de célula a combustível para geração de energia, com aplicações localizadas de até al-guns MW de potência, como, por exemplo, em hospitais, condomínios residenciais, repartições públicas, etc. As vantagens das células a combustível aumentam quando se tem por finalidade a geração de energia móvel, caso das células de baixa temperatura, onde a sua eficiência fica bem acima dos motores convencionais.

(16)

Geração

D

istribuída

A aplicação deste tipo de célula a combustível é, então, a tração automotiva. Em menor escala, as células a combustível poderão ser utilizadas para alimentar equipa-mentos eletrônicos, de comunicações, laptops, etc.

IV. GERAÇÃO ESTACIONÁRIA

Uma das características das células a combustível está no fato de que a sua eficiência não é praticamente afetada pelo seu tamanho. Isso significa que plantas pequenas e relativamente eficientes podem ser desenvolvidas, evitan-do o alto custo associaevitan-do ao desenvolvimento de grandes plantas. Com isso, inicialmente o desenvolvimento de cé-lulas a combustível para geração estacionária está focada na capacidade de algumas centenas de kW até poucas dezenas de MW.

V. TIPOS DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL Existem vários tipos de células a combustível, classi-ficadas segundo o eletrólito que utilizam, o qual define a temperatura de operação. A tabela 1 relaciona os tipos de célula a combustível considerados hoje os mais promisso-res para aplicações terpromisso-restpromisso-res com suas características prin-cipais, vantagens e desvantagens atuais e suas aplicações mais relevantes. Os vários tipos de célula a combustível existentes, classificados segundo a sua temperatura de operação, envolvem materiais constituintes distintos e téc-nicas de construção diversas.

Como se trata de uma tecnologia pouco utilizada a quanti-dade de dados relativos ao seu uso comercial ainda são poucos. A primeira unidade comercial disponível foi a PC-25 desenvolvida pela International Fuel Cells Corporation (IFC). Trata-se de uma célula tipo PAFC (Phosphoric Acid

TABELA 1

Tipos de Células a Combustível

(*) PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), AFC (Alkaline Fuel Cell), MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) e SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)

Fuel Cell) de 200 kW, 480/277 V, 60 Hz e 400/230 V a 50 Hz. A eficiência dessa célula está em torno de 40% e chegando à aproximadamente 80% com aplicações em cogeração. Uma unidade acumulava em agosto de 2000 mais de 50.000 ho-ras de operação. Uma das unidades alcançou operação ininterrupta de 9.500 horas.

VI. PROJETO DESENVOLVIDO

Esse projeto tem como objetivo final desenvolver pro-tótipos de Células a Combustível de Polímero Sólido (PEMFC) para posterior fabricação em escala industrial no Brasil com elevado grau de nacionalização visando vários mercados principalmente o da ELETROPAULO.

O desenvolvimento ficará a cargo da Electrocell, em-presa que já desenvolveu uma célula completa e acabada para 1 kW e detêm a capacitação e tecnologia. O desenvol-vimento será acompanhado e validado pela Universidade de São Paulo (USP).

A empresa Electrocell está desenvolvendo uma célu-la a combustível de 50 kW e 250 VCC. Essa célula é compos-ta por cinco módulos (“scompos-tacks”) de 10 kW e 50 VCC cada um, que fornece tensão e corrente contínuas, por isso é necessário um módulo de eletrônica de potência (inversor) para que ela possa fornecer tensão e corrente alternadas. Esse módulo consiste de um inversor formado por pontes de IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor – Transistor Bipolar de Porta Isolada), filtros e transformador.

Por ocasião da confecção desse artigo ainda não ti-nha sido terminada a construção do primeiro módulo (stack) de 10 kW, por isso não há nenhum teste para as células a combustível. Já o módulo de eletrônica de potência (inver-sor) e o transformador estavam prontos e com isso os en-saios foram realizados com esses equipamentos.

(17)

VII. ENSAIOS REALIZADOS

Os ensaios do módulo de eletrônica de potência (in-versor) da célula a combustível foram realizados no Labo-ratório de Máquinas do IEE-USP (Instituto de Eletrotécnica e Energia – Universidade de São Paulo).

Esses ensaios consistiram em aplicar uma tensão con-tínua fornecida por um retificador pertencente ao IEE para simular a célula a combustível e verificar o comportamento do módulo de eletrônica de potência para diferentes car-gas (resistiva, capacitiva e indutiva) e determinar o rendi-mento do conjunto inversor e transformador. Foram tam-bém analisados alguns tipos de transitórios.

Também foram realizados os ensaios do transforma-dor existente no módulo. Os ensaios foram o de vazio e o de curto-circuito.

O esquema simplificado da célula juntamente com o inversor e transformador é apresentado acima.

VIII. RESULTADOS

Os testes realizados no transformador foram todos bem sucedidos (ensaio em vazio e curto-circuito).

Os testes no módulo inversor são apresentados na tabela 2 a seguir. S ta c k 4 S ta ck 1 St a c k 2 St a c k 3 Sta c k 5 C o n t a to r In v e r s o r Fa s e A F a s e C F as e B M O D . A M O D . B M O D . A M O D . B M O D . A M O D . B In v e r s o r e s ( P W M ) F il tr o s T r a n s fo r m a d o r C é l u la s a C o m b u s t ív e l

FIGURA 2 - Esquema simplificado (célula + eletrônica de potência + transformador)

Tabela 2 – Ensaio do módulo inversor

CASO VCC (V) CARGA 1 250 Vazio 2 240 Resistiva – 5.081 W 3 236,5 Resistiva – 10.220 W 4 231 Resistiva – 15.110 W 5 226 Resistiva – 20.380 W 6 245 Resistiva – 25.230 W 7 220 Vazio 8 208 Resistiva – 10.220 W 9 231 Resistiva – 20.320 W 10 240 Resistiva – 30.630 W 11 238 Resistiva – 40.470 W 12 244 Resistiva – 47.440 W 13 163 Resistiva – 15.040 W 14 227 RL – 19.360W e 16.210 Var 15 219 RC – 19.560 W e –7.137 Var

Como carga foram utilizadas resistências, capacitores e indutores. Os casos 1 a 6 foram realizados utilizando-se meio sistema, ou seja, apenas metade da potência. Com isso para cada fase foi utilizado apenas um enrolamento do transformador. Os demais casos foram realizados utilizan-do-se o sistema completo. Também foram realizados al-guns ensaios de transitórios, como por exemplo a inserção

(18)

Geração

D

istribuída

de uma carga indutiva para simular a partida de um motor. As respostas do módulo inversor para esses ensaios fo-ram muito boas, não apresentando nenhuma reação fora do esperado.

Para alguns casos também foi medida a distorção har-mônica total (THD). Para o caso 12, por exemplo, a THD para corrente foi de 2,39% e para tensão foi de 2,16%.

Através desses ensaios foi possível determinar o ren-dimento do módulo inversor juntamente com o transforma-dor. O rendimento obtido está na faixa de: 29,86% para o caso 1 e 88,6% para o caso 12. Os casos 1 e 7 (vazio) não apresentam rendimento zero pois é gerada uma quantidade de corrente CA (alternada) para alimentar os equipamen-tos de medição e controle do inversor.

O módulo inversor e o transformador se comportaram muito bem nesses ensaios realizados. Como a célula a combustível ainda não está montada ficam faltando os tes-tes da célula isoladamente e os tes-testes-tes do sistema completo (célula a combustível + inversor + transformador).

O primeiro módulo da célula (10kW) está previsto para ficar pronto no final de julho de 2003.

IX. SUMÁRIO FINAL

As células a combustível apresentam uma ampla gama de utilização, como automóveis, geração distribuída, com-putadores portáteis, e outros equipamentos elétricos. Como grande vantagem temos um nível muito baixo de emissões. Trata-se de uma tecnologia de grande potencial mundial e por isso o desenvolvimento de um protótipo nacional é de grande importância.

X. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] BLOMEN L J M J, JOHANSON T B “Fuel Cells” Lund University Press 1989.

[2] CLEGHORN S J C et all “PEM fuel cells for transportation and stationary power generation applications” Int Hydrogen Energy v 22, n 12, 1997.

[3] Figueiredo, N. A. - Gas Net; www.gasnet.com.br/artigos/ artigos_view2.asp?cod=91&idio=1.

[4] Silva, W. M.; Paula, P. P.; Janólio, G; Ebessui, A. e Ett, G. “Design and Operation of a Fuel Cell System Prototype for Electric Vehicles” EPE2001- European Power Electronics Conference.

[5] NYSERDA New York State Research and Development Authority. “220 kW Fuel Cell Monitoring and Evaluation Program; Providing Independent Performance Data on Phosphoric Acid Fuel Cells- Final Report 97-3” fevereiro 1977 [6] Serra, E. T. “Uso de Células Combustíveis em Residências e Estabelecimentos Comerciais”. Revista Eletricidade Moder-na, Maio de 2003.

(19)

ceito, logo substituído, no início do século XX, pela gera-ção centralizada, devido à competitividade econômi-ca da produção em escala.

A partir dos anos 90 foi estabelecida a viabilidade técnica de novas tecnologias de geração de energia. Ou-tros fatores, como a disponibilidade de gás natural, a ne-cessidade de modularidade, escassez de recursos para gran-des projetos e interesse por fontes mais limpas e confiáveis, entre outros, levaram a que o tema Geração distribuída pas-sasse a ser discutido intensamente nos EUA e Europa.

Hoje, o grande desafio se concentra na introdução de fontes descentralizadas, operando em conjunto com redes de distribuição e transmissão, tendo em vista os riscos (ins-tabilidade do sistema, diminuição de mercado das grandes concessionárias) e oportunidades de negócios decorrentes. A. Tecnologias Disponíveis

A tabela 1 apresenta as principais tecnologias utiliza-das para Geração Distribuída, com as respectivas faixas de potência.

TABELA 1

Tecnologias Utilizadas em Geração Distribuída

Tecnologia Tamanho típico disponível por módulo

Não Renováveis

Turbina a gás de ciclo combinado 35 - 400 MW Motores de combustão interna 5 kW - 10 MW Turbina de combustão 1 - 250 MW Microturbinas 35 kW - 1 MW

Renováveis

Hidro pequena 1 - 100 MW Hidro micro 25 kW - 1 MW Turbina eólica 200 Watts - 3 MW Sistemas fotovoltaicos 20 Watts - 100 kW Térmica solar, receptor central 1 - 10 MW Térmica solar, sistema Lutz 10 - 80 MW Biomassa, baseada na gaseificação 100 kW - 20 MW PAFC (*) 200 kW - 2 MW MCFC (*) 250 kW - 2 MW PEFC(*) 1 kW - 250 kW SOFC(*) 250 kW - 5 MW Geotérmica 5 - 100 MW Energia oceânica 100 kW - 1 MW Motor ciclo Stirling 2 - 10 kW

(*) FC remete a fuel cells ou células a combustível

Implantação de Sistemas de Geração

Distribuída Junto à Rede de Distribuição

J. C. B. Silva, LACTEC, J. C. Camargo, UNICAMP, J. L. P. Brittes, CPFL,

E. P. da Silva, UNICAMP, M. P. Cantão, LACTEC, P. R. Impinnisi, LACTEC, F. R. Garcia, LACTEC, G.

Paulillo, LACTEC e A. J. Silva, UNICAMP

RESUMO

A Geração Distribuída (GD) é analisada neste artigo segundo os principais objetivos do projeto: determinação do estado da arte das tecnologias de GD, vetores energéticos, reforma de gás natural, instalação de equipamentos, estudos relativos a planta baseada em células a combustível instalada no LACTEC e estudos de mercado. Além da análise mais ampla da Geração Distribuída, o artigo apresenta uma análise detalhada da tecnologia de células a combustível aplicada a GD. Em parti-cular, são apresentados e discutidos os dados de instalação, operação e manutenção de uma planta de 200 kW alimentada com gás natural e conectada à rede de distribuição.

PALAVRAS-CHAVE

Geração Distribuída. Energias alternativas. Interligação com a rede. Células a combustível.

I. INTRODUÇÃO

Durante a última década, os setores de energia de diferentes países sofreram profundas transformações, com uma grande tendência à desverticalização e ao estímulo à descentralização da geração de energia.

O Brasil seguiu a tendência mundial, reestruturando o setor elétrico e as principais instituições relacionadas à geração, transmissão, distribuição, comercialização e regulação do setor, as quais sofreram profundas mudan-ças em suas atribuições e/ou funções.

É nesse contexto que surgiu um interesse acentuado por Geração Distribuída, tema de pesquisa do presente pro-jeto, o qual teve como principais objetivos, neste pri-meiro ciclo, determinar o estado da arte das tecnologias de gera-ção distribuída, vetores energéticos, tecnologias empre-gadas em GD, estudos relativos à reforma de gás natural, instalação e estudos concernentes à célula a com-bustível instalada no Lactec e, finalmente, estudos de mercado.

II. A GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

Geração Distribuída é a geração de energia por meio de pequenas unidades modulares situadas próximo ao lo-cal de consumo, podendo ser integrada à rede elétrica ou operar independentemente da mesma. As primeiras gera-doras de eletricidade foram concebidas dentro deste

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