Estudo do desempenho de microrredes ilhadas baseado em análises de segurança estática e dinâmica em sistemas elétricos de potência

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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS DE ENERGIA

ERICO GURSKI

ESTUDO DO DESEMPENHO DE MICRORREDES ILHADAS

BASEADO EM ANÁLISES DE SEGURANÇA ESTÁTICA E

DINÂMICA EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

DISSERTAÇÃO

CURITIBA 2020

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ESTUDO DO DESEMPENHO DE MICRORREDES ILHADAS

BASEADO EM ANÁLISES DE SEGURANÇA ESTÁTICA E

DINÂMICA EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito par-cial para obtenção do grau de “Mestre em Engenha-ria Elétrica” – área de Concentração: Automação e Sistemas de Energia.

Orientador: Prof. Dr. Raphael Augusto de S. Benedito

CURITIBA 2020

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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Gurski, Erico

Estudo do desempenho de microrredes ilhadas baseado em análises de segurança estática e dinâmica em sistemas elétricos de potência [recurso eletrônico] / Erico Gurski. -- 2020.

1 arquivo eletrônico (219 f.): PDF; 10,8 MB. Modo de acesso: World Wide Web.

Texto em português com resumo em inglês.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Energia. Área de Concentração: Automação e Sistemas de Energia, Curitiba, 2020.

Bibliografia: f. 151-157.

1. Sistemas de energia elétrica - Dissertações. 2. Microrredes (Redes elétricas inteligentes). 3. Geração distribuída de energia elétrica. 4. Sistemas de energia elétrica - Modelos matemáticos. 5. Sistemas de energia elétrica - Estabilidade. 6. Sistemas de energia elétrica - Controle. 7. Transitórios (Eletricidade). 8. Eletrônica de potência. 9. Software - Desenvolvimento. 10. MATLAB (Programa de computador). 11. Simulação (Computadores). I. Benedito, Raphael Augusto de Souza, orient. II. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia. III. Título.

CDD: Ed. 23 -- 621.31 Biblioteca Central do Câmpus Curitiba - UTFPR

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Universidade Tecnológica Federal do Paraná Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação

TERMO DE APROVAÇÃO DE DISSERTAÇÃO Nº 07/2020

A Dissertação de Mestrado intitulada “Estudo do Desempenho de Microrredes

Ilhadas baseado em Análises de Segurança Estática e Dinâmica em Sistemas Elétricos de Potência” defendida em sessão pública pelo candidato Erico Gurski, no

dia 16 de julho de 2020, foi julgada para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica, Área de Concentração – Automação e Sistemas de Energia, Linha de Pesquisa – Processamento e Análise de Energia, e aprovada em sua forma final, pelo Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Energia – PPGSE.

BANCA EXAMINADORA:

Prof. Dr. Raphael Augusto De S Benedito- (UTFPR) - Orientador Prof. Dr. Roman Kuiava- (UFPR)

Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto - (UTFPR)

A via original deste documento encontra-se arquivada na Secretaria do Programa, contendo a assinatura da Coordenação após a entrega da versão corrigida do trabalho.

Curitiba, 16 de julho de 2020.

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também a todos os amigos e familiares que souberam se fazer presentes mesmo nos momentos que estive ausente.

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Agradeço a Deus, por conceder-me o dom da vida e possibilitar a construção de meus conhecimentos.

Ao professor Dr. Raphael Benedito, por suas orientações e conselhos, por sua amizade, por confiar em meu trabalho e por enxergar em mim um potencial de pesquisador que eu mesmo não enxergava.

Ao professor Dr. Ulisses Netto e ao professor Dr. Roman Kuiava, por dedicarem tempo a ler e corrigir este trabalho e por suas contribuições valiosas na concepção do mesmo.

À Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) por novamente me acolher, provendo a oportunidade de aprofundar meu conhecimento técnico-científico no campo da en-genharia elétrica.

Aos meus amigos e colegas da UTFPR e do LACTEC, por toda a parceria durante este período, proporcionando não somente momentos de construção coletiva do conhecimento, mas também momentos de distração e boas conversas. Em especial, à Gabi, ao Yves, ao Alexsander, à Juliana e à Patrícia, por sua amizade e por sua companhia em tantos cafés, lanches, almoços e demais refeições. Tenham certeza que nossas conversas tornaram muito mais leve a vivência desta etapa de minha vida.

Agradeço à UTFPR pelo apoio e infraestrutura disponibilizada para o desenvolvimento desta pesquisa e à COPEL-Distribuição pelo apoio e financiamento dos recursos para realização deste projeto de PD “ANEEL PD 2866-0464/2017 - Metodologia Para Análise, Monitoramento e Gerenciamento da GD por Fontes Incentivadas”.

Agradeço ao LACTEC pelo apoio e infraestrutura disponibilizada e à Energisa MS pelo apoio e fomento no Projeto de PD “ANEEL PD-0404-1609/2016 - Avaliação de Tecnolo-gias de Armazenamento de Energia e de Soluções de Gerenciamento da Operação e Manuten-ção para AplicaManuten-ção em Sistemas Isolados no Pantanal Sul-Mato-Grossense, no Estado do Mato Grosso Do Sul”.

Finalmente, à minha mãe Nívea, às minhas irmãs Andrea e Rafaela e ao meu irmão Ícaro. Vocês são o meu porto seguro, o meu alicerce e o único lugar onde posso me reconectar com quem sou. Sem vocês eu nunca haveria chegado aonde estou.

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GURSKI, Erico. ESTUDO DO DESEMPENHO DE MICRORREDES ILHADAS BASEADO EM ANÁLISES DE SEGURANÇA ESTÁTICA E DINÂMICA EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA. 219 f. Dissertação – Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2020.

A operação ilhada de microrredes tem sido objeto de interesse da comunidade técnico-científica por trazer vantagens e também desafios quanto à sua concepção. Para que tal modo de opera-ção seja possível, a microrrede deve ser intencionalmente planejada, visando um desempenho satisfatório perante um conjunto definido de cenários de operação possíveis. As análises de segurança estática e dinâmica são utilizadas para determinar a segurança do sistema mediante perturbações previamente determinadas, através de estudos de fluxo de potência e de estabili-dade. Nesta pesquisa, propõe-se uma ferramenta computacional para auxiliar no planejamento da operação de trechos do sistema de distribuição de forma ilhada, em estrutura de microrrede. Esta ferramenta contempla um conjunto de estudos imprescindíveis à operação de sistemas ilha-dos, conforme prescrição da normativa internacional IEEE Std. 1547-4, abrangendo estudos de fluxo de potência, de estabilidade transitória e de frequência, além da mensuração do desempe-nho da operação da microrrede através do cálculo de indicadores. Todos estes estudos são feitos através de uma rotina computacional de código próprio, desenvolvida no software MATLAB, para um horizonte de estudo de um dia de operação, discretizado em 24 horas. As curvas de carga e geração são consideradas como sendo determinísticas, não levando em conta a estocas-ticidade das fontes intermitentes e do consumo. A concepção dos indicadores é embasada em indicadores já existentes, prescritos pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) para o sistema de distribuição. A estrutura de microrrede em estudo é constituída por uma parcela de um sistema de distribuição radial, contendo um número reduzido de elementos de proteção e seccionamento. Objetivando manter a tensão e frequência da microrrede dentro de faixas es-tipuladas, propõe-se uma estratégia de corte de carga dentro de ambas as análises de segurança (estática e dinâmica). A metodologia proposta, contemplando as análises de segurança estática e dinâmica, a estratégia de corte de carga e o cálculo dos indicadores, é aplicada a dois casos de estudo, sendo estes diferenciados pela barra à qual se conecta o gerador que assume o con-trole secundário de tensão e frequência na microrrede (gerador slack). Dos casos de estudo, é possível perceber a influência da escolha da barra de conexão do gerador slack no desempenho tanto de tensão quanto de frequência. Além disso, percebe-se que a ativação da estratégia de corte de carga traz benefícios para a qualidade do produto (tensão e frequência), entretanto pre-judica a qualidade do serviço (continuidade no fornecimento de energia). Deste modo, escolher a melhor topologia de operação da microrrede, ativando ou não o corte de carga, depende da ponderação atribuída aos indicadores.

Palavras-chave: Microrrede, Geração Distribuída, Fluxo de Potência, Estabilidade, Análise de Segurança, Corte de Carga

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GURSKI, Erico. PERFORMANCE STUDY OF ISLANDED MICROGRIDS BASED ON STATIC AND DYNAMIC SECURITY ASSESSMENT IN ELECTRICAL POWER SYSTEMS. 219 f. Master’s thesis – Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia, Universidade Tec-nológica Federal do Paraná. Curitiba, 2020.

The islanded microgrids operation has been an object of interest to the technical-scientific com-munity, as it brings advantages and also challenges regarding its design. For such a mode of service to be possible, the microgrid must be intentionally planned, aiming at satisfactory per-formance when facing a defined set of possible operating scenarios. In electrical power systems, static and dynamic security assessment are used to determine the safety of the system when subjected to previously determined disturbances, through power flow and stability studies. This research presents a computational tool is proposed to assist in the islanded microgrids operation planning. This tool includes a set of studies essential to islanded systems’ operation, according to the prescription of the international standard IEEE Std. 1547-4, covering power flow and frequency and transient stability studies. The use of some performance indicators benchmarks the microgrid operation. All these studies are done through a computational routine, developed in MATLAB, for a study horizon of one day of operation, discretized in 24 hours. The load and generation curves are deterministic. The performance indicators are based on existing indices, prescribed by the National Electric Energy Agency (ANEEL) for the distribution system. The microgrid structure under study consists of a portion of a radial distribution system, containing a reduced number of protection and sectioning elements. This research presents a load shedding strategy considering both security analyzes (static and dynamic), aiming to keep the voltage and frequency of the microgrid within the stipulated ranges. Some operational scenarios over a 69 bus test system provide the means to analyze the approach proposed. From the case studies, it is possible to perceive the influence of the choice of the connection bar of the slack generator on the performance of both voltage and frequency. Besides, it is clear that the activation of the load shedding strategy brings benefits to the quality of the product (voltage and frequency). However it affects the quality of the service (continuity in the energy supply). In this way, choosing the best operating topology of the microgrid, whether or not activating the load shedding strategy, depends on the weighting assigned to the indicators.

Keywords: Microgrid, Distributed Generation, Power Flow, Stability, Security Assessment, Load Shedding

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FIGURA 2.1 Ilustração dos estudos de segurança. . . 25 –

FIGURA 3.1 Estrutura conceitual de uma microrrede. . . 36 –

FIGURA 3.2 Possíveis estruturas de microrredes. . . 37 –

FIGURA 3.3 Faixas de Tensão para Sistemas de Distribuição. . . 41 –

FIGURA 3.4 Faixas de Variação de Frequência para Sistemas de Distribuição. . . 44 –

FIGURA 4.1 Fluxograma do método Gauss-Seidel. . . 53 –

FIGURA 4.2 Fluxograma do método Newton-Raphson. . . 57 –

FIGURA 4.3 Diagrama base para o equacionamento do método BFS. . . 59 –

FIGURA 4.4 Fluxograma do método BFS. . . 61 –

FIGURA 4.5 Diagrama ST-69bus. . . 62 –

FIGURA 4.6 Magnitude e ângulo das tensões complexas nodais - sistema ST-69bus. 63 –

FIGURA 5.1 Classificação de Estabilidade em Sistemas Elétricos de Potência. . . 66 –

FIGURA 5.2 Classificação de Estabilidade em Microrredes. . . 67 –

FIGURA 5.3 Estudos de Estabilidade em Microrredes contemplados. . . 73 –

FIGURA 5.4 Estrutura geral de um sistema elétrico no contexto de microrredes. . . 74 –

FIGURA 5.5 Circuito Equivalente do Modelo Clássico do Gerador em Regime Tran-sitório. . . 76 –

FIGURA 5.6 Circuito Equivalente do Gerador de Polos Salientes em Regime Transi-tório (considerando xq= x0q= x0d). . . 77

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FIGURA 5.7 Circuito Equivalente do Gerador de Polos Lisos em Regime Transitório (considerando xd= xqe x0_d= x0q). . . 79

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FIGURA 5.8 Diagrama de blocos do AVR IEEE ST2A. . . 80 –

FIGURA 5.9 Diagrama de blocos do regulador de velocidade aplicado a uma turbina térmica sem reaquecimento. . . 82 –

FIGURA 6.1 Curva de carga normalizada. . . 89 –

FIGURA 6.2 Curvas de geração normalizadas. . . 91 –

FIGURA 6.3 Exemplo da eliminação de faltas através da atuação da proteção. . . 92 –

FIGURA 6.4 Exemplo de corte de carga através das chaves de proteção. . . 93 –

FIGURA 6.5 Exemplo da mudança de topologia na microrrede ilhada. . . 95 –

FIGURA 6.6 Fluxograma conceitual da ferramenta proposta. . . 95 –

FIGURA 6.7 Fluxograma conceitual da MGSSA. . . 96 –

FIGURA 6.8 Fluxograma geral da MGSSA. . . 97 –

FIGURA 6.9 Conjunto de simulações executadas pela MGDSA. . . 100 –

FIGURA 6.10 Exemplo de transição intencional da MGCR para a MGI (ilhamento intencional). . . 102 –

FIGURA 6.11 Exemplo de transição entre janelas de discretização para a MGI. . . 102 –

FIGURA 6.12 Exemplo de transição de estados decorrente de uma perturbação. . . 103 –

FIGURA 6.13 Fluxograma conceitual da MGDSA. . . 105 –

FIGURA 6.14 Fluxograma geral da MGDSA. . . 106 –

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FIGURA 7.4 Estado operativo das chaves no modo ilhado - Caso 1A. . . 117 –

FIGURA 7.5 Transição da MGCR para a MGI na hora 4 - Caso 1A. . . 118 –

FIGURA 7.7 Transição da hora 6 para a hora 7 dentro da MGI. . . 121 –

FIGURA 7.8 Ilhamento não-intencional na hora 7 - Caso 1A. . . 122 –

FIGURA 7.9 Ilhamento não-intencional na hora 13 - Caso 1A. . . 123 –

FIGURA 7.10 Mapa de tensão e frequência em regime permanente da MGI - Caso 1A. 125 –

FIGURA 7.11 Estado operativo das GDs no modo conectado à rede - Caso 1B. . . 129 –

FIGURA 7.12 Estado operativo das GDs no modo ilhado dado pela MGSSA - Caso 1B. . . 129 –

FIGURA 7.13 Estado operativo das chaves no modo ilhado dado pela MGSSA - Caso 1B. . . 130 –

FIGURA 7.14 Estado operativo das chaves no modo ilhado dado pela MGDSA - Caso 1B. . . 130 –

FIGURA 7.15 Estado operativo das GDs no modo ilhado dado pela MGDSA - Caso 1B. . . 131 –

FIGURA 7.16 Transição da MGCR para a MGI na hora 13 - Caso 1B. . . 132 –

FIGURA 7.17 Mapa de tensão e frequência em regime permanente da MGI - Caso 1B. 133 –

FIGURA 7.18 Estado operativo das GDs no modo ilhado - Caso 2A. . . 136 –

FIGURA 7.20 Mapa de tensão e frequência em regime permanente da MGI - Caso 2A. 139 –

FIGURA 7.21 Estado operativo das GDs no modo ilhado dado pela MGSSA - Caso 2B. . . 141 –

FIGURA 7.22 Estado operativo das chaves no modo ilhado dado pela MGSSA - Caso 2B. . . 141 –

FIGURA 7.23 Estado operativo das chaves no modo ilhado dado pela MGDSA - Caso 2B. . . 142 –

FIGURA 7.24 Estado operativo das GDs no modo ilhado dado pela MGDSA - Caso 2B. . . 142 –

FIGURA 7.25 Mapa de tensão e frequência em regime permanente da MGI - Caso 2B. 143 –

FIGURA A.1 Modelo π-equivalente da linha de transmissão. . . 158 –

FIGURA A.2 Modelo π-equivalente da linha de transmissão em p.u. . . 160 –

FIGURA A.3 Modelo de transformador para estudos em regime permanente. . . 161 –

FIGURA A.4 Modelo de transformador simplificado para estudos em sistemas de po-tência. . . 161 –

FIGURA A.5 Modelo de transformador considerando variação de fase e magnitude. 162 –

FIGURA A.6 Modelo de transformador em fase. . . 163 –

FIGURA A.7 Modelo π equivalente do transformador em fase. . . 163 –

FIGURA A.8 Modelo π equivalente convencional do transformador em fase com tap variável. . . 164 –

FIGURA A.9 Modelo de transformador considerando variação de fase. . . 165 –

FIGURA A.10 Injeções de corrente na barra k. . . 167 –

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FIGURA B.3 Circuito Equivalente do Modelo Clássico do Gerador em Regime Tran-sitório. . . 176 –

FIGURA B.4 Diagrama Fasorial do Modelo Clássico do Gerador em Regime Perma-nente. . . 177 –

FIGURA B.5 Circuito Equivalente do Modelo Clássico do Gerador em Regime Per-manente. . . 177 –

FIGURA B.6 Diagrama Fasorial do Gerador de Polos Salientes em Regime Transitó-rio (considerando xq= xq0). . . 178

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FIGURA B.7 Diagrama Fasorial do Gerador de Polos Salientes em Regime Perma-nente (considerando xq= x0q). . . 179

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FIGURA B.8 Circuito Equivalente do Gerador de Polos Salientes em Regime Transi-tório (considerando xq= x0q= x0d). . . 180

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FIGURA B.9 Circuito Equivalente do Gerador de Polos Salientes em Regime Perma-nente (considerando xq= x0q= x0d). . . 180

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FIGURA B.10 Diagrama Fasorial do Gerador de Polos Lisos em Regime Transitório (considerando xd= xqe x0_d= x0q). . . 181

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FIGURA B.11 Diagrama Fasorial do Gerador de Polos Lisos em Regime Permanente (considerando xd= xqe x0_d= x0q). . . 182

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FIGURA B.12 Circuito Equivalente do Gerador de Polos Lisos em Regime Transitório (considerando x_d= xqe x0_d= x0q). . . 183

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FIGURA B.13 Circuito Equivalente do Gerador de Polos Lisos em Regime Permanente (considerando xd= xqe x0_d= x0q). . . 183

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FIGURA B.14 Diagrama de blocos do AVR IEEE ST2A. . . 184 –

FIGURA B.15 Diagrama de blocos do regulador de velocidade aplicado a uma turbina térmica sem reaquecimento. . . 186 –

FIGURA C.1 Sistema de cinco barras e dois geradores. . . 193 –

FIGURA C.2 Excursão do ângulo interno e da frequência elétrica dos geradores -Caso 1 . . . 204 –

FIGURA C.3 Excursão do ângulo interno, da frequência elétrica e da tensão transitó-ria em quadratura dos geradores - Caso 2 . . . 205 –

FIGURA C.6 Excursão da frequência elétrica e das potências mecânicas e elétricas dos geradores - Caso 5 . . . 208

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TABELA 3.1 Ajustes das funções de sub e sobretensão. . . 42 –

TABELA 3.2 Classificação das Variações de Tensão de Curta Duração. . . 43 –

TABELA 4.1 Tensão nas barras terminais - ST-69bus. . . 64 –

TABELA 6.1 Faixas de Classificação das Variações de Tensão de Curta Duração. . . . 109 –

TABELA 6.2 Faixas de Classificação das Variações de Frequência. . . 109 –

TABELA 6.3 Faixas de Classificação do Tempo Crítico de Abertura - CCT. . . 109 –

TABELA 7.1 Dados das Gerações Distribuídas do STa-69bus . . . 113 –

TABELA 7.2 Dados Dinâmicos dos Geradores Síncronos . . . 114 –

TABELA 7.3 Parâmetros do Regulador de Tensão ST2A . . . 114 –

TABELA 7.4 Parâmetros do Sistema de Controle de Velocidade . . . 114 –

TABELA 7.5 Indicadores horários de desempenho da MG - Caso 1A. . . 127 –

TABELA 7.6 Indicadores de desempenho de regime permanente da MG - Caso 1A. 128 –

TABELA 7.7 Indicadores horários de desempenho da MG - Caso 1B. . . 134 –

TABELA 7.8 Indicadores de desempenho de regime permanente da MG - Caso 1B. . 135 –

TABELA 7.9 Indicadores horários de desempenho da MG - Caso 2A. . . 140 –

TABELA 7.10 Indicadores de desempenho de regime permanente da MG - Caso 2A. 141 –

TABELA 7.11 Indicadores horários de desempenho da MG - Caso 2B. . . 144 –

TABELA 7.12 Indicadores de desempenho de regime permanente da MG - Caso 2B. . 145 –

TABELA 7.13 Indicadores globais de desempenho da MG - comparação dos casos de estudo. . . 146 –

TABELA C.1 Dados de base do sistema. . . 194 –

TABELA C.2 Dados de barra do sistema (Não-convergidos). . . 194 –

TABELA C.3 Dados de linha do sistema. . . 194 –

TABELA C.4 Dados convergidos do fluxo de potência. . . 195 –

TABELA C.5 Dados dinâmicos utilizados na ferramenta desenvolvida - Caso 1 . . . 195 –

TABELA C.6 Dados dinâmicos utilizados no ANATEM - Caso 1 . . . 195 –

TABELA C.7 Resultados de CCT para o Caso 1 . . . 196 –

TABELA C.14 Dados do AVR utilizados na ferramenta desenvolvida - Caso 4 . . . 200 –

TABELA C.18 Dados do CAG utilizados na ferramenta desenvolvida - Caso 5 . . . 202 –

TABELA C.19 Dados do CAG utilizados no ANATEM - Caso 5 . . . 202 –

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TABELA A.1 Dados de Barra ST-69bus . . . 215 –

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ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica BFS Backward-Forward Sweep

CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica CCT Tempo crítico de abertura

CIGRÉ Conseil International des Grandes Réseaux Électriques COA Centro de Ângulo

DAE Equações Algébrico-Diferenciais DER Distributed Energy Resources DSA Análise de Segurança Dinâmica EMS Energy Management Systems GD Geração Distribuída

GS Gauss-Seidel

GSM Generic Source Model

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers INMET Instituto Nacional de Meteorologia

MGCR Microrrede em modo conectado à rede

MGDSA Análise de Segurança Dinâmica de Microrredes MGI Microrrede em modo conectado ilhado

MGSSA Análise de Segurança Estática de Microrredes

NR Newton-Raphson

NTC Normas Técnicas Copel

ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico PCC Point of Common Coupling

PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional PSS Power System Stabilizer

SEP Sistema Elétrico de Potência SSA Análise de Segurança Estática VSG Virtual Synchronous Generator VSI Voltage Source Inverter

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1 INTRODUÇÃO . . . 19

1.1 JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS . . . 21

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO . . . 22

2 ANÁLISE DE SEGURANÇA EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA . . . 24

2.1 ANÁLISE DE SEGURANÇA ESTÁTICA . . . 25

2.2 ANÁLISE DE SEGURANÇA DINÂMICA . . . 27

2.3 ESTUDOS DE SEGURANÇA NO CONTEXTO DE MICRORREDES . . . 28

2.3.1 Análise de Segurança em Sistemas de Distribuição . . . 28

2.3.2 Estudos de Fluxo de Potência em Microrredes . . . 30

2.3.3 Estudos de Estabilidade em Microrredes . . . 32

2.4 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO . . . 33

3 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA E O CONCEITO DE MICRORREDES . . . 34

3.1 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA . . . 34

3.2 MICRORREDES . . . 35

3.2.1 Estrutura de uma Microrrede . . . 36

3.2.2 Operação . . . 37

3.2.3 Instruções Normativas . . . 38

3.3 QUALIDADE E RESTRIÇÕES OPERATIVAS EM SISTEMAS DE DISTRIBUI-ÇÃO . . . 39

3.3.1 Restrições em Regime Permanente . . . 40

3.3.1.1 Tensão em Regime Permanente - PRODIST . . . 40

3.3.1.2 Ajustes de sobretensão e subtensão . . . 42

3.3.1.3 Frequência em Regime Permanente - PRODIST . . . 43

3.3.2 Restrições Transitórias . . . 43

3.3.2.1 Variação de Tensão de Curta Duração - PRODIST . . . 43

3.3.2.2 Variação de Frequência - PRODIST . . . 44

3.3.3 Restrições de Continuidade . . . 45

4 ANÁLISE ESTÁTICA - FLUXO DE POTÊNCIA . . . 47

4.1 INTRODUÇÃO AO FLUXO DE POTÊNCIA . . . 47

4.2 MODELAGEM DO PROBLEMA . . . 48

4.2.1 Equações do Fluxo de Potência . . . 49

4.3 MÉTODOS DE SOLUÇÃO PARA ESTUDOS DE FLUXO DE POTÊNCIA . . . 51

4.3.1 Método Gauss-Seidel . . . 51

4.3.2 Método Newton-Raphson . . . 54

4.3.3 Fluxo de Potência em Redes de Distribuição . . . 56

4.3.4 Método Backward-Forward Sweep . . . 58

4.3.4.1 Etapa Backward . . . 59

4.3.4.2 Etapa Forward . . . 60

4.4 VALIDAÇÃO DOS MÉTODOS IMPLEMENTADOS . . . 62

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5.1.1 Estabilidade em Microrredes . . . 66

5.1.2 Perturbações no contexto de Microrredes . . . 68

5.1.2.1 Pequenas Perturbações . . . 68

5.1.2.2 Grandes Perturbações . . . 68

5.1.3 Estabilidade no Sistema de Controle . . . 69

5.1.3.1 Estabilidade de Máquinas Elétricas . . . 69

5.1.3.2 Estabilidade de Inversores . . . 70

5.1.4 Estabilidade no Balanço e Fornecimento de Energia . . . 70

5.1.4.1 Estabilidade de Frequência . . . 70

5.1.4.2 Estabilidade de Tensão . . . 71

5.2 ASPECTOS DE ESTABILIDADE ANALISADOS NA FERRAMENTA PROPOSTA 72 5.3 MODELAGEM ALGÉBRICO-DIFERENCIAL DO PROBLEMA . . . 73

5.3.1 Hipóteses adotadas no estudo . . . 75

5.3.2 Elementos . . . 75

5.3.2.1 Gerador Síncrono - Modelo Clássico . . . 75

5.3.2.2 Gerador Síncrono - Polos Salientes . . . 77

5.3.2.3 Gerador Síncrono - Polos Lisos . . . 78

5.3.2.4 Regulador automático de tensão - AVR . . . 80

5.3.2.5 Regulador de velocidade . . . 81

5.3.2.6 Rede de transmissão ou distribuição . . . 82

5.3.2.7 Cargas . . . 83

5.3.2.8 Geração Distribuída conectada via Inversor Eletrônico . . . 83

5.3.3 Solução Particionada das Equações Algébrico-Diferenciais - DAE’s . . . 84

5.3.4 Solução Numérica das Equações Algébricas no Regime Transitório . . . 85

5.3.5 Solução Numérica das Equações Diferenciais . . . 86

6 METODOLOGIA PROPOSTA . . . 88

6.1 PERFIS DE CARGA E GERAÇÃO . . . 88

6.1.1 Curva de carga . . . 88

6.1.2 Curvas de geração . . . 89

6.1.2.1 Geração Solar Fotovoltaica . . . 89

6.1.2.2 Geração Eólica . . . 90

6.1.2.3 Geração Distribuída Despachável . . . 91

6.2 CONTINGÊNCIAS EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO E MICRORREDES . . . . 92

6.3 METODOLOGIA DE ANÁLISE DE SEGURANÇA DE MICRORREDES . . . 94

6.3.1 Análise de Segurança Estática de Microrredes - MGSSA . . . 95

6.3.2 Análise de Segurança Dinâmica de Microrredes - MGDSA . . . 98

6.3.2.1 Estudos de estabilidade no balanço e fornecimento de energia . . . 100

6.3.2.2 Estudos de estabilidade transitória . . . 101

6.3.2.3 Integração dos estudos de estabilidade na MGDSA . . . 103

6.3.3 Integração da ferramenta de Análise de Segurança e Avaliação de Desempenho da Microrrede . . . 107

6.3.3.1 Indicadores estáticos . . . 107

(18)

7 RESULTADOS E DISCUSSÕES . . . 111

7.1 SISTEMA TESTE 69 BARRAS ADAPTADO . . . 111

7.2 RESULTADOS DO CASO DE ESTUDO 1 . . . 115

7.2.1 Caso 1A - Sem Corte de Carga . . . 115

7.2.1.1 Etapa 1 - Análise Estática - MGSSA . . . 115

7.2.1.2 Etapa 2 - Análise Dinâmica - MGDSA . . . 117

7.2.1.3 Etapa 3 - Indicadores de desempenho . . . 124

7.2.2 Caso 1B - Com Corte de Carga . . . 128

7.2.2.1 Etapa 1 - Análise Estática - MGSSA . . . 129

7.2.2.2 Etapa 2 - Análise Dinâmica - MGDSA . . . 130

7.2.2.3 Etapa 3 - Indicadores de Desempenho . . . 131

7.3 RESULTADOS DO CASO DE ESTUDO 2 . . . 136

7.3.1 Caso 2A - Sem Corte de Carga . . . 136

7.3.2 Caso 2B - Com Corte de Carga . . . 141

7.4 COMPARAÇÃO ENTRE OS CASOS . . . 145

8 CONCLUSÕES . . . 148

REFERÊNCIAS . . . 151

Apêndice A -- EQUACIONAMENTO DO FLUXO DE POTÊNCIA . . . 158

A.1 MODELAGEM DOS ELEMENTOS DO SISTEMA . . . 158

A.1.1 Linha de transmissão . . . 158

A.1.2 Transformadores . . . 160

A.1.2.1Transformadores em fase com tap variável . . . 162

A.1.2.2Transformador defasador puro . . . 164

A.1.3 Cargas . . . 165

A.2 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA . . . 167

Apêndice B -- EQUACIONAMENTO DOS ESTUDOS DE ESTABILIDADE . . . 173

B.1 GERADORES SÍNCRONOS . . . 175

B.1.1 Modelo clássico . . . 176

B.1.2 Modelo de polos salientes . . . 177

B.1.3 Modelo de polos lisos . . . 180

B.1.4 Regulador automático de tensão - AVR . . . 183

B.1.4.1Modelo IEEE ST2A . . . 184

B.1.5 Regulador de velocidade . . . 185

B.1.5.1Modelo de regulador secundário para turbina térmica sem reaquecimento . . . 185

B.2 REDE DE TRANSMISSÃO OU DISTRIBUIÇÃO . . . 186

B.3 CARGAS . . . 187

B.3.1 Modelagem como Impedância Constante . . . 187

B.4 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA CONECTADA VIA INVERSOR ELETRÔNICO . . . 187

B.4.1 Modelagem como Impedância Constante . . . 187

B.5 SOLUÇÃO PARTICIONADA DAS EQUAÇÕES ALGÉBRICO-DIFERENCIAIS . . 188

B.5.1 Solução Numérica das Equações Algébricas no Regime Transitório . . . 189

B.5.2 Solução Numérica das Equações Diferenciais . . . 191

Apêndice C -- VALIDAÇÃO DA ROTINA DE ESTABILIDADE IMPLEMENTADA 193 C.1 SISTEMA TESTE . . . 193

C.2 SOLUÇÃO DO FLUXO DE POTÊNCIA . . . 194

(19)

C.4.1 Dados dinâmicos . . . 195

C.4.2 Resultados de simulação . . . 196

C.5 CASO 2 – MODELO DE POLOS SALIENTES DO GERADOR SÍNCRONO SEM REGULAÇÃO . . . 196

C.5.1 Dados dinâmicos - Caso 2 . . . 197

C.5.2 Resultados de simulação - Caso 2 . . . 197

C.6 CASO 3 – MODELO DE POLOS LISOS DO GERADOR SÍNCRONO SEM REGU-LAÇÃO . . . 198

C.7 CASO 4 – MODELO DE POLOS SALIENTES DO GERADOR SÍNCRONO COM REGULAÇÃO DE TENSÃO . . . 200

C.8 CASO 5 – MODELO CLÁSSICO DO GERADOR SÍNCRONO COM REGULAÇÃO DE VELOCIDADE . . . 201

Apêndice D -- DADOS DO SISTEMA TESTE STA-69BUS . . . 209

Apêndice E -- PUBLICAÇÕES RELACIONADAS À DISSERTAÇÃO . . . 213

(20)

1 INTRODUÇÃO

Uma microrrede pode ser vista como uma rede elétrica de menor potência que pode operar em modo isolado ou conectado ao serviço público de fornecimento de energia elétrica (BUQUE; CHOWDHURY, 2016), ou seja, pode ser entendida como uma parcela do sistema elétrico de potência (SEP) capaz de suprir suas cargas e perdas, por determinado período, inde-pendentemente do sistema interligado de potência.

De modo geral, o objetivo de um sistema elétrico de potência é o fornecimento de ener-gia elétrica, respeitando padrões de qualidade previamente estabelecidos para os consumidores conectados ao mesmo (GRAINGER; STEVENSON, 1994; DUGAN et al., 2002).

Visando assegurar o cumprimento do mencionado objetivo, realizam-se diversos estu-dos objetivando a previsão e mitigação de possíveis falhas ou, ainda, o aumento da confiabi-lidade destes sistemas de energia. Dentre estes estudos, podem ser elencados os de fluxo de potência, de curto-circuito e de estabilidade, sendo todos eles voltados para a preocupação com a segurança dos sistemas elétricos de potência (THEODORO, 2013).

A segurança de um sistema elétrico de potência, por sua vez, se refere ao nível de re-siliência a perturbações iminentes, ou contingências, sem interrupção sustentada na prestação de serviço aos consumidores. Assim sendo, a segurança relaciona a robustez do sistema medi-ante a ocorrência de possíveis perturbações, dependendo desta forma, tanto das condições de operação do sistema quanto da probabilidade de ocorrência das perturbações (KUNDUR et al., 2004).

Nas análises de segurança de um sistema de potência é importante que, após uma per-turbação, o sistema se estabeleça em um novo ponto de operação de modo a não violar suas restrições físicas (como, por exemplo, níveis de tensão nas barras ou de fluxo de potência nas linhas). Isto implica que, além da necessidade de o próximo ponto de operação ser aceitável, é necessário que o sistema seja capaz de suportar a transição entre as condições de operação. Disto, destacam-se dois aspectos distintos das análises de segurança: a análise de segurança estática (SSA, do inglês Static Security Assessment), que contempla estudos de regime

(21)

perma-nente com o intuito de verificar se alguma restrição física foi violada e; a análise de segurança dinâmica (DSA, do inglês Dynamic Security Assessment), envolvendo diferentes categorias de estudo de estabilidade (KUNDUR et al., 2004).

Na avaliação de segurança estática (SSA), os estudos de regime permanente são uti-lizados em cenários de operação anteriores e posteriores à ocorrência da perturbação, ou pré e pós-perturbação, respectivamente. Nos cenários pré-perturbação, visa-se verificar a capaci-dade de transferência de potência disponível e/ou o congestionamento da rede. Já nos cenários pós-perturbação, a preocupação reside em aferir os limites de tensões nas barras e de fluxos nas linhas do sistema, além de verificar se o sistema pós-perturbação possui ponto de equilíbrio. Ressalta-se que, nos estudos de SSA, assume-se que toda transição do estado pré-perturbação para o pós-perturbação ocorre de modo a não ocasionar nenhum fenômeno de instabilidade (MACHOWSKI et al., 2008), entretanto, é possível que o sistema pós-perturbação não apre-sente um ponto de equilíbrio.

Nos estudos dinâmicos (DSA), preocupa-se em analisar a estabilidade do sistema elé-trico durante a transição da configuração pré-perturbação para a pós-perturbação, onde o con-ceito de estabilidade denota a capacidade do sistema de retornar a um ponto de equilíbrio após ser submetido a uma perturbação, preservando sua integridade. Tal condição de integridade acontece quando praticamente todo o sistema permanece intacto, sem desconexão de cargas e geradores, com exceção daqueles isolados intencionalmente pelo sistema de proteção a fim de manter a continuidade da operação do restante do sistema (GRIGSBY, 2007).

No trabalho de (KUNDUR et al., 2004), composto por uma força-tarefa conjunta do IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) com o CIGRÉ (Conseil International des Grandes Réseaux Électriques), foi proposta uma classificação dos estudos de estabilidade com base na magnitude ou severidade da perturbação, no intervalo de tempo de análise e na natureza física, observadas através das principais variáveis do sistema em que a instabilidade pode se manifestar (tais como frequência, tensão ou ângulo rotórico de geradores síncronos).

Dentro deste contexto, os estudos de estabilidade transitória, mais estritamente, se destinam a avaliar a capacidade dos geradores do sistema elétrico de potência de permane-cer em sincronismo após a ocorrência de uma grande perturbação, tal como um curto-circuito (BRETAS; ALBERTO, 2000). Já nos estudos de estabilidade de frequência, preocupa-se com a capacidade do sistema de manter a frequência constante após a ocorrência de perturbações, relacionando-se, desta forma, com a capacidade de manter ou restaurar o equilíbrio entre carga e geração (KUNDUR et al., 2004).

(22)

a análise de segurança estática e dinâmica em sistemas elétricos operando como microrredes.

1.1 JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS

Em fevereiro de 2018 foi aprovada uma atualização da normativa internacional IEEE Std. 1547 (IEEE, 2018a) na qual consta a permissão da regulação de tensão no ponto de conexão por parte dos geradores distribuídos, além da prescrição de diretrizes para a operação ilhada (condição em que uma parcela das cargas do sistema de distribuição é alimentada somente por geradores distribuídos, sem conexão elétrica com a rede de distribuição restante).

Além disso, os estudos conduzidos dentro do Projeto de Pesquisa ANEEL PD 2866-0464/2017 (Metodologia Para Análise, Monitoramento e Gerenciamento da GD por Fontes Incentivadas) apontam o interesse por parte da concessionária de energia quanto à operação ilhada de trechos do sistema de distribuição em áreas rurais, onde a continuidade no forne-cimento de eletricidade fica aquém de limites estabelecidos pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), trazendo prejuízos tanto aos consumidores quanto à distribuidora de energia. Deste modo, nota-se a importância de trazer os estudos de segurança tradicionais dos sistemas elétricos de potência para a aplicação nestes subsistemas ou microrredes que, mesmo sendo de menor dimensão quando comparados ao SEP interligado, devem continuar obede-cendo a critérios de continuidade e qualidade no fornecimento de energia elétrica.

Neste sentido, esta pesquisa visa a implementação de um algoritmo de análise de se-gurança para sistemas elétricos de potência, que possa ser facilmente aplicado aos estudos de planejamento da operação de microrredes e que auxilie no processo de tomada de decisão quanto à possibilidade da operação ilhada.

Para tanto, utiliza-se da plataforma computacional MATLAB1 como ferramenta de simulação, na qual serão programados os algoritmos: de fluxo de potência, utilizados para os estudos de SSA e; de estabilidade transitória e de frequência, aplicados na avaliação da DSA.

Na análise estática, utiliza-se dos métodos de Newton-Raphson (NR), Gauss-Seidel (GS) e Backward-Forward Sweep (BFS) para os estudos de fluxo de potência (MONTICELLI, 1983; PIZZALI, 2003; HAQUE, 1996), de modo que o operador possa escolher dentre os refe-ridos métodos quando executar os estudos de regime permanente. Os dois primeiros métodos foram escolhidos por serem de amplo conhecimento na literatura da área, ou seja, de aplicação bem estabelecida e, o terceiro, por se aproveitar das características radiais de redes de distribui-ção.

(23)

Já na análise dinâmica, a solução das equações algébrico-diferenciais do sistema de potência, visando a análise da estabilidade transitória e de frequência, dá-se de forma particio-nada, preservando a estrutura da rede (KUNDUR, 1994). Tal escolha é definida por permitir o acompanhamento de todas as barras do sistema, durante as simulações no domínio do tempo.

A partur de cada análise de segurança, propõe-se uma estratégia para corte de carga dentro da microrrede, partindo da peculiaridade do número reduzido de elementos de chavea-mento presentes em redes de distribuição rurais.

Adota-se um horizonte de estudo de um dia, discretizado em 24 horas, no qual o cálculo das variações no carregamento do sistema e na geração proveniente de fontes intermitentes é de caráter determinístico, partindo-se da hipótese que os perfis de consumo e geração tenham sido obtidos previamente.

Sobre este horizonte de estudo de 24 horas e com base nas simulações das análises de segurança, definem-se indicadores para mensurar o desempenho da possível operação ilhada da microrrede, sendo que a definição dos mesmos é feita através de adaptações de indicadores já existentes prescritos pela ANEEL.

Quanto aos resultados, aplica-se a metodologia proposta em um sistema teste adaptado de uma rede de distribuição radial disponível na literatura para comparar o desempenho da operação ilhada.

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO

Para alcançar os objetivos propostos, esta dissertação é subdivida em capítulos, como descrito a seguir.

No capítulo 2, são abordados os conceitos envolvendo estudos de segurança em SEP. Os conceitos de Geração Distribuída, Microrredes e de Qualidade de Energia, neces-sários para este trabalho, são abordados no capítulo 3.

No capítulo 4 são abordados os estudos de fluxo de potência na análise de segurança estática.

O capítulo 5 destina-se à aplicação dos estudos de estabilidade transitória e de frequên-cia na análise de segurança dinâmica.

O algoritmo computacional proposto de Análise de Segurança para Microrredes, con-templando a estratégia de corte de carga e a definição dos indicadores de desempenho, é

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expli-cado no capítulo 6.

No capítulo 7 são expostos os resultados e discussões pertinentes ao algoritmo imple-mentado.

Por fim, no capítulo 8, são apresentadas as conclusões e perspectivas futuras da pes-quisa.

(25)

2 ANÁLISE DE SEGURANÇA EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

Garantir a operação segura tem sido um requisito comum e importante nos estudos de sistemas de potência. Além de ser uma das mais importantes funções dos Sistemas de Geren-ciamento de Energia (EMS, do inglês Energy Management Systems), a análise de segurança é essencial para o controle e monitoramento dos sistemas elétricos em tempo real (CHEN et al., 2016).

Do ponto de vista matemático, os problemas de segurança estática podem ser mo-delados por um conjunto de equações algébricas não-lineares e, na segurança dinâmica, o pro-blema se apresenta na forma de um conjunto de equações algébrico-diferenciais (DAE, do inglês Differential-Algebraic Equations), também de natureza não-linear (LUO et al., 2015).

A Figura 2.1 apresenta de forma ilustrativa a relação existente entre os dois campos das análises de segurança. Enquanto nas análises estáticas estuda-se o sistema elétrico em condições de regime permanente (através da solução das equações não-lineares de fluxo de potência), nas análises dinâmicas se estuda a estabilidade durante o regime transitório ocasionado por perturbações no sistema (resolvendo-se as equações algébrico-diferenciais - DAE’s).

As técnicas determinísticas nas análises de segurança têm sido amplamente utilizadas no âmbito de sistemas de potência pelo fato de que, geralmente, carregam consigo a determi-nação precisa do nível de segurança do sistema, possibilitando assim, a concepção de sistemas altamente seguros (DISSANAYAKA et al., 2011). Na abordagem determinística, identifica-se um conjunto de contingências e projeta-se o sistema para operar com confiabilidade quando da ocorrência destas contingências (KUNDUR et al., 2004; DISSANAYAKA et al., 2011).

Considera-se como uma contingência a perda de qualquer um dos elementos do sis-tema de potência (geradores, transformadores, linhas de transmissão), decorrente ou não de uma falta (por exemplo, um curto-circuito). Esta prática é usualmente referida como sendo o critério N-1, uma vez que estuda o comportamento de uma rede com N elementos seguida pela perda de qualquer um de seus elementos (DISSANAYAKA et al., 2011).

(26)

con-Figura 2.1: Ilustração dos estudos de segurança. V,θ V,θ V,θ V,θ V,θ V,θ V,θ B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 SE G G V,θ V,θ V,θ V,θ V,θ V,θ V,θ SE Pré-falta Regime Permanente Estudo de FP Eq. Não-Lineares SSA DSA Perturbação Regime Transitório

Universidade Tecnológica Federal do Paraná Programa de Pós Graduação em Sistemas de Energia

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 SE G G V,θ V,θ V,θ V,θ V,θ V,θ V,θ B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 SE G G DSA SSA Regime Transitório Est. de Estabilidade DAE’s Pós-Falta Regime Permanente Estudo de FP Eq. Não-Lineares 06/24

Fonte: Elaboração Própria

tingências extremas que excedam a severidade considerada no estudo de segurança, de forma a mitigar a disseminação dos efeitos decorrentes de tais contingências. Tais controles podem contemplar a remoção de unidades geradoras, corte de carga e ilhamento controlado (KUNDUR et al., 2004).

A seguir, são abordados separadamente os conceitos de análise de segurança estática (SSA) e dinâmica (DSA), juntamente com uma breve revisão sobre as técnicas de solução que têm sido aplicadas a estas análises. Sequencialmente a esta revisão dos conceitos de segurança, apresenta-se um apanhado de trabalhos científicos relacionados aos estudos de segurança apli-cados a microrredes.

2.1 ANÁLISE DE SEGURANÇA ESTÁTICA

A análise de segurança estática de sistemas elétricos estuda as condições em regime permanente após a ocorrência de uma contingência (CHEN et al., 2017; JAVAN et al., 2013; SUNITHA et al., 2013), tais como sobrecargas na transmissão, desvios de tensão e limites de ge-ração de reativo (CHAUHAN; DAVE, 2002; LI et al., 2018). Além disto, a análise de segurança estática também pode contemplar estudos em regime pré-perturbação, a fim de determinar a ca-pacidade de transferência de potência e identificar congestionamentos na rede (MACHOWSKI

(27)

et al., 2008).

Dentre as perturbações (contingências) estudadas na SSA, podem ser mencionados os casos em que haja perdas de linhas de transmissão ou de unidades geradoras. Os resulta-dos oriunresulta-dos destas análises informam ao operador se o sistema alcança (ou não) um ponto de operação em regime permanente sem infringir restrições operativas, após a ocorrência de tais contingências (JAVAN et al., 2013). A importância destes estudos é amplamente reconhe-cida, tanto no planejamento quanto na operação de sistemas elétricos de potência (CHAUHAN; DAVE, 2002; CHEN et al., 2017).

Se o resultado da análise de uma contingência indica que limites operativos em re-gime permanente são infringidos, o sistema é considerado inseguro, do ponto de vista estático. Neste caso, o operador do sistema deve tomar ações preventivas (ou corretivas, caso opere em tempo real), tais como redespacho de geração ou corte de carga. Caso contrário, o sistema é considerado seguro e nenhuma ação de controle adicional se faz necessária (CHEN et al., 2016). De acordo com Li et al. (2018), as aplicações de SSA podem ser sub-divididas em duas partes, sendo uma o monitoramento do sistema, parte responsável por prover as condições de operação do sistema, e outra a análise de contingências, encarregada tanto da filtragem das contingências quanto da classificação das mesmas.

Convencionalmente, os estudos de SSA são feitos através da modelagem analítica da rede, seguida pela resolução das equações de fluxo de potência para todos os cenários pós-perturbação considerados na análise (KALYANI; SWARUP, 2011). A alta demanda computa-cional desta abordagem, decorrente da solução repetitiva dos sistemas de equações não-lineares do fluxo de potência (ZHOU et al., 2017b), tem sido o principal obstáculo de seu uso em apli-cações em tempo real, motivo pelo qual tal abordagem vem sendo corriqueiramente utilizada para estudos off-line de análise de segurança estática (SUNITHA et al., 2013), principalmente em grandes redes elétricas.

Visando diminuir o esforço computacional necessário para as análises de segurança estática, estudos têm sido feitos utilizando técnicas alternativas, tais como métodos baseados em conceitos de machine learning, árvores de decisão, redes neurais artificiais, entre outros (OLIVEIRA et al., 2017). Contudo, a aplicação on-line, consequentemente a aplicação destes métodos, não é objeto de estudo da presente dissertação.

Uma vez que a ferramenta proposta nesta pesquisa é orientada aos estudos de planeja-mento da operação de microrredes, opta-se pela abordagem convencional da SSA, utilizando-se da solução do fluxo de potência para todos os cenários em estudo. O equacionamento do fluxo

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de potência juntamente a seus métodos de solução serão abordados no Capítulo 4.

2.2 ANÁLISE DE SEGURANÇA DINÂMICA

Apesar de analisar os limites de tensão, de fluxo e de geração (ASSIS et al., 2007), em muitos casos a análise de segurança estática não provê estudos suficientes para determinar a segurança de sistemas, quando estes são submetidos a alterações da configuração da rede ou dos níveis de carga e geração (AL-MASRI et al., 2013; LERCH; RUHLE, 2007), uma vez que não levam em conta a dinâmica associada à transição decorrente destas alterações da rede. Os estudos que avaliam o comportamento transitório do sistema, após submetido a perturbações ou alterações, são atendidos pela análise de segurança dinâmica ou DSA (GRIGSBY, 2007).

De acordo com Morison et al. (2004), a DSA se encarrega das análises requeridas para determinar se um sistema de potência é capaz ou não de cumprir com especificados crité-rios de confiabilidade e segurança, tanto em regime transitório quanto em regime permanente, para todas as contingências críveis. Desta forma, as análises de segurança dinâmica envolvem diferentes estudos de estabilidade do sistema, sendo estes usualmente classificados com base nas variáveis elétricas em que se observa o fenômeno de instabilidade, por exemplo: tensão, frequência e ângulo do rotor (KUNDUR et al., 2004).

Os estudos de DSA podem ser divididos em três atividades sequenciais: i) filtragem de contingências; ii) análise dinâmica de contingências e; iii) controle preventivo e corretivo. Dentre estas atividades, a análise dinâmica de contingências, além de representar o gargalo de computação, é uma ferramenta essencial de suporte para a identificação ótima das medidas preventivas e corretivas para mitigar os efeitos de contingências críticas (WANG et al., 2010).

As análises do comportamento dinâmico do sistema envolvem a resolução numérica de um grande número de equações algébrico-diferenciais (DAE) não-lineares. Deste modo, o uso de técnicas convencionais (através da solução das equações algébrico-diferenciais) pode prover resultados desatualizados para as ferramentas de análise em tempo real, uma vez que, ao fim dos estudos, é possível que o sistema já esteja operando em condições diferentes, por conta da atualização do ciclo computacional de monitoramento (GEEGANAGE et al., 2015). Objetivando análises em tempo real, a utilização de processamento computacional paralelo e de solução de DAE via passo variável, bem como a associação com métodos diretos (tais como o critério das áreas iguais ou outros métodos baseados em funções de Lypunov), pode ser aplicada (ASSIS et al., 2007).

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aplica-dos aos estuaplica-dos da DSA, tais como as técnicas envolvendo reconhecimento de padrões, redes neurais, máquinas de vetores de suporte (SVM) e árvore de decisão (KHERADMANDI et al., 2011; LUO et al., 2015).

Assim como na SSA, visando a aplicação no planejamento da operação de microrre-des, neste trabalho será utilizada a abordagem convencional para os estudos de DSA, através de resolução das DAE não-lineares que modelam o sistema via integração numérica. De acordo com o rigor dos modelos adotados, esta abordagem provê soluções precisas para a verifica-ção de estabilidade do sistema e traz consigo um alto custo computacional (KUCUKTEZCAN; GENC, 2012), sendo assim aconselháveis para aplicações off-line ou, inclusive, para treina-mento (também off-line) de ferramentas on-line baseadas em inteligência artificial.

Os estudos da DSA abrangem análises de distintos tipos de estabilidade. A classifi-cação dos tipos de estabilidade, por sua vez, depende de se a mesma é utilizada no âmbito de grandes sistemas elétricos (KUNDUR et al., 2004) ou no âmbito de microrredes (FARROKHA-BADI et al., 2019). Os conceitos referentes à estabilidade em sistemas elétricos e em microrre-des, juntamente com seus métodos de solução serão tratados no decorrer desta dissertação, no Capítulo 5.

2.3 ESTUDOS DE SEGURANÇA NO CONTEXTO DE MICRORREDES

O conceito de análise de segurança de SEP é pouco associado a estudos que envolvam sistemas de distribuição, geração distribuída e microrredes. Contudo, os estudos que são uti-lizados nas ditas análises de segurança (como, por exemplo, os estudos de fluxo de potência e de simulações dinâmicas) vêm sendo amplamente investigados no contexto da operação de microrredes.

São expostos nesta seção, de forma breve, alguns dos trabalhos encontrados na litera-tura da área que investigam as análises de segurança em sistemas de distribuição com geração distribuída e, também, os trabalhos que investigam os estudos de fluxo de potência e de estabi-lidade aplicados a microrredes.

2.3.1 ANÁLISE DE SEGURANÇA EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO

No trabalho de Issicaba et al. (2012), estuda-se a avaliação da adequação e segurança (Adequacy and Security Evaluation) de sistemas de distribuição com geração distribuída, par-tindo da adaptação dos conceitos de adequação e segurança de grandes sistemas elétricos para aplicações em sistemas de distribuição. Os autores utilizam-se das simulações de Monte Carlo

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sequencial para estabelecer os estados operativos do sistema para, em sequência, analisá-los em condições de regime permanente, através do cálculo do fluxo de potência, e em condições de transição, através de simulações dinâmicas. Em caso de falhas, a análise considera a ope-ração ilhada de trechos do sistema, desde que haja capacidade suficiente de geope-ração para o atendimento à carga e haja ao menos um gerador síncrono (ou inversor que emule tal com-portamento). O desempenho do sistema de distribuição é mensurado através de índices de confiabilidade. Como conclusões, os autores apontam a importância de considerar os estudos de adequação e segurança em sistemas de distribuição, principalmente com o avanço da in-tegração da geração distribuída. Dentro das simulações de ilhamento, não foi considerado o corte de carga intencional e, deste modo, na insuficiência de potência gerada, a ilha inteira é desenergizada.

Em Capitanescu e Wehenkel (2013) é proposta uma metodologia para determinação dos piores cenários operativos para a Análise de Segurança Estática (SSA), considerando in-certezas das condições do sistema em um horizonte de 24 horas. A metodologia é aplicada em sistemas de transmissão, contudo a consideração de incertezas é compatível com a intermitên-cia provinda de geração por fontes renováveis (como também acontece na geração distribuída). Como sub-produto da ferramenta, os resultados apresentam uma classificação de severidade das contingências estudadas quanto às medidas preventivas e corretivas disponíveis. Tal classifica-ção permite que o operador identifique quais contingências afetam a segurança do sistema. A determinação dos piores cenários, entretanto, é feita com base na sobrecarga do sistema, sendo que os problemas de sub e sobretensão são propostos para trabalhos futuros.

Uma ferramenta de análise de segurança para operação ilhada intencional é apresen-tada em Chen et al. (2011). Nesse estudo, utiliza-se de simulações dinâmicas e de uma estrutura de Rede Neural Artificial para determinar se o ponto operativo do sistema pertence à região de segurança, para operação ilhada. O sistema teste utilizado não é um sistema de distribuição, entretanto, de acordo com os autores, isto não acarreta perda da generalidade da ferramenta para sistemas de distribuição. A utilização da rede neural artificial permite a aplicação on-line de modo a determinar se o ilhamento intencional pode ser feito com segurança, para o presente estado operativo do sistema. Entretanto, não se considera nenhuma estratégia de ajuste de carga ou geração para os casos em que o ilhamento intencional não pertence à região de segurança.

Zhang e Xie (2015) propõem uma estratégia de controle e uma ferramenta de aná-lise de segurança dinâmica (DSA) para sistemas de distribuição compostos pela interligação de microrredes. Os estudos de segurança e de controle do sistema se dão pela modelagem de estabilidade a pequenas perturbações, contemplando a interface de controle de inversores

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eletrônicos para cada microrrede. Embora a estratégia proposta permita determinar a estabili-dade a pequenas perturbações em múltiplas microrredes interconectadas, os autores sugerem os estudos de estabilidade transitória em caso de ilhamento para trabalhos futuros.

Dos trabalhos mencionados, percebe-se o interesse técnico-científico e a aplicabilidade das análises de segurança (SSA e DSA) aos sistemas de distribuição no contexto de microrredes. A estrutura geral da ferramenta de segurança proposta nesta dissertação tem forte em-basamento no trabalho de Issicaba et al. (2012), contudo, não contempla o aspecto estocástico e o viés de confiabilidade adotado pelos autores. Em contrapartida, esta dissertação conta com a proposição de uma estratégia de corte de carga incorporada dentro das análises de segurança e de indicadores referentes à qualidade de energia. Inspirado no trabalho de Capitanescu e Wehenkel (2013), os estudos são feitos num horizonte de 24 horas e a estratégia de classifica-ção em faixas de severidade é utilizada para os estudos de estabilidade transitória. Os estudos de ilhamento não-intencional (através das análises de estabilidade transitória) com corte de carga visam complementar lacunas identificadas nos trabalhos de Chen et al. (2011) e Zhang e Xie (2015).

Nesta dissertação, a modelagem utilizada para os estudos de fluxo de potência e de estabilidade de microrredes, dentro da ferramenta de segurança, é a mesma já utilizada em sistemas elétricos e é exposta, respectivamente, nos capítulos 4 e 5. Entretanto, para evidenciar a relevância e diversidade de cada um destes estudos no contexto de microrredes, apresentam-se nas subseções seguintes alguns dos trabalhos científicos relacionados a estas temáticas.1

2.3.2 ESTUDOS DE FLUXO DE POTÊNCIA EM MICRORREDES

No trabalho de Abdelaziz (2016), estuda-se o efeito da restrição de limite de reativo na solução do fluxo de potência para microrredes ilhadas, sujeitas ao controle droop (similar aos controles primários convencionais de tensão e frequência de geradores síncronos). Simulam-se cenários com distintos fatores de potência da geração, de modo a apontar que a consideração de um fator de potência mínimo para a operação da geração distribuída ocasiona degradação do perfil de tensão da microrrede.

Apresenta-se em Allam et al. (2018) uma modelagem para estudos em regime perma-nente de microrredes trifásicas desbalanceadas, considerando geradores síncronos e inversores eletrônicos. O estudo de fluxo de potência é formulado com auxílio da teoria de componentes simétricas, levando também em conta a interdependência entre a frequência, a carga e as

ma-1_{Ressalta-se que a modelagem específica para microrredes, contida nas subseções 2.3.2 e 2.3.3, não é utilizada} na ferramenta de segurança proposta nesta dissertação, contudo pode ser o objetivo de trabalhos futuros.

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lhas de controle. A relação entre potência e frequência é inserida através de uma adaptação das equações do método de Newton-Raphson.

Em Dag et al. (2017), é proposta uma modelagem de microrredes com geração distri-buída baseada em controle droop, tanto para estudos de fluxo de potência quanto para estudos de curto-circuito. Os modos de controle de corrente e de tensão são modelados como um modelo de fonte genérico (GSM). No modo de operação ilhado, adapta-se a modelagem da barra slack em função da equação de droop, de modo que o ângulo é mantido constante, mas a amplitude da tensão é equacionada conforme a topologia de controle.

Kryonidis et al. (2018) propõem uma metodologia para o cálculo de fluxo de potência em microrredes ilhadas, com controle droop de tensão e de frequência. Trata-se de um processo de solução iterativa de diversos fluxos de potência, arbitrando uma barra como sendo a barra slackdo sistema e, as variáveis de tensão e frequência são ajustadas entre uma iteração e outra, até chegar a uma solução em que a potência injetada pela barra slack seja nula (caracterizando a operação ilhada).

Uma versão estendida do método Backward-Forward Sweep (BFS) para estudos de fluxo de potência em microrredes ilhadas é proposta em Ren e Zhang (2018). O estudo estático é adaptado para contemplar a influência das equações de droop do controle primário e as equações de controle secundário. No controle secundário, prevê-se a possibilidade de operar em modo de compartilhamento de reativo, em modo de regulação de tensão de todas as barras de geração e em modo de regulação de tensão de uma única barra de geração.

Mumtaz et al. (2016) apresenta uma abordagem para o cálculo do fluxo de potência de microrredes ilhadas, adaptando o método de Newton-Raphson para contemplar as equações de controle droop. A ferramenta desenvolvida para estudo em regime permanente é validada através de simulações no software PSCAD/EMTDC.

O problema de incertezas provindas da geração distribuída nos estudos de fluxo de potência em microrredes ilhadas é examinado no trabalho de Liu et al. (2018). Os autores apresentam um estudo de fluxo de potência probabilístico dentro de um processo de otimização para a obtenção de um planejamento coordenado de potência ativa e reativa na microrrede. No estudo de fluxo de potência, os autores modelam as barras como sendo barra PQ, barra PV ou barra droop e a solução se dá através do método Newton trust-region (região de confiança de Newton).

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2.3.3 ESTUDOS DE ESTABILIDADE EM MICRORREDES

Em Alipoor et al. (2018), os autores apresentam um método para análise de estabili-dade transitória e otimização para aplicação em microrredes com múltiplos inversores eletrô-nicos munidos de controle baseado no conceito de geradores síncronos virtuais (VSG). Esta topologia de controle é utilizada visando melhorar a estabilidade do sistema e, para tanto, os parâmetros dos controladores são sintonizados através de otimização por enxame de partículas. As simulações dinâmicas do sistema são feitas na plataforma PSCAD/EMTDC.

No trabalho de Zhang e Xie (2016), estuda-se a estabilidade transitória de microrredes interligadas, sendo cada uma delas conectada através de um inversor operando como fonte de tensão (VSI). O critério de estabilidade é obtido pelo uso de desigualdade matricial linear. Um conceito de reserva de estabilidade é introduzido pelos autores e é considerado nas equações dinâmicas do modelo.

As topologias de controle VSG e VSI são comparadas em Soni et al. (2016), visando analisar a estabilidade de frequência na microrrede e seus transitórios, perante as duas topolo-gias consideradas.

Visando aprimorar a estabilidade transitória em microrredes, Sun et al. (2016) desen-volvem um método de alocação ótima de sistemas de armazenamento de energia baseado em funções energia para estrutura de microrrede preservada. A formulação da função energia apre-senta o conceito de energia potencial interna, desenvolvida de forma a contemplar a presença de inversores operando como fonte de tensão (VSI).

Uma análise comparativa entre a aplicação de baterias e de um sistema composto por baterias e armazenamento de energia via supercondutores magnéticos é feita em Chen et al. (2018), tendo em vista o efeito na resposta transitória da microrrede.

Du et al. (2014) investigam a aplicação do controle via fonte de tensão para sistemas fotovoltaicos conectados a microrredes. Dentre as análises, estuda-se o efeito de variações transitórias de carga na estabilidade de tensão em corrente contínua do sistema fotovoltaico.

Os autores no trabalho de Elizondo et al. (2016) apresentam uma modelagem trifásica desbalanceada para estudos de fluxo de potência e de transitórios dinâmicos em sistemas de dis-tribuição ao qual são conectados geradores síncronos. A modelagem contempla a possibilidade de ausência de uma barra slack e é implementada no software GridLAB-D.

A estabilidade de frequência em uma microrrede considerando os efeitos de envelheci-mento do sistema de baterias é estudada por Graditi et al. (2016). As análises são feitas através

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da ferramenta PowerFactory (de fabricação DIgSilent) para uma microrrede composta por um gerador a diesel, um sistema fotovoltaico, um sistema de baterias, cargas críticas e não-críticas, operando tanto em modo conectado à rede quanto em modo isolado.

Em Kabalan et al. (2017), faz-se uma revisão sobre a aplicação de funções de Lyapunov nos estudos de estabilidade a grandes perturbações de elementos individuais de uma microrrede. A formulação de Lyapunov para a microrrede como um todo é apontada como sendo possível, contudo, tal formulação é proposta para estudos futuros pelos autores.

Um esquema de religamento adaptativo para microrredes é proposto em Teimourza-deh et al. (2018). Nesse estudo, estima-se o instante de tempo em que a microrrede pode ser reconectada ao sistema de distribuição de modo a garantir o sincronismo. A geração distribuída estudada é conectada através de geradores síncronos e a proposta é formulada utilizando-se de conceitos de função energia.

No trabalho de Weber et al. (2018), apresenta-se uma metodologia para a análise de estabilidade de microrredes isoladas no regime transitório e também em regime permanente. Na modelagem, considera-se as equações dinâmicas referentes a geradores síncronos e sistemas de armazenamento de energia, com seus respectivos controles de tensão e frequência. As inje-ções de potência decorrentes de geração eólica e solar são aglutinadas à carga da microrrede, representada por um circuito RL.

2.4 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO

Este capítulo dedicou-se a explicar os conceitos de segurança estática e dinâmica em sistemas de potência e a apresentar referências que relacionem tais conceitos com a presente dis-sertação. Na revisão de literatura apresentada neste capítulo, diversos conceitos foram mencio-nados ou introduzidos, tais como geração distribuída, microrredes, estudos de fluxo de potência e de estabilidade. Tais conceitos serão revisitados e explorados na sequência deste trabalho.

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3 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA E O CONCEITO DE MICRORREDES

Neste capítulo, exploram-se os conceitos de geração distribuída e microrredes à luz dos estudos estáticos e dinâmicos abordados nesta dissertação. Para tanto, é feita uma breve revisão bibliográfica de tais conceitos e de suas tecnologias envolvidas, além da apresentação de normativas concernentes. Por fim, apresentam-se aspectos de qualidade e de restrições di-tadas pelas normativas no que diz respeito à operação de sistemas de distribuição e geração distribuída.

3.1 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

Existem diversas definições relacionadas ao conceito de geração distribuída (GD). Uma delas, segundo Sallam e Malik (2011), diz que a GD pode ser definida pela geração de eletricidade através de fontes de energia próprias dos consumidores, visando alimentar suas pró-prias cargas ou auxiliar no atendimento a cargas críticas em casos de emergências e interrupção de fornecimento.

Outra definição, segundo Ackermann (2005), diz que a GD pode ser definida como uma fonte de geração conectada diretamente na rede de distribuição ou ao consumidor.

Ainda, de acordo com o caderno temático da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a GD pode ser caracterizada pela instalação de geradores de pequeno porte (a partir de fontes renováveis ou não), próxima aos centros de consumo de energia elétrica (ANEEL, 2016).

Nesta dissertação adota-se como GD qualquer fonte de geração de energia elétrica conectada diretamente ao sistema de distribuição, através ou não de uma unidade consumidora de energia elétrica.

Diversas são as fontes primárias que podem ser utilizadas para a geração de energia elétrica distribuída. Dentre elas, pode-se citar: geração térmica pela queima de combustíveis fósseis convencionais ou de biomassa; geração hidráulica via Pequenas Centrais Hidrelétricas

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(PCH) e Centrais Geradoras Hidrelétricas (CGH); geração solar, através de módulos fotovoltai-cos e; geração eólica.

Segundo Mithulananthan et al. (2017), estas tecnologias de geração podem ser classi-ficadas em dois grupos distintos, com base na sua capacidade de controle de potência gerada:

• despacháveis - quando a potência de saída pode ser controlada a partir da fonte primária (combustíveis fósseis tradicionais, biomassa, etc);

• não-despacháveis - quando a potência de saída não pode ser controlada a partir da fonte primária, por conta da sua intermitência (energia eólica, energia fotovoltaica).

Segundo a instrução normativa IEEE Std. 1547 (IEEE, 2018a), a aplicação de GDs e de dispositivos de armazenamento de energia em sistemas elétricos caracteriza o conceito conhecido pela sigla DER (Distributed Energy Resources, do inglês, recursos distribuídos de energia). Um DER é capaz de exportar potência elétrica ao sistema elétrico e é uma parte constituinte do que se compreende por microrrede. O conceito de microrrede é abordado a seguir.

3.2 MICRORREDES

As microrredes podem oferecer um conjunto de benefícios econômicos, técnicos e ope-racionais, tais como maior qualidade e confiabilidade, otimização do uso da energia e utilização de recursos energéticos locais (KABALAN et al., 2017; MARNAY et al., 2015).

Descritas usualmente como agrupamentos de cargas, dispositivos de armazenamento de energia e pequenos geradores, as microrredes (ou microgrids) se conectam como uma enti-dade única à rede de distribuição, por meio de um ponto de acoplamento comum ou PCC, abre-viação do termo em inglês point of common coupling (LEVRON et al., 2013; IEEE, 2018b). A Figura 3.1 ilustra de modo conceitual a estrutura de uma microrrede.

Uma microrrede pode ser vista como uma rede elétrica de menor tamanho que pode operar em modo isolado ou conectado à rede de distribuição. Quando a microgrid é autossu-ficiente, ela é vista pela rede como um gerador, injetando potência no sistema de distribuição. Caso a geração dentro da microrrede seja insuficiente, ela é vista pelo sistema de distribuição como uma carga, exigindo, desta forma, injeção de potência por parte da rede elétrica (BUQUE; CHOWDHURY, 2016).

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Figura 3.1: Estrutura conceitual de uma microrrede.

Fonte: Elaboração Própria

3.2.1 ESTRUTURA DE UMA MICRORREDE

No trabalho do Working Group C6.22 do CIGRÉ, são apontados três importantes blo-cos que compõe a microrrede: geradores, dispositivos de armazenamento e cargas controláveis (MARNAY et al., 2015).

Com estes elementos, diferentes configurações do sistema podem ser propostas de forma a caracterizar uma microrrede. Neste sentido, a Figura 3.2, adaptada da IEEE Std. 1547.4 (IEEE, 2011), ilustra distintos cenários que podem configurar uma microrrede, sendo eles:

• facility island, contemplando apenas as instalações de uma única unidade consumidora; • secondary island, constituída por um conjunto de consumidores e GDs conectadas ao

lado de baixa tensão de um único transformador;

• lateral island, constituída por todos os elementos conectados a um ramal lateral de distri-buição;

• circuit island, contemplando todos os elementos atendidos por um ramal alimentador; • substation bus island, alimentando todos elementos conectados a um dos barramentos de