Getão de Recursos energéticos distribuidos para efeitos de controlo de tensão em redes de distribuição de baixa tensão

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Gestão de Recursos Energéticos Distribuídos para

Efeitos de Controlo de Tensão em Redes de

Distribuição de Baixa Tensão

Pedro Filipe Cardoso Olival

Dissertação realizada no âmbito do

Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Major Energia

Orientador: Manuel António Cerqueira da Costa Matos (Dr.)

Co-orientador: André Guimarães Madureira (Dr.)

ii

iii

Resumo

A integração em larga escala de recursos distribuídos, particularmente de produção distribuída nas redes de distribuição de Baixa Tensão (BT), apresenta um conjunto de desafios para garantir a operação da rede com segurança, qualidade e continuidade de serviço aos consumidores. Em particular, os perfis de tensão poderão ser severamente afetados com a integração de recursos descentralizados.

O presente documento apresenta uma proposta para as funcionalidades de gestão e apoio à operação das redes de distribuição com o objetivo de garantir um controlo coordenado e otimizado dos perfis de tensão nas redes de distribuição de BT, utilizando diferentes recursos energéticos distribuídos, designadamente sistemas de armazenamento, cargas controláveis e unidades de microprodução. A ferramenta de gestão desenvolvida em ambiente MATLAB® permite maximizar a integração de microprodução de origem renovável (especialmente solar fotovoltaica), cumprindo os limites técnicos nas redes e garantindo o equilíbrio entre produção e o consumo.

O anteriormente exposto resulta da exploração do conceito de rede inteligente como alternativa ao atual modelo para as redes de distribuição de BT permitindo uma integração dos recursos distribuídos aproveitando a sua flexibilidade na operação com recurso a sistemas de controlo avançado. Desta forma, o trabalho desenvolvido aplica uma metodologia de gestão de recursos para efeitos de controlo de tensão, no contexto de uma rede inteligente, tendo sido testada para uma rede real Portuguesa de distribuição de BT. A metodologia desenvolvida pressupõe a utilização da ferramenta de controlo gerida pelo operador da rede de distribuição e instalada ao nível dos seus sistemas de gestão e controlo.

Deste modo, para a aplicação desta metodologia é essencial dotar as redes de arquiteturas de controlo que permitam a gestão dos diferentes recursos energéticos distribuídos. Os modelos desenvolvidos devem adequar-se ao contexto real, considerando cenários reais de cargas, perfis de produção e condições técnicas de operação com o cumprimento de todas as restrições associadas aos limites técnicos das redes de distribuição de BT. A aplicação dos modelos desenvolvidos no presente documento nas redes de distribuição de BT é essencial para a sua validação, conferindo-lhe um sentido prático num futuro próximo.

Em conclusão, o contributo do trabalho desenvolvido no âmbito desta dissertação proporciona ao operador novos modelos e ferramentas de gestão e controlo das redes de distribuição de BT. A aplicação desta ferramenta numa rede real de BT garantiu o controlo dos perfis de tensão em todos os seus barramentos para o período temporal considerado, garantiu o equilíbrio entre a produção e o consumo e permitiu maximizar a integração de fontes energéticas distribuídas, em especial com base em recursos renováveis.

v

Abstract

Large scale integration of Distributed Energy Resources, namely Distributed Generation at the Low Voltage level (LV), poses several technical challenges for distribution network operation in order to guarantee quality and interruptible service to the consumers. Especially the voltage profiles are affected by the high dispersed production.

This paper presents a new application of electrical energy storage systems, demand side response (DSR) and microgeneration shedding, operating in a coordinated way to enable voltage control within LV distribution networks. A management tool developed in MATLAB® allows to maximizing the integration of microgeneration , fulfilling the technical limits on the networks as well as ensuring the balance between production and consumption.

Furthermore, the concept of smartgrid is an alternative to the current model for the LV distribution networks, allowing an integration of the distributed energy resources with increased flexibility in operation with the use of advanced control systems. This work applies a methodology for managing resources for voltage control, in the context of the smartgrid, to a real Portuguese LV distribution network. The methodology considers the control tool as one functionality of the Distribution Management System (DMS).

Thus, for the application is essential to equip the network with control architectures that enable the management of different distributed energy resources. The models here developed should suit the real context, considering real scenarios, with loads, production profiles and technical operation conditions, with the fulfillment of all constraints associated with the technical limits of the LV distribution networks. The application of the models developed in this paper to the LV distribution networks is essential for validation with a practical application in the near future.

In conclusion, the contribution of the work within this dissertation provides the operator with new models and management tools for the control of LV distribution networks. The application of this tool in a real LV network secured the control of the voltage profiles in all its buses for the considered time period, ensuring the balance between production and consumption and maximizing the integration of distributed energy sources, in particular based on renewable resources.

vii

Agradecimentos

Um agradecimento especial ao Dr. André Guimarães Madureira, investigador sénior no Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores do Porto (INESC Porto), pela dedicação, orientação, acompanhamento, a boa disposição e empatia com qual me recebeu.

Por fim, um agradecimento aos meus pais e à minha irmã por todo o apoio ao longo destes meses de trabalho.

ix

Índice

Índice ... 9

Lista de figuras ... 13

Lista de tabelas ... 15

Abreviaturas e Símbolos ... 17

... 1

Capítulo 1

Introdução ... 1

... 6

Capítulo 2

Estado da Arte ... 7

2.1 - Operação das Redes de Baixa Tensão ... 7

– Características das Redes de Baixa Tensão ... 7

2.1.1 2.2 - Integração de Produção Renovável em Redes de Distribuição ... 10

2.3 - Redes Elétricas Inteligentes (SmartGrids) ... 11

- Conceito de microrede ... 11

2.3.1 - Arquitetura de Gestão e Controlo das Microredes ... 12

2.3.2 – Controlo da tensão - interfaces de eletrónica de potência nas redes de 2.3.3 distribuição ... 14

2.3.3.1 – Inversores VSI ... 14

2.3.3.2 - Inversores PQ ... 15

– Conceito de Rede Inteligente (SmartGrid) ... 16

2.3.4 2.4 - Recursos Energéticos Distribuídos ... 16

– Microprodução ... 16 2.4.1 2.4.1.1 – Painéis fotovoltaicos ... 17 2.4.1.2 – Micro-turbinas eólicas ... 18 2.4.1.3 - Células de combustível ... 19 – Sistemas de Armazenamento ... 20 2.4.2 2.4.2.1 - Baterias ... 20 2.4.2.2 - Volantes de Inércia ... 21 2.4.2.3 – Super - condensadores ... 21

– Comparação dos diferentes sistemas de armazenamento ... 21

2.4.3 – Cargas Controláveis ... 22 2.4.4

x

2.4.4.1 – Programas de gestão de Consumos ... 24

... 26

Capítulo 3

Controlo de Tensão em Redes de Distribuição de BT ... 27

3.1 - Controlo Coordenado de Recursos Energéticos Distribuídos ... 27

– Gestão dos Sistemas de armazenamento ... 28

3.1.1 - Gestão de Consumos ... 29 3.1.2 - Microprodução ... 30 3.1.3 - Arquitetura de controlo ... 31 3.1.4 3.2 - Formulação Matemática ... 32 - Função Objetivo ... 33 3.2.1 - Restrições de controlo dos sistemas de armazenamento ... 34

3.2.2 - Restrições de controlo de carga ... 35

3.2.3 - Restrições dos limites técnicos da Rede de BT ... 36

3.2.4 3.3 - Algoritmo (EPSO + Trânsito de Potências Trifásico) ... 37

- MATLAB – MATrix LABoratory ... 37

3.3.1 - Algoritmo de Otimização – EPSO ... 37

3.3.2 – Algoritmo de Trânsito de Potências Trifásico ... 40

3.3.3 - Algoritmo multi-temporal e sequencial para o controlo de tensão ... 41

3.3.4

... 43

Capítulo 4

Aplicação do algoritmo de controlo avançado de tensão ... 43

4.1 - Rede do Caso de Estudo ... 43

- Características da Rede de BT ... 43

4.1.1 - Considerações Base e Legislativas ... 45

4.1.2 - Perfis de Consumo e de Microprodução ... 45

4.1.3 4.2 - Cenário de Operação Base ... 46

4.3 - Cenário 1 ... 50

- Objetivo ... 50

4.3.1 - Considerações Iniciais do EPSO ... 52

4.3.2 - Performance do algoritmo para um período de operação do algoritmo de 4.3.3 otimização ... 53

- Resultados obtidos para o período sequencial de 24 horas ... 55

4.3.4 4.3.4.1 – Ações de controlo da Fase 1 ... 58

4.3.4.2 – Ações de controlo na Fase 2 ... 60

4.3.4.3 - Ações de controlo na Fase 3 ... 62

4.3.4.4 – Impacto da gestão de consumos ... 62

4.3.4.5 - Análise Global das Ações de Controlo ... 65

4.4 - Cenário 2 ... 69

- Resultados obtidos para o período multi-temporal de 24 horas ... 70

4.4.1 4.5 – Sumário ... 76

... 79

Capítulo 5

Conclusão ... 79

xi

Referências ... 83

Anexos ... 87

Anexo A - Algoritmo de Trânsito de Potências Trifásico ... 87

Anexo A.1 - Trânsito de Potências nas redes de Distribuição com 4 condutores ... 88

Anexo B - Dados da rede do caso de estudo ... 91

xiii

Lista de figuras

Figura 1.1 – Novo Paradigma dos Sistemas Elétricos de Energia [2] ... 2

Figura 1.2 – Evolução da potência instalada em energia renovável em Portugal, [3] ... 2

Figura 1.3 – Evolução da potência instalada de tecnologia solar fotovoltaica em Portugal, [3] . 3 Figura 2.1 – Sistema exemplo, adaptado de [5] ... 7

Figura 2.2 – Exemplo de rede radial ... 9

Figura 2.3 – Exemplo de rede emalhada ... 9

Figura 2.4 – Variação da tensão considerando cenários de penetração de microprodução, adaptado de [2]. ... 9

Figura 2.5 – Arquitetura de Controlo de uma MicroRede, adaptado de [17]. ... 12

Figura 2.6 – Controlo proporcional P-V ... 15

Figura 2.7 – Sistema de gestão da energia com o recurso de inversores PQ ... 15

Figura 2.8 – Rendimentos dos sistemas de armazenamento ... 21

Figura 2.9 – Repartição do consumo de energia elétrica final, por setor, 2009, [36] ... 22

Figura 2.10 - Taxas de posse dos equipamentos (clientes domésticos), [36] ... 23

Figura 3.1 – Arquitetura de gestão dos Recursos Energéticos da microrede ... 32

Figura 3.2 – Algoritmo EPSO ... 38

Figura 3.3 – Função de penalização quadrática ... 39

Figura 3.4 – Composição de uma linha de BT ... 40

Figura 3.5 – Algoritmo de controlo avançado de tensão ... 42

Figura 4.1 - Rede do Caso de Estudo ... 44

Figura 4.2 – Perfis de Microprodução e Consumo ... 46

Figura 4.3 – Trânsito de potência para o Cenário Base ... 47

Figura 4.4 – Influência dos perfis de produção e consumo nos valores de tensão ... 49

Figura 4.5 – Evolução da função Fitness para 4 simulações independentes ... 54

Figura 4.6 – Evolução da tensão no barramento 22 da Fase 1, período das 14 horas. ... 54

Figura 4.7 - Evolução da tensão no barramento 22 da Fase 1, período das 22 horas. ... 54

Figura 4.8 – Comparação dos valores de tensão antes e após a simulação do algoritmo de otimização, Fase 1 – Barramento 32 ... 56

Figura 4.9 - Valores de tensão obtidos após a simulação do algoritmo de otimização para as fases.1,2 e 3 - Barramento 32. ... 56

Figura 4.10 – Ações de controlo da fase 1 para um período sequencial de 24 horas ... 58

Figura 4.11 – Períodos de carga e descarga dos sistemas de armazenamento da fase 1 ... 59

Figura 4.12 – Estado de armazenamento de todas as baterias da Fase 1 ... 59

Figura 4.13 – Ações de controlo da fase 2 para um período sequencial de 24 h ... 60

Figura 4.14 - Períodos de carga e descarga dos sistemas de armazenamento da fase 2 ... 61

Figura 4.15 - Estado de armazenamento de todas as baterias da Fase 2 ... 61

Figura 4.16 - Ações de controlo da fase 3 para um período sequencial de 24 horas ... 62

Figura 4.17 – Perfil de consumo antes e após a transferência de consumos ... 63

xiv

Figura 4.19 - Perfil de consumo antes e após a simulação do algoritmo de otimização (Cenário 1) ... 65 Figura 4.20 - Trânsito de potências na microrede do caso de estudo (cenário 1) ... 65 Figura 4.21 – Perfil de perdas na microrede do caso de estudo (cenário 1) ... 66 Figura 4.22 – Quantificação da utilização de cada um dos recursos da energia total (Cenário 1) ... 68 Figura 4.23 - Comparação dos valores de tensão antes e após a simulação do algoritmo de otimização (Cenário 2) ... 70 Figura 4.24 - Valores de tensão obtidos após a simulação do algoritmo de otimização para as fases.1,2 e 3 (Cenário 2). ... 71 Figura 4.25 – Plano de operação dos recursos distribuídos (Cenário 2) ... 72 Figura 4.26 - Perfil de microprodução total antes e após o corte de microprodução (cenário 2). ... 73 Figura 4.27 - Perfil de consumo antes e após o corte de carga (cenário 2) ... 74 Figura 4.28 – Trânsito de potência da Microrede do caso de estudo (cenário 2) ... 74 Figura 4.29 – Energia desperdiçada de microprodução e energia não fornecida (Cenário 2). . 76

Figura A. 1 – Modelo para os ramos de uma linha trifásico, adaptado de [42]. ... 88 Figura A. 2 – Modelo das linhas das redes de distribuição de BT, adaptado de [42]. ... 89 Figura A. 3 – Rede do caso de estudo. ... 92

xv

Lista de tabelas

Tabela 2.1 – Vantagens e desvantagens das diferentes infraestruturas de comunicação,

adaptado de [19],[20] e [21]... 14

Tabela 2.2 – Tecnologias de microprodução ... 17

Tabela 2.3 – Tipos de pilhas de combustível, adaptado de [34] ... 19

Tabela 2.4 – Comparação das principais características das tecnologias de armazenamento . 22 Tabela 2.5 – Ações de controlo no consumo residencial, [38] ... 24

Tabela 3.1 – Características dos sistemas de armazenamento adaptado de [35] ... 29

Tabela 3.2 – Ações de controlo de gestão de consumos consideradas no caso de estudo ... 30

Tabela 3.3 – Potência média dos equipamentos residenciais classificados como ações de controlo adaptado de [41] ... 30

Tabela 3.4 – Composição da partícula... 38

Tabela 4.1 – Potência total dos recursos distribuídos ... 44

Tabela 4.2 – Valores de tensão para o período das 14:00 horas ... 48

Tabela 4.3 - Valores de tensão para o período das 22:00 horas ... 48

Tabela 4.4 – Barramentos em que ocorre violação dos limites técnicos admissíveis (Cenário Base) ... 50

Tabela 4.5 – Ações de Controlo na Rede do Caso de estudo ... 51

Tabela 4.6 – Parâmetros de inicialização da simulação do EPSO ... 52

Tabela 4.7 – Valor dos Pesos ... 53

Tabela 4.8 – Valores de tensão antes e após simulação do algoritmo de controlo de tensão para o período das 14 horas ... 55

Tabela 4.9 - Valores de tensão antes e após simulação do algoritmo de controlo de tensão para o período das 22 horas. ... 55

Tabela 4.10 – Plano de operação ótimo das ações de controlo para as condições do cenário 1 ... 57

Tabela 4.11 – Valores de tensão nos barramentos da rede após simulação do algoritmo de controlo ... 57

Tabela 4.12 – Balanço energético da transferência de consumos ... 63

Tabela 4.13 - Balanço energético do corte de carga classificado ... 64

Tabela 4.14 – Resumo dos resultados obtidos (Cenário 1) ... 67

Tabela 4.15 – Recursos utilizados para a simulação do Cenário 2 ... 70

Tabela 4.16 - Plano de operação ótimo das ações de controlo para as condições do cenário 2 ... 72

Tabela 4.17 – Valores de tensão nos barramentos da rede após simulação do algoritmo de controlo (Cenário 2) ... 73

Tabela 4.18 – Resumo dos resultados obtidos (Cenário 2) ... 75

Tabela A. 1 – Características das linhas da rede do caso de estudo. ... 93

xvi

Tabela A. 3 - Potência instalada da microprodução dos consumidores na rede do caso de estudo... 95

xvii

Abreviaturas e Símbolos

Lista de abreviaturas

AFC Alcaline Fuel Cells

AT Alta Tensão

BT Baixa Tensão

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

CHP Combined Heat and Power

CO2 Dióxido de Carbono

DMS Distribution Management System EDM Energia Desperdiçada da Microprodução EDP Energias de Portugal

ENF Energia Não Fornecida

EPSO Evolutionary Particle Swarm Optimization ES Evolutionary Strategies

G Produção de energia elétrica GPRS General Packet Radio Service

LC Load Controller

LV Low Voltage

MC Microsource Controller MCFC Molten Carbonate Fuel Cells MGCC MicroGrid Central Controller

MPP Maximum Power Point

MPPT Maximum Power Point Tracker

MT Média Tensão

p.u. Sistema por unidade PAFC Phosforic Fuel Cells PD Produção Distribuída

PEFC Proton Exchange Membrane Fuel Cells PLC Power Line Carrier

PSO Particle Swarm Optimization

PV Photovoltaics;

SEE Sistema Elétrico de Energia SOFC Solid Oxide Fuel Cells

UE União Europeia

V2G Vehicle to Grid

xviii Lista de símbolos

Potência de carga ou descarga da bateria no barramento k na fase α Potência da carga no barramento k na fase α que pode ser cortada Potência fotovoltaica que pode ser cortada no barramento k na fase α Potência da carga no barramento k na fase α que pode ser transferida

Tensão nominal

Tensão no barramento k na fase α

Tensão medida na rede

Melhor ótimo global

Parâmetro estratégico de cooperação das partículas Parâmetro estratégico de velocidade das partículas Parâmetro estratégico de inércia das partículas Parâmetro estratégico de memória das partículas

Desvio de potência ativa

Desvio de tensão

Função objetivo

Potência ativa

Potência reativa

Parâmetro estratégico de velocidade das partículas Parâmetro objeto da partícula

Energia produzida da rede a montante do posto de transformação MT/BT

Energia da microprodução

Energia descarregada dos sistemas de armazenamento

Consumo

Energia consumida no sistema

Energia das perdas (kWh);

Energia cortada de carga não prioritária

Capítulo 1

Introdução

1.1 - Motivação

Os Sistemas Elétricos de Energia (SEE) encontram-se em constante evolução nos últimos anos com o objetivo de acompanhar a crescente procura de energia elétrica, devido ao aumento da população mundial e o crescente desenvolvimento tecnológico das sociedades. Durante longos anos, o desenvolvimento dos sistemas elétricos de energia seguiu um desenvolvimento baseado numa estrutura hierarquizada. O paradigma de produção de energia, consistia apenas na utilização de grandes centrais de elevada potência (nomeadamente centrais térmicas, hidroelétricas), que injetavam a energia produzida nas linhas de transporte, percorrendo longas distâncias a fim de garantir o fornecimento de energia elétrica aos clientes das redes de Distribuição. O problema que daqui surge é a potencial grande distância geográfica entre os centros de produção e o consumo, que compromete a qualidade e continuidade do serviço de fornecimento de energia elétrica aos consumidores. A elevada dependência de recursos exógenos como o carvão e em especial o petróleo contribuem para elevadas emissões de dióxido de carbono (CO2) e consequentemente provocam o agravamento do aquecimento global.

Contextualizando no panorama geral, a União Europeia (UE) delineou estratégias que permitam evitar o crescimento na utilização destas grandes centrais e a utilização contínua de fontes energéticas não renováveis que contribuam para o fenómeno das alterações climáticas. Deste modo, estabelece a política dos 20-20-20 para ser aplicada até 2020 para os países da comunidade europeia. Estas políticas consistem, [1]:

 Redução em 20 % das emissões com gases de efeito de estufa;

 Redução em 20 % do consumo de energia elétrica;

 Aumento da utilização de energias renováveis em 20 % da energia total produzida. Do anteriormente exposto, resulta o interesse crescente na ligação de unidades de produção de energia elétrica nas redes de distribuição, através de programas governamentais, como uma potencial solução que permita cumprir os objetivos definidos pela UE, com a exploração de fontes de energia renovável, aumento da eficiência energética e redução da emissão dos agentes poluentes. A crescente integração de recursos energéticos distribuídos nas redes de distribuição permitirá definir um novo paradigma, dotando as redes de pequenas unidades de produção geograficamente distribuídas (Produção Dispersa) e mais próximas dos locais de consumo, de acordo com o apresentado na Figura 1.1.

Figura 1.1 – Novo Paradigma dos Sistemas Elétricos de Energia [2]

Neste contexto, os recursos energéticos distribuídos (PD) incluem não apenas unidades de produção distribuída (tais como painéis fotovoltaicos, turbinas eólicas, pilhas de combustível) mas também sistemas de armazenamento de energia e cargas controláveis. Estas mudanças estão a afetar a forma como os SEE, em particular as redes de distribuição são geridas em termos de questões técnicas no âmbito da operação e planeamento.

Face aos importantes objetivos a atingir definidos pela UE, o gráfico da Figura 1.2 apresenta a evolução do contributo das energias renováveis para a produção de energia elétrica em Portugal nos últimos oito anos, [3].

Figura 1.2 – Evolução da potência instalada em energia renovável em Portugal, [3]

Recursos como a energia fotovoltaica e a produção eólica caracterizam-se como produção descentralizada, orientada para alimentar consumidores locais. As metas fixadas pela União Europeia poderão trazer novos desafios, designadamente o aumento significativo da utilização de recursos renováveis descentralizados, como se pode verificar da observação da Figura 1.2, com o aumento crescente do volume de potência instalada recorrendo a sistemas fotovoltaicos bem como geradores eólicos. Em particular, a integração em larga escala de recursos renováveis (microprodução) nas redes de distribuição de BT, é extremamente desafiadora, devido ao facto da integração de volumes consideráveis de fontes variáveis e

(V > 110 kV) (45 kV < V ≤ 110 kV) (1 kV < V ≤ 45 kV) (V ≤ 1 kV) G G G G G P ro d u ç ã o T ra n s p o rt e D is tr ib u iç ã o PD PD PD ? ? ? ? ? ? Carga Carga Carga Carga P, Q P, Q P, Q P, Q P, Q P, Q P, Q 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Fotovoltacia 31 33 55 67 80 97 152 201 210 PCH 265 702 504 478 618 1045 622 393 762 Eólica 1741 2892 4007 5720 7506 9078 9003 10011 11419 Hídrica 5000 11323 10351 7102 8717 16249 11827 6447 10443 Biomassa 1286 1302 1381 1381 1390 1579 1669 1689 1720 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 M Wh ano

intermitentes poderem comprometer seriamente as condições de operação nestas redes. Nos últimos oito anos em Portugal verifica-se uma tendência crescente na integração da produção solar fotovoltaica nas redes de distribuição, particularmente entre 2007 e março de 2013, conforme se apresenta no gráfico da Figura 1.3. Em 2007 entra em vigor o Decreto-Lei n.º363/2007, [4], que estabelece o regime jurídico aplicável à produção de eletricidade por intermedio de unidades de microprodução, o que coincide com o período da crescente penetração destas unidades.

Figura 1.3 – Evolução da potência instalada de tecnologia solar fotovoltaica em Portugal, [3]

Do anteriormente exposto, compreende-se a importância de dotar os atuais sistemas de energia de meios que permitam uma gestão eficiente dos recursos energéticos disponíveis e distribuídos na rede, o que poderá constituir uma solução para resolver os problemas resultantes de uma elevada integração de fontes renováveis. O conceito de smartgrid1 _surge como alternativa ao atual modelo para as redes de distribuição de BT permitindo uma integração dos recursos distribuídos com uma enorme flexibilidade na operação com o recurso a sistemas de controlo avançados. Assim sendo, a integração de unidades de microprodução nas redes de BT, no futuro desempenhará um papel importante, pois estes sistemas descentralizados de produção de energia próximos do consumo garantem, [2]:

 Aumento da qualidade e continuidade de serviço aos consumidores (Produção geograficamente próxima do consumo) admitindo uma exploração dos recursos existentes no âmbito do conceito de microrede;

 Redução a dependência energética de sistemas de produção centralizados, como as centrais de grande potência, que utilizam recursos não renováveis como os combustíveis fósseis para a produção de energia elétrica;

 Em algumas situações pode ser gerida ou desligada da rede elétrica;

 Produção elétrica destinada a captar recursos energéticos renováveis (sol, vento, água, biomassa).

No entanto, o principal problema que daqui surge é a possibilidade da elevada penetração de unidades de microprodução distribuídas nas redes de BT poder provocar dificuldades técnicas, designadamente a elevação dos perfis de tensão e eventualmente poderá provocar a inversão de fluxos de potência nas linhas das redes de distribuição. Num futuro próximo, caso as tendências crescentes na utilização de energias renováveis dispersas pelas redes de

1 _{Rede inteligente, dotada de tecnologias de informação e de controlo integrada nos sistemas de} comunicação e infraestruturas automatizadas.

0 50 100 150 200 250 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 M Wh

distribuição se mantenham, será necessário desenvolver soluções eficientes que permitam integrar a microprodução renovável em larga escala. Particularmente nas redes de BT, o controlo da tensão é essencial, visto que os perfis dos valores de tensão são influenciados pela microprodução local, podendo comprometer a qualidade de serviço. No presente trabalho estas soluções dependem do desenvolvimento de algoritmos de gestão e controlo que possam ser integrados como módulos de software nos sistemas de controlo das redes de distribuição no contexto das smartgrids.

1.2 – Objetivos

Em relação à operação das redes de distribuição, o presente trabalho pretende contribuir para o desenvolvimento de novas funcionalidades que permitam maximizar a integração de fontes de energia renovável nas redes de BT. Esta abordagem permitirá ao operador da rede de distribuição as seguintes funcionalidades:

 Gestão da rede de forma a maximizar a integração de microprodução distribuída com base renovável sem comprometer as restrições técnicas operacionais;

 Fornecimento de serviços de sistema locais por parte dos recursos distribuídos de forma a aliviar as restrições impostas ao sistema de distribuição devido a desequilíbrios súbitos entre a produção e o consumo;

Deste modo, o trabalho desenvolvido consistiu no desenvolvimento de um algoritmo de controlo coordenado e avançado de tensão em MATLAB®_{, explorando os sistemas} microprodução, cargas controláveis e sistemas de armazenamento (ações de controlo). A ferramenta de controlo de tensão desenvolvida, considera um conjunto de algoritmos tais como:

 Trânsito de Potências trifásico;

 Algoritmo de Otimização com base numa meta-heurística (EPSO);

 Algoritmo sequencial e temporal de controlo avançado de tensão.

A gestão coordenada destas ações de controlo, considerando as suas características específicas bem como as das redes de distribuição de BT, constitui uma abordagem inovadora com o desenvolvimento do conceito de rede inteligente (smartgrid).

1.3 – Estrutura do Documento

O trabalho desenvolvido no âmbito desta dissertação é composto por cinco capítulos e dois anexos, incluindo o presente capítulo com a introdução do trabalho proposto, contextualizando a motivação para o seu desenvolvimento e os seus objetivos.

O 0 consiste numa análise do Estado da Arte, apresentando o novo paradigma da integração de recursos energéticos distribuídos, em particular a microprodução distribuída nas redes de distribuição de BT devido às suas características de operação muito particulares. O conceito de SmartGrid permitirá a integração de forma inteligente dos recursos distribuídos, sendo que neste capítulo apresenta-se os seus modos de operação, os sistemas de controlo e interfaces de comunicação bem como uma descrição de todos os recursos distribuídos nas redes de distribuição de BT, evidenciando a sua integração e as vantagens e desvantagens destas tecnologias.

O 0 contempla as estratégias consideradas para o controlo avançado de tensão nas redes de distribuição de BT, identificando as ações de controlo (explorando os recursos energéticos distribuídos) e a arquitetura e equipamentos que possibilitam estas funcionalidades no

contexto das Smartgrids. Ainda neste capítulo é descrita a formulação matemática associada ao algoritmo de otimização desenvolvido para o controlo coordenado dos valores de tensão, bem como a metodologia proposta e uma descrição pormenorizada dos algoritmos desenvolvidos.

No Capítulo 4 apresentam-se os resultados obtidos através dos testes do algoritmo de controlo avançado de tensão desenvolvido em MATLAB® _{para uma rede real de distribuição} Portuguesa em BT. Apresentam-se os principais cenários de operação para esta rede, definindo 3 cenários de operação distintos com o objetivo de avaliar o comportamento algoritmo desenvolvido para diferentes situações de operação e validar as metodologias consideradas. Além da consideração dos diferentes cenários dedica-se uma secção a testes de performance e robustez do algoritmo de otimização desenvolvido.

Por fim, no Capítulo 5 são apresentadas as principais conclusões referentes ao trabalho, com o registo das principais metas alcançadas. Apresenta-se ainda neste capítulo as perspetivas de trabalho futuro que pode ser desenvolvido nesta área.

Capítulo 2

Estado da Arte

De acordo com o novo paradigma dos Sistemas Elétricos de Energia apresentado na secção 1.1 do Capítulo 1, o presente Capítulo apresenta uma revisão dos principais conceitos associados à operação das redes de BT, tais como as suas características, modos de controlo e tecnologias associadas. São também apresentados os diferentes recursos energéticos distribuídos que podem ser encontrados nestas redes e a forma como podem ser explorados para suporte à operação do sistema de distribuição.

2.1 - Operação das Redes de Baixa Tensão

– Características das Redes de Baixa Tensão

2.1.1

No futuro, o operador da rede de distribuição de Baixa-Tensão (BT) poderá encontrar dificuldades acrescidas para uma gestão eficiente e segura das redes de BT devido a uma elevada penetração de microprodução, em particular a de origem renovável. De facto, níveis elevados de microprodução poderão provocar uma elevação da tensão nos barramentos do sistema, comprometendo desta forma a qualidade de serviço no fornecimento de energia elétrica aos clientes nas redes de distribuição de BT.

Expondo mais pormenorizadamente a influência da microprodução renovável nas redes BT, atente-se na rede da Figura 2.1.

Figura 2.1 – Sistema exemplo, adaptado de [5]

Neste caso, as características das linhas de distribuição das redes de BT influenciam bastante as possíveis estratégias de controlo de tensão, uma vez que estas são extremamente resistivas (ao contrário do que se verifica para a linhas de transmissão), pelo que o controlo baseado na gestão da potência reativa não é eficaz, devido ao baixo fator X/R, [6].

MT

BT

Z=R+jX

V

=|V

| ∟Θ

V

=|V

| ∟Θ

S

=P

+jQ

As expressões que permitem determinar o trânsito de potências ativa e reativa na linha da Figura 2.1, são respetivamente (2.1) e (2.2).

(2.1)

(2.2)

Com:

Trânsito de potência ativa no ramo entre os barramentos i e j; Trânsito de potência reativa no ramo entre os barramentos i e j;

Módulo de tensão no barramento i; Ângulo de tensão no barramento i;

Trânsito de potência aparente no ramo entre os barramentos i e j;

Resistência do ramo entre os barramentos 1 e 2; Reatância do ramo entre os barramentos 1 e 2;

Nas linhas de BT a resistência da linha é geralmente muito superior à reatância (R>>X), pelo que as expressões apresentadas podem ser simplificadas considerando que a reatância X é desprezável (X=0), obtendo deste modo as seguintes expressões, (2.3) e (2.4).

(2.3)

(2.4)

De acordo com a expressão (2.3), para alterar o sentido do trânsito de potência (P12 assume valores negativos) será necessário que V2>V1, sendo que esta situação pode conduzir frequentemente a casos em que o valor de V2 seja superior ao limite técnico regulamentar (Vmáx). Na ausência de consumo local suficiente para absorver a potência gerada localmente, a integração de produção renovável no barramento 2 poderá provocar inversão no sentido do fluxo de potência, passando a circular do barramento 2 para o 1, injetando potência na rede de MT a montante. Numa situação sem produção renovável, o sentido do fluxo de potência para alimentar a carga seria do barramento 1 (posto de transformação MT/BT) para o barramento 2 (carga).

Compreende-se então que a elevada penetração de unidades de microprodução renovável altera significativamente a operação das redes de distribuição de BT, podendo conduzir a situações de elevação dos valores de tensão, que não depende só das características da rede (topologia radial, Figura 2.2, ou emalhada, Figura 2.3, condutores com elevado efeito resistivo), mas também da localização das microfontes bem como da sua potência nominal.

Figura 2.2 – Exemplo de rede radial Figura 2.3 – Exemplo de rede emalhada

As redes de BT são predominantemente redes radiais, compostas por linhas extensas com o objetivo de fornecer energia elétrica a clientes de zonas mais isoladas, por exemplo em zonas rurais. Os problemas de tensão surgem normalmente nos barramentos mais afastados do posto de transformação MT/BT, caso existam clientes com unidades de microprodução renovável de potência considerável, como se pode verificar pela análise da Figura 2.4.

Figura 2.4 – Variação da tensão considerando cenários de penetração de microprodução, adaptado

de [2].

O valor de tensão é mantido constante devido ao ajuste automático da _{tomada na subestação de AT/MT;} O valor de tensão decresce devido às cargas distribuídas na rede de MT; O valor de tensão aumenta subitamente devido à regulação das tomadas do _{transformador de MT/BT;} O valor da tensão decresce ligeiramente no transformador de MT/BT;

O valor de tensão decresce devido às cargas distribuídas na rede de BT.

MT BT Carga Microprodução MT BT Microprodução Carga Microprodução Rede BT Rede MT

Variação de

tensão

permitida

Numa situação sem penetração de microprodução, não se verifica elevação dos valores de tensão da rede de BT, podendo observar-se que o valor de tensão decresce devido às cargas distribuídas e mais afastadas do posto de transformação MT/BT, (D-E).

No caso de existir uma penetração elevada de microprodução, o valor de tensão aumenta significativamente, podendo inclusivamente ultrapassar o limite máximo admissível.

Do anteriormente exposto, conclui-se que controlar os níveis de tensão com a gestão da potência reativa não é eficaz nas redes de BT devido às suas características, pelo que medidas que controlem a potência ativa estão a ser consideradas, existindo diversos estudos realizados nesta matéria, que consideram soluções tais como:

 Corte de produção proveniente da microprodução [5], [7];

 Armazenamento da energia proveniente da microprodução [8];

 Gestão dos consumos, com um controlo das cargas no sistema [9], [10];

O potencial do controlo destes recursos encontra-se neste momento numa fase de inovação e crescimento, mas atualmente é possível utilizar as funcionalidades de controlo para as microfontes e os sistemas de armazenamento através de interfaces de eletrónica de potência, [11]. No caso da gestão dos consumos estão a ser testadas infraestruturas de contagem remota inteligente utilizando (contadores inteligentes) para realizar o controlo das cargas dos clientes, o estudo realizado segundo a referência [12] evidencia os desafios da integração desta tecnologia nas microredes, onde se abordam conceitos como cargas controláveis.

A eletrónica de potência permitirá controlar a potência ativa das microfontes e dos sistemas de armazenamento de forma continua e precisa (controlo dos inversores) conforme será apresentado na secção seguinte. Por outro lado, os contadores inteligentes permitirão o controlo das cargas do cliente com a monitorização e descriminação de todo o consumo nos diferentes períodos temporais.

Uma última característica das redes de distribuição de BT importante para a sua operação, é o facto de grande parte das cargas e das unidades de microprodução serem frequentemente monofásicas e distribuídas pelas diferentes fases do sistema, por consequência estas redes classificam-se como redes trifásicas desequilibradas. Do anteriormente exposto, pode concluir-se que o controlo de tensão deverá ser baseado então em algoritmos para o trânsito de potências que permitam determinar as variáveis necessárias para a análise do fluxo de potência nas linhas das redes de BT, considerando os desequilíbrios entre as fases do sistema.

2.2 - Integração de Produção Renovável em Redes de

Distribuição

Diversos estudos acerca da integração de produção renovável nas redes de BT estão a ser realizados, alguns já publicados e com resultados interessantes.

A integração da produção renovável não deverá comprometer os níveis de tensão das redes, por exemplo o estudo [13], considera a utilização de heurísticas para a minimização da energia cortada da microprodução e das perdas de forma a controlar os valores de tensão. De facto esta metodologia permitiu controlar a tensão, mas à custa de algum corte de microprodução distribuída nas redes de BT.

Outros estudos, tais como [8], [14]e [15] tentaram ultrapassar esta limitação de controlo, incluindo sistemas de armazenamento na rede, de forma a armazenar a energia excedente2_da microprodução e evitar o corte de microprodução necessário para controlar os valores de

2 _{A energia excedente da microprodução é a energia que se encontra nas linhas e que provoca níveis} de tensão acima do limite técnico admissível.

tensão. Os resultados obtidos são encorajadores para o operador da rede de distribuição, pois uma adequada distribuição destes sistemas de armazenamento nas redes permite controlar os níveis de tensão, evitando sobretensões devido à microprodução e simultaneamente evita problemas de subtensão, caso descarreguem a energia armazenada nos períodos de ponta em que o consumo é elevado e os perfis de tensão são baixos.

Medidas alternativas que evitem a instalação de sistemas de armazenamento e estudos sobre a localização ótima destes recursos, consistem no controlo dos consumos do cliente, pelo que diversos investigadores já apresentaram alguns estudos nesta matéria, [9] e [10]. Segundo as referências bibliográficas consultadas, ainda não existe um consenso e maturidade na aplicação destas medidas para controlo de tensão, sendo que diferentes investigadores apresentam variadas alternativas e tecnologias para o controlo dos consumos dos clientes.

Na prática, algumas destas tecnologias ainda em fase de testes, já se encontram implementadas, ainda que em pequena escala através de projetos-piloto. Por exemplo, a InovGrid projeto da EDP Distribuição, [16], é uma SmartGrid instalada em Évora utilizada para a realização de testes das novas tecnologias a implementar.

Do anteriormente exposto, compreende-se que existem diferentes alternativas de forma a integrar a crescente penetração da microprodução, mas ainda não se encontra muito trabalho desenvolvido na combinação e utilização conjunta de todos estes recursos energéticos distribuídos. Assim sendo, um sistema de controlo que considere a operação coordenada de sistemas de armazenamento, gestão de consumos e por fim o corte de microprodução, caso os recursos anteriores sejam insuficientes, poderá ser uma realidade para o controlo avançado de tensão nas redes de distribuição de BT, num futuro próximo.

2.3 - Redes Elétricas Inteligentes (SmartGrids)

As novas exigências impostas às redes elétricas têm originado diferentes abordagens, conceitos e perspetivas de evolução das mesmas. Neste âmbito são de destacar os conceitos de microrede e de redes elétricas inteligentes (SmartGrids).

- Conceito de microrede

2.3.1

O conceito de microrede foi desenvolvido no âmbito do projeto Europeu “MICROGRIDS – Large Scale Integration of Microgeneration to Low Voltage Grids”, posteriormente denominado de “Microgrids project” [17].

Deste modo, uma microrede pode ser definida como uma rede de distribuição de energia elétrica de BT onde pequenos recursos energéticos distribuídos são ligados. Uma vez que a produção se encontra geograficamente próxima das cargas, uma microrede pode corresponder, por exemplo, a uma rede de uma pequena zona urbana, uma zona industrial ou até mesmo um grande complexo comercial.

Uma microrede pode também incluir sistemas de armazenamento de energia elétrica, equipamentos de controlo local e gestão do sistema bem como sistemas de recuperação de calor (CHP - cogeração).

Uma microrede pode funcionar em duas condições de operação distintas:

 Modo Normal Interligado – A microrede encontra-se ligada à rede de distribuição de

MT a montante, podendo ser totalmente ou parcialmente alimentada por esta. Poderá ser necessário auxiliar a rede de MT, com a injeção de potência por parte da

microrede no barramento de MT.

 Modo de Emergência – No caso de uma falha/avaria na rede MT que iniba o

abastecimento de energia, a microrede terá de ter a capacidade de operar em regime isolado de forma autónoma, semelhante a um sistema de uma ilha física.

Do ponto de vista do operador da rede, a microprodução pode ser vista como um potencial de controlo dos sistemas de energia que permitirá aumentar a qualidade de abastecimento, bem como o aumento da eficiência e suporte de controlo local dos perfis de tensão.

As microredes são geridas por um controlador central, o MicroGrid Central Controller (MGCC), que possui funções implementadas de gestão económica e funcionalidades de controlo, de onde surge o conceito de SmartGrid.

- Arquitetura de Gestão e Controlo das Microredes

2.3.2

Na Figura 2.5 apresentam-se a arquitetura de uma microrede de acordo com o “MicroGrides Project”.

Figura 2.5 – Arquitetura de Controlo de uma MicroRede, adaptado de [17].

As microredes incluem vários equipamentos e componentes, tais como microfontes, cargas elétricas, sistemas de controlo local e centralizado bem como sistemas de eletrónica de potência. O controlo centralizado da microrede é efetuado pelo MGCC, instalado do lado de BT do transformador MT/BT, como pode ser observado na Figura 2.5. O MGCC apresenta uma série de funções importantes que estabelecem a interface da rede de distribuição MT com a microrede, as funções do MGCC incluem ainda a monitorização em tempo real da potência ativa e reativa de todos os recursos distribuídos, bem como a capacidade de enviar sinais de controlo através de set-points para o MC e LC. Assim sendo, cada microfonte e sistema de armazenamento pode ser controlado localmente pelo “Microsource-Controller” (MC) enquanto a carga pode ser controlada localmente pelo “Load Controller”(LC), [17].

O MC aproveita as funcionalidades das interfaces de eletrónica de potência que estabelecem a ligação das microfontes e utiliza a informação local para controlar a tensão e a frequência da microrede de forma automática ou através de set-points de valores de potência ativa ou reativa enviados pelo MGCC. Esta tecnologia tem que ser adaptada ao tipo de microfonte (painéis fotovoltaicos, células de combustível, micro turbinas, baterias, etc.).

A plataforma de comunicação necessária para suportar a arquitetura de controlo das microredes, permite uma interação entre o MGCC, o controlo local das microfontes (MC), o controlo local das cargas (LC), bem como estabelecer protocolos de comunicação com o sistema de gestão das redes de distribuição (através dos sistemas Distribution Management

MT Microturbina BT MGCC MC LC Células de combustivel MC MC Microturbina eólica Paineis fotovoltaicos Cogeração MC MC LC LC LC MC AC AC AC AC AC DC AC DC DC AC Sistema de armazenamento DMS carga carga carga carga LC carga

System – DMS). A necessidade da gestão técnica das redes de distribuição (DMS) conduziu ao desenvolvimento de um conjunto de funcionalidades, entre as quais, [18]:

 Processador de topologia;

 Alocação de cargas;

 Previsão de consumos e correntes nos ramos;

 Trânsito de Potências;

 Cálculo de curto-circuitos

 Controlo de tensão;

 Localização de defeitos;

 Estimação de estados;

 Análise de viabilidade de manobras;

 Algoritmos de otimização.

De forma a possibilitar a troca de informação entre os diferentes sistemas de monitorização e controlo e componentes, os protocolos de comunicação TCP/IP3 apresentam-se como uma boa solução:

 Sistemas de comunicação dedicados4_;

 Possibilidade de utilizar estes protocolos para outros serviços ou aplicações;

 Enorme variedade de tecnologias disponíveis com diferentes características (Wireless, cabo, Ethernet);

Deste modo, diferentes infraestruturas de telecomunicação dedicada são uma opção para estabelecer a comunicação entre os diferentes equipamentos de controlo. Destacam-se as tecnologias Wireless, GPRS e a fibra ótica, evidenciando as vantagens e desvantagens de cada tecnologia, de acordo com as referências bibliográficas [19],[20]e [21], apresentadas na Tabela 2.1.

Em alternativa, comunicações não dedicadas explorando tecnologias que utilizam as linhas de distribuição de energia como o “Power Line Carrier” (PLC) podem também ser adequadas para a transmissão de dados entre as diferentes unidades de controlo das microredes, [22].

3 _{Conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede, protocolos de internet.} 4 _{Os canais de comunicação dedicados consistem em protocolos de comunicação específicos para a} transmissão de dados e independentes dos sistemas de fornecimento de energia elétrica da microrede.

Tabela 2.1 – Vantagens e desvantagens das diferentes infraestruturas de comunicação, adaptado de

[19],[20] e [21].

Tecnologia _{Vantagens Desvantagens}

Wireless

 Custos de implementação reduzidos  A simplicidade e robustez do

equipamento repercutem-se numa redução do custo da manutenção  Solução flexível, a rede alcança locais

sem a necessidade de meios físicos, uso mais eficiente do espaço físico

 A qualidade de serviço pode ser facilmente comprometida, devido às limitações de radiotransmissão e à interferência de outros sinais  A velocidade na transferência de

dados ainda é reduzida em comparação com as fibras óticas

Fibra Ótica

 Taxas de transmissão da informação elevadas

 Capacidade de transportar grandes quantidades de informação  Dimensões reduzidas  Imunidade às interferências

eletromagnéticas  Atenuação reduzida

 Custo de venda e manutenção elevado  Dificuldade de conexão entre várias

fibras

 Fragilidade das fibras óticas

GPRS

 Ampla cobertura de todos os equipamentos

 Acesso à internet em áreas remotas  Implementação de baixo custo

 Velocidade de transmissão de dados reduzida

PLC

 Utilizam as infraestruturas já existentes nas microredes como meio de

comunicação;

 Adequados para pequenas áreas geográficas, que é o caso das microredes.

 Velocidade de transmissão de dados reduzida

 A alteração das condições de operação da rede, influência os meios de comunicação (interferência eletromagnética, ruídos, etc)

– Controlo da tensão - interfaces de eletrónica de potência nas redes de

2.3.3

distribuição

2.3.3.1 – Inversores VSI

As interfaces de eletrónica de potência permitem a conexão das várias tecnologias de microprodução com as redes de distribuição. Atualmente existem várias abordagens para o controlo das unidades de microprodução, utilizando as capacidades e funcionalidades das interfaces de eletróncia de potência. De acordo com [23], uma abordagem para o controlo consiste na utilização de um controlo linear e proporcional da tensão através da potência ativa. O princípio de funcionamento consiste em utilizar o inversor em modo fonte controlada de tensão (Voltage Source Inverter –VSI) com o objetivo de medir a tensão entre fases no ponto de ligação e comparar o valor medido (Urede) com o valor nominal pretendido (U0), o erro resultante dessa comparação aplica-se à ação do controlador (kp) de forma a determinar o valor de potência ativa a injetar ou absorver na rede, segundo a expressão (2.5).

(2.5)

O VSI é um inversor controlado com valores pré-definidos de tensão e frequência. Dependendo do valor de carga o VSI define o valor de potência ativa a injetar ou a absorver na rede, autonomamente o VSI simula o comportamento de uma máquina síncrona, permitindo o controlo da tensão através de controlo do parâmetro inclinação ( ), de acordo com a seguinte expressão, (2.6).

(2.6)

Da análise da expressão (2.5) e do gráfico da Figura 2.6 verifica-se que se tensão diminuir, é injetada potência ativa para a rede, se a tensão aumenta é absorvida potência ativa. Resumindo, o VSI permite um controlo proporcional da tensão com o ajuste do valor de potência ativa, contudo é um controlo efetuado localmente, por exemplo num caso em que se verifiquem desvios de tensão num determinado barramento da rede, apenas o VSI associado à microprodução nesse local exercerá uma ação de controlo com o objetivo de corrigir os desvios de tensão.

Figura 2.6 – Controlo proporcional P-V

2.3.3.2 - Inversores PQ

Os sistemas de gestão de recursos permitem um controlo descentralizado, independentemente do local onde possam ocorrer desvios de tensão, estes sistemas permitem uma gestão da potência ativa de qualquer unidade de microprodução disponível na rede. Empresas como a Fraunhofer, desenvolveram um inversor PQ, [24], que permite ao operador da rede de distribuição mediante uma mensagem de alarme enviar set-points de valores de potência ativa e reativa às unidades de microprodução, Figura 2.7. A mensagem de alarme pode ser indicativa de algum problema que possa existir na rede, por exemplo valores de tensão acima do limite máximo admissível ou desvios do valor de frequência (em sistemas isolados).

Figura 2.7 – Sistema de gestão da energia com o recurso de inversores PQ

O inversor PQ opera injetando na rede a energia especificada para o controlo. A potência ativa injetada corresponde a um valor pré-determinado, definido localmente (usando uma malha de controlo local) ou definido pelo centro de controlo da microrede (MGCC).

U U0 ΔU -4% P ΔP É necessário injetar potência para a rede

Urede

Prede

P0

Mensagem de Alarme Set-points para os valores

de P e Q Sistema de gestão do

operador

Sistema de microprodução

– Conceito de Rede Inteligente (SmartGrid)

2.3.4

A Comissão Europeia define SmartGrid como ,[25], "A SmartGrid is an electricity network that can intelligently integrate the actions of all users connected to it - generators, consumers and those that do both – in order to efficiently deliver sustainable, economic and secure electricity supplies".

Da citação anteriormente exposta, compreende-se que as SmartGrids consistem em integrar os diversos recursos elétricos distribuídos; devem ser flexíveis, permitindo a operação com diversas configurações de rede, incluindo a operação em rede isolada; fiáveis, com elevados índices de continuidade de serviço e, por fim, devem ser sustentáveis, ou seja, devem ter custos de operação baixos, apresentando elevada eficiência e baixos níveis de emissões de gases nocivos para o ambiente. As SmartGrids são constituídas por meios físicos (redes elétricas) e por infraestruturas de comunicação, sendo que os primeiros têm por função permitir o fornecimento/abastecimento de energia elétrica, e os segundos, com elevada largura de banda, têm como função disponibilizar informação fidedigna a todos os agentes em simultâneo permitindo a tomada de decisão em tempo real, [26].

2.4 - Recursos Energéticos Distribuídos

A gestão coordenada dos principais recursos energéticos distribuídos nas redes de distribuição é um dos principais objetivos para os futuros sistemas elétricos de energia. De acordo com o estudo apresentado em [27], além da microprodução e das cargas, podem ser considerados equipamentos tais como os sistemas de armazenamento bem como interfaces de controlo dos consumos devido aos seguintes aspetos:

 Podem ser utilizados para efeitos de estabilização de frequência ou controlo de tensão;

 Os sistemas de armazenamento permitem fornecer energia em períodos em que a microprodução é insuficiente, e armazenar energia em períodos em que a microprodução é elevada;

 A gestão das cargas controláveis permite transferir consumo de períodos de ponta para períodos em que este consumo pode ser necessário, por exemplo para o controlo dos níveis de sobretensão nas redes, ou reduzir consumos em períodos de ponta o que permite controlar os níveis de subtensão.

Existe uma vasta variedade de tecnologias com potencial para efeitos de controlo de tensão, associada aos diferentes recursos distribuídos anteriormente mencionados. Estas tecnologias diferem em certos parâmetros, tais como potência nominal, eficiência na conversão de energia, controlabilidade, investimento/custos de operação, emissões de dióxido de carbono (CO2), etc. Deste modo, para efeitos de controlo de tensão, podem ser consideradas ações de controlo ao nível dos seguintes sistemas:

 Unidades de Microprodução;

 Dispositivos de Armazenamento;

 Cargas controláveis.

– Microprodução

2.4.1

No contexto da legislação Portuguesa, [4], a microprodução, consiste na produção de eletricidade para venda à operadora de rede de distribuição (no caso português, a EDP) através de instalações de baixa tensão ou de pequena potência contratada. No Decreto-Lei

n.º 363/2007, a legislação portuguesa referente à microprodução permite o exercício da atividade de produção mediante um conjunto de requisitos definidos. Da citação do Artigo 4.º do mesmo documento constata-se que, “Podem ser produtores de eletricidade por intermédio de unidades de microprodução as entidades que preencham os seguintes requisitos”:

 Disponham de uma instalação de utilização de energia elétrica com consumo efetivo de energia e que sejam titulares de contrato de compra e venda de eletricidade em baixa tensão celebrado com um comercializador;

 A unidade se destine a ser instalada no local servido pela instalação elétrica de utilização;

 A potência da unidade de microprodução não seja superior a 50 % da potência contratada no contrato do cliente com o comercializador;

 Possuam unidades de produção monofásica ou trifásica, em baixa tensão, com potência de ligação até 5,75 kW.

Existem diversas tecnologias de microprodução, destacando-se as mais importantes e com potencial de serem utilizadas em Portugal, tais como a solar fotovoltaica (PV) e as microturbinas eólicas, mas também outras tecnologias mais avançadas tais como as células de combustível. Todas esta tecnologias possuem diferentes características destaca-se a sua controlabilidade, podendo dividir a sua classificação em três categorias de acordo com [28] ou tipo de recurso, dividindo a sua classificação em duas categorias de acordo com [29].

Apresenta-se na Tabela 2.2 uma lista das tecnologias de microprodução distribuída de acordo com a sua classificação.

Tabela 2.2 – Tecnologias de microprodução

Tecnologia Controlabilidade Recurso

Solar Fotovoltaica (PV) Não controlável Renovável

Micro-turbinas eólicas Parcialmente controlável Renovável

Células de combustível Controlável Não renovável

As restantes características bem como uma descrição mais detalhada destas tecnologias será efetuada com maior detalhe nos subcapítulos que se seguem.

2.4.1.1 – Painéis fotovoltaicos

A tecnologia solar fotovoltaica consiste na conversão da radiação solar em energia elétrica. Apesar de existirem várias aplicações desta tecnologia, o principal interesse no contexto da microprodução, é a aplicação de pequenos módulos ligados às infraestruturas de BT.

O processo da transformação da energia solar em elétrica é realizado através de células fotovoltaicas conectadas habitualmente em série, formando um módulo ou painel fotovoltaico com a potência nominal desejada. A eficiência na conversão energética destes painéis é de 15 a 20 %, dependendo da tecnologia de células fotovoltaicas (PV) utilizada [30].

O local preferencial para a instalação fotovoltaica é o topo dos telhados dos edifícios, podendo também ser instalados em diferentes tipos de prédios (apartamentos, escolas, centros comerciais).

Os modos de operação desta tecnologia no contexto das microredes consistem em:

 Operação em regime isolado, alimentado diretamente as cargas;

Dependendo do modo de operação deste sistema nas microredes, é necessário enumerar os seguintes equipamentos que constituem o sistema fotovoltaico:

1. Gerador fotovoltaico - Consiste em vários módulos fotovoltaicos dispostos em série e em paralelo, com estruturas de suporte e de montagem;

2. Inversor – Estabelece a ligação entre o gerador fotovoltaico e a rede de corrente alternada (CA) ou a carga CA. A sua principal tarefa consiste em converter o sinal elétrico de corrente contínua (CC) do gerador fotovoltaico num sinal elétrico CA e ajustá-lo para a frequência e o nível de tensão da rede a que está ligado;

3. Baterias – A produção e consumo podem não coincidir ao longo do dia, as baterias são a solução para este problema, pois é possível armazenar a energia produzida quando a produção é superior ao consumo, e a energia armazenada permite um fornecimento de energia quando não existe produção por parte da microprodução fotovoltaica;

4. Aparelho de medida – Contador de energia elétrica.

A utilização de sistemas de eletrónica de potência (inversores) é de extrema importância, porque além de permitirem uma interface de ligação entre este equipamento e a rede, estabelecem um controlo da potência ativa a fornecer à rede, por exemplo através de set-points exteriores. Os atuais inversores são ainda capazes de realizar as seguintes funções:

 Ajuste do ponto operacional do inversor ao MPP5 _{do gerador fotovoltaico, esta} operação designa-se por rastreio do ponto MPP (Maximum Power Point Tracker – MPPT);

 Dispositivos de proteção, por exemplo proteção contra sobrecargas e sobretensões;

Em Portugal esta tecnologia apresenta um nível de penetração elevado face às outra tecnologias de microprodução, não só pelo facto do nosso país apresentar bons níveis de radiação solar em comparação com outros países da europa, [31], mas também às suas inúmeras vantagens, [30], tais como longevidade (20 a 25 anos de tempo de vida), custos de operação reduzidos, funcionamento sem ruídos e uma autonomia razoável, sendo que, por exemplo, com o sistema de baterias é possível fornecer energia mesmo na ausência de radiação solar.

2.4.1.2 – Micro-turbinas eólicas

A energia eólica é a energia que o vento possui e que pode ser aproveitada para a produção de energia elétrica. A energia do vento (energia cinética) faz girar as pás de uma micro-turbina que por sua vez faz rodar um eixo (energia mecânica). Este eixo põe em funcionamento o gerador elétrico, no qual os campos magnéticos convertem a energia rotacional em eletricidade. A instalação de micro-turbinas de energia eólica encontra-se mais facilitada em espaço aberto, mas também podem ser instaladas no topo dos edifícios, desde que existam condições favoráveis à sua aplicação. Existem várias tecnologias que permitem um funcionamento a velocidade constante ou velocidade variável, daqui retiram-se diversas vantagens, [32], tais como:

 Não é necessário combustível para o processo de produção;

 Não poluente;

5 _{Do anglo-saxónico Maximum Power Point, é o ponto da curva característica onde a célula solar} funciona à máxima potência.

 Fonte energética com um potencial de funcionamento de 24 horas diárias, ao contrário da tecnologia solar fotovoltaica.

2.4.1.3 - Células de combustível

As células de combustível são uma tecnologia composta por equipamentos eletroquímicos, que convertem a energia química do combustível em energia elétrica.

Uma das grandes vantagens desta tecnologia é a capacidade de associar diversas células de combustível em série, o que permite formar pilhas de combustível com o nível de potência pretendido. Quanto à sua classificação, esta depende da temperatura a que opera, o tipo de combustível e as diferentes reações químicas que ocorrem no seu interior. Assim sendo, apresenta-se na Tabela 2.3 as principais características associadas a cada tecnologia.

Do anteriormente exposto, existem cinco tecnologias principais de células de combustível, [33]:

 Células de combustível alcalinas (AFC – Alcaline Fuel Cells);

 Células de combustível de ácido fosfórico (PAFC – Phosforic Fuel Cells);

 Células de combustível de carbonato fundido (MCFC – Molten Carbonate Fuel Cells);

 Células de combustível de óxido sólido (SOFC – Solid Oxide Fuel Cells);

 Células de combustível com membrana de permuta protónica (PEFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cells).

Tabela 2.3 – Tipos de pilhas de combustível, adaptado de [34]

Pilha de combustível Combustível _{funcionamento (ºC)} Temperatura de Rendimento _(%)

AFC Hidrogénico molecular (H2) 60-90 55-60

PAFC Hidrogénico molecular (H2) 200 35-45

MCFC CH4H2CO 600-650 45-55

SOFC CH4H2CO 800-1000 45-55

PEFC Hidrogénico molecular (H2) 70-90 35-45

Estas características permitem diferentes aplicações para as pilhas de combustível, assim sendo a sua utilização como microfonte depende do seu modo de operação nas microredes.

 Operação em paralelo com a microrede para alimentar um consumidor;

 A sua energia é injetada diretamente na rede elétrica.

As células de combustível produzem energia elétrica em corrente contínua, e uma vez que se pretende fornecer energia em corrente alternada é necessário um inversor CC/CA como interface de ligação deste equipamento à microrede. Desta forma, garante-se:

 Sincronismo com rede e consequentemente estabilidade de operação;

 Injeção de potência reativa com o controlo do fator de potência;

 Eficiência e fiabilidade elevada;

 Controlo de tensão.

Apresentam ainda vantagens face a outras tecnologias tais como, [33]:

 Não possuem partes móveis, comparativamente com as microturbinas, esta tecnologia evita perdas por atrito e falhas das partes móveis na sua operação;