AVALIAÇÃO DA INTERCONEXÃO DE SISTEMAS DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENERGIA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA FACULDADE DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENERGIA

ÉROS DANILO MONTEIRO DE CARVALHO

A

VALIAÇÃO DA

I

NTERCONEXÃO DE

S

ISTEMAS DE

G

ERAÇÃO

D

ISTRIBUÍDA A

R

EDE

E

LÉTRICA

JUIZ DE FORA 2013

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ii

ÉROS DANILO MONTEIRO DE CARVALHO

A

VALIAÇÃO DA

I

NTERCONEXÃO DE

S

ISTEMAS DE

G

ERAÇÃO

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ISTRIBUÍDA A

R

EDE

E

LÉTRICA

MONOGRAFIA APRESENTADA COMO

AVALIAÇÃO PARCIAL PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE ENGENHEIRO ELETRICISTA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA.

Orientador: Prof.. Dr. João Alberto Passos Filho.

JUIZ DE FORA 2013

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iii

TERMO DE APROVAÇÃO

A

VALIAÇÃO DA

I

NTERCONEXÃO DE

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ISTEMAS DE

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ERAÇÃO

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ISTRIBUÍDA A

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LÉTRICA

ÉROS DANILO MONTEIRO DE CARVALHO

MONOGRAFIA APRESENTADA COMO AVALIAÇÃO PARCIAL PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE ENGENHEIRO ELETRICISTA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA, SUBMETIDA À APROVAÇÃO DA BANCA EXAMINADORA COMPOSTA PELOS SEGUINTES MEMBROS:

Prof. João Alberto Passos Filho, D.Sc. (Orientador) Universidade Federal de Juiz de Fora

Prof. Ricardo Mota Henriques, D.Sc. Universidade Federal de Juiz de Fora

Engª. Paula Oliveira La Gatta, M.Sc. Universidade Federal de Juiz de Fora

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iv Aos meus pais, Marília e Léo, Rubenita e José, e à minha esposa Debora.

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v AGRADECIMENTOS

Nessa longa caminha no curso de Graduação em Engenharia Elétrica tive pessoas que sempre caminharam comigo, acreditaram e torceram por mim. Primeiramente minha esposa Debora, que foi o principal pilar de apoio nos momentos de vitória e principalmente nos momentos de dificuldade, não cansamos de dizer uma ao outro: “ Juntos somos imbatíveis”. Aos meus pais Marília e Léo, pelos sacrifícios para me propiciar a melhor educação. Meus segundos pais, Rubenita e José, que desde que me casei com a Debora, filha deles, me acolheram como um filho e tiveram papel importante na minha trajetória na faculdade. Agradeço ao meu Tio Walter e Tio Rubens, que mesmo tão distantes fisicamente, foram peças fundamentais nessa conquista. Não posso esquecer nunca dos meus queridos irmãos, Kahan, Pedro e Lucas, sempre unidos a qualquer momento. Ao Bruno, meu cunhado, que juntamente com a Rubinha e o Zé, foi mais uma testemunha da minha trajetória acadêmica. Registro meus agradecimentos ao casal de amigos, que considero mais como irmãos, Paloma e Souza Lima “Souzalix”, essa amizade será eterna.

Dentro das salas de aula ou fora delas, também tiveram pessoas importantes. Começo pelo Professor João Passos que mesmo me conhecendo tão pouco aceitou me orientar, começamos com um projeto de pesquisa a 2 anos e coroamos esse trabalho com o presente estudo, fica aqui o meu sincero agradecimento. Meus grandes companheiros de classe e verdadeiros amigos, Leonardo Bacellar, Paulo Sergio, Eduardo Calderano, Filipe de Assis “Prost”, Tamara Diniz e Jhonatan “Mano”, labutamos juntos e juntos somos vitoriosos de chegar até aqui.

À FAPEMIG pelo suporte financeiro pela bolsa de iniciação científica, projeto TEC APQ 04178/10.

A Deus, pois sem ele eu não teria as pessoas acima citadas que me deram suporte e foram fundamentais não só na graduação, mais em toda a minha vida. Obrigado.

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vi RESUMO

Este trabalho avalia a conexão de Sistemas de Geração Distribuída a Rede Elétrica, utilizando o Software ANAREDE desenvolvido pelo CEPEL, para execução do fluxo de potência. Utilizando uma curva de carga típica[7], e a curva de geração da Usina Solar da Universidade Federal de Juiz de Fora – UFJF, no período de uma semana (domingo a sábado) avaliou-se o perfil de tensão, geração de potência ativa e reativa e chaveamento de bancos shunt nas diversas barras do sistema.

Utilizando a rede elétrica IEEE14barras a injeção de potência oriunda do Laboratorio Solar da UFJF é feito com a inclusão de uma 15ª barra conectada a barra de número 14, em dois patamares de carga, alto e baixo carregamento, e para diversos cenários de penetração de energia elétrica vinda da usina solar fotovoltaica.

Palavras-chave: Fluxo, potência, fotovoltaica, geração, distribuída, tensão, reativo, ativo, curva, carga.

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vii ABSTRACT

This study evaluates the connection of Distributed Generation Systems to Grid using the software ANAREDE developed by CEPEL to run power flow. Using a typical load curve [7], and curve generation Solar Power Plant at the Federal University of Juiz de Fora - UFJF, within one week (Sunday to Saturday) evaluated the voltage profile, active power generation and reactive and bank switching shunt in the various system buses. Using the grid IEEE14bus injection power coming from the “Laboratorio Solar da UFJF” is done with the inclusion of a 15th bus connected to bus number 14, two load levels, high and low loading, and various scenarios of energy penetration electricity coming from solar photovoltaic power plant.

Key-words: Flow, power, photovoltaic, generation, distributed,

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Sumário _viii

Sumário

Lista de Figuras ... ix

Lista de Tabelas ... x

Introdução ... 1

Capítulo I Geração de Energia Elétrica Através da Energia Solar ... 3

I.1 Energia Solar ... 4

I.1.1. Energia Solar Heliotérmica ... 4

I.1.2. Energia Solar Térmica ... 5

I.2 Geração Distribuída ... 6

I.3 Regulamentação Brasileira da Geração Distribuída ... 8

I.4 A Usina Solar da UFJF ... 10

Capítulo II Curva de Carga e o Sistema IEEE 14 Barras ... 13

II.1 Modelagem da Curva de Carga do Sistema IEEE ... 13

II.2 Sistema IEEE 14 Barras ... 15

Capítulo III Modelagem e Resultados ... 18

III.1 Inclusão da curva de Geração e Carga. ... 19

III.2 Resultado para o 1º Caso ... 22

III.2.1 Barra do tipo Referência ... 22

III.2.2 Barra do tipo Geração ... 24

III.2.3 Barra do tipo Carga ... 26

III.3 Resultado para o 2º Caso ... 35

III.3.1 Barra de referência ... 36

III.3.2 Barra do tipo Geração ... 36

III.3.3. Barra do Tipo Carga ... 38

Conclusões ... 39

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Lista de Figuras

FIGURA 1-TIPOS DE COLETORES, CAPTAÇÃO HELIOTÉRMICA ... 4

FIGURA 2-COLETOR PLANO -ENERGIA SOLAR TÉRMICA ... 5

FIGURA 3-PAINÉIS FOTOVOLTAICOS DO LABSOLAR DA UFJF ... 6

FIGURA 4-METODOLOGIA DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ... 7

FIGURA 5-ESQUEMÁTICO DA LIGAÇÃO DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS DA UFJF[10]... 10

FIGURA 6-CURVA DE GERAÇÃO DA USINA FOTOVOLTAICA DA UFJF ... 11

FIGURA 7-CURVA DE GERAÇÃO DA USINA FOTOVOLTAICA DA UFJF NORMALIZADA ... 12

FIGURA 8-CURVA DE CARGA DO SISTEMA TESTE DE CONFIABILIDADE IEEE ... 15

FIGURA 9-DIAGRAMA UNIFILAR DO SISTEMA IEEE14 BARRAS ... 16

FIGURA 10-CASOS DE FLUXO DE POTÊNCIA REALIZADOS NA REDE EM ESTUDO ... 18

FIGURA 11–DIAGRAMA UNIFILAR DO SISTEMA IEEE14 BARRAS MODIFICADO ... 20

FIGURA 12-CURVA DE CARGA E DE GERAÇÃO DO LABSOLAR DA UFJF ... 21

FIGURA 13-GERAÇÃO DE POTÊNCIA ATIVA NA BARRA 1 COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO ... 23

FIGURA 14-GERAÇÃO DE POTÊNCIA ATIVA NA BARRA 1 COM CONTROLE DE TENSÃO ... 23

FIGURA 15-GERAÇÃO DE POTÊNCIA REATIVA BARRA 2 COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO ... 24

FIGURA 16-GERAÇÃO DE POTÊNCIA REATIVA BARRA 8 COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO ... 25

FIGURA 17-PERFIL DE TENSÃO BARRA 2 COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO ... 25

FIGURA 18-PERFIL DE TENSÃO BARRA 8 COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO ... 26

FIGURA 19-PERFIL DE TENSÃO DA BARRA 4 COM CONTROLE DE TENSÃO ... 27

FIGURA 20-CHAVEAMENTO DE BANCO SHUNT DA BARRA 4 COM CONTROLE DE TENSÃO ... 27

FIGURA 21-CHAVEAMENTO DE BANCO SHUNT BARRA 4 COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO ... 28

FIGURA 22-PERFIL DE TENSÃO DA BARRA 5 COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO ... 28

FIGURA 23-CHAVEAMENTO DE BANCO SHUNT DA BARRA 5 COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO ... 29

FIGURA 25-PERFIL DE TENSÃO DA BARRA 9 COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO ... 30

FIGURA 26-CHAVEAMENTO DE BANCO SHUNT DA BARRA 9 COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO ... 31

FIGURA 28-PERFIL DE TENSÃO DA BARRA 14 FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO (A) E (B). ... 32

FIGURA 31-CURVAS DE CARGA E GERAÇÃO PARA O 2º CASO ... 35

FIGURA 32-GERAÇÃO DE POTÊNCIA ATIVA DA BARRA 1 COM FATOR DE POTÊNCIA UNITÁRIO CASO 2 ... 36

FIGURA 33-PERFIL DE TENSÃO DA BARRA 2 COM CONTROLE DE TENSÃO NO 2º CASO ... 37

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Lista de Tabelas _x

Lista de Tabelas

TABELA 1-QUESITOS TÉCNICOS PARA CONEXÃO DE ACESSANTES COM GERAÇÃO PRÓPIA ... 9

TABELA 2-PICO DE DEMANDA EM PERCENTUAL DOS DIAS DA SEMANA ... 14

TABELA 3-PICO DE DEMANDA EM PERCENTUAL POR HORA DO DIA EM DIFERENTES ESTAÇÕES... 14

TABELA 4-DADOS DO SISTEMA IEEE14BARRAS ... 15

TABELA 5-CONFIGURAÇÃO DOS BANCOS SHUNT DO SISTEMA IEEE14 BARRAS ... 17

TABELA 6-VALORES DE PENETRAÇÃO DE ENERGIA SOLAR EM DIFERENTES CENÁRIOS ... 19

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Introdução

A energia em todas as suas formas é imprescindível na sociedade como conhecemos hoje, a economia e o desenvolvimento de nações dependem de seu potencial energético. A maior parte desse potencial é oriundo de formas de energia não renováveis, ou seja, queima de combustíveis fósseis que são fontes poluentes, causadoras do efeito estufa e alterações climáticas em todo planeta. Em nível mundial a busca por formas alternativas de energia, mais conhecida como energia limpa, é altamente discutida. Pesquisas em torno da utilização dessas fontes para a geração de energia elétrica crescem significativamente. É nesse contexto que a energia advinda do sol, energia solar, ganha espaço por ser considerada uma forma limpa e em abundância, segundo o Plano Nacional de Energia 2030 elaborado pelo Ministério de Minas e Energia com colaboração da Empresa de Pesquisa Energética (EPE), a energia irradiada sobre a terra é suficiente para atender dez mil vezes o consumo de energia no mundo.

Uma vantagem da geração de energia elétrica através da energia solar está na facilidade para se escolher o local onde elas podem ser instaladas. Tal fato é conhecido como Geração Distribuída, a qual veremos mais vantagens ao longo deste trabalho.

O objetivo do presente trabalho é realizar estudos elétricos sobre a conexão de uma unidade de Geração Distribuída, a rede elétrica, em um sistema teste (IEEE 14 Barras) dentro do Software Análise de Redes – ANAREDE desenvolvido pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL com a finalidade de realizar estudos de Fluxo de Potência.

Esse software foi escolhido por ser um software confiável e ser altamente utilizado no setor Elétrico Brasileiro.

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Introdução ₂ Tal estudo foi desenvolvido através de dados colhidos na Usina Solar Fotovoltaica da Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF. Mais conhecido como Laboratório Solar (LabSolar) da UFJF, foi construído em 2001 com apoio financeiro da FINEP e pelo trabalho desempenhado pelos Professores José Luiz Resende Pereira e Márcio Pinho Vinagre, o que levou o LabSolar a ocupar a posição de maior usina em potencial instalado (31,68 kWp) em uma instituição de ensino.

O trabalho está dividido em três capítulos, os quais serão brevemente descritos a seguir.

No Capítulo I é descrito um panorama da Geração Solar e da Geração Distribuída, bem como as principais características de cada uma. É apresentado também o laboratório Solar da UFJF e sua curva de geração ao longo de uma semana.

O Capítulo II apresenta a modelagem utilizada pelo sistema teste de confiabilidade do IEEE para se obter uma curva de carga no horizonte de uma semana. Além disso mostra também a rede elétrica utilizada, sistema IEEE 14 barras, e suas características.

No Capítulo III é apresentado como foi a metodologia utilizada, como as curvas de carga, a curva de geração da usina solar fotovoltaica e a rede IEEE 14 barras foram utilizadas para a apresentação dos resultados. Esses resultados foram obtidos dentro de patamares de carga e diferentes cenários.

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Capítulo I – Geração de Energia Elétrica através da Energia Solar

Capítulo I

Geração de Energia Elétrica Através da Energia Solar

A energia solar possui um grande potencial energético, ou seja, os raios solares que atingem a terra são suficientes para suprir em 10.000 vezes o consumo de energia no planeta. Sendo que apenas uma parte dessa energia advinda do sol pode ser aproveitada com os recursos tecnológicos disponíveis atualmente [3]. As tecnologias atuais que permitem captar energia solar e transformá-la em energia elétrica ou térmica estão divididas nas formas ativa e passiva, a saber:

 Ativa o Heliotérmica; o Fotovoltaica; o Solar Térmica.  Passiva o Aplicações da arquitetura.

Neste capitulo serão apresentadas as formas de captação da energia solar, como elas podem ser instaladas próximas aos consumidores de energia, caracterizando a Geração Distribuída e como está a regulamentação Brasileira desse tipo de procedimento. Com foco na Usina Solar da UFJF, será abordado como está estruturada e como os dados obtidos contribuíram para o desenvolvimento do presente trabalho.

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Capítulo I – Geração de Energia Elétrica através da Energia Solar ₄

I.1 Energia Solar

I.1.1. Energia Solar Heliotérmica

Para a captação da energia solar heliotérmica é necessário que seja instalada em um local com alto índice de raios solares, baixa intensidade de nuvens e baixo índice pluviométrico.

Alguns exemplos de Usinas Solares Heliotérmica e seus diversos coletores podem ser vistas na Figura 1.

a)Coletor Cilindrico Parabólico 1_{b) Coletor Torre Central}2

c) Coletor Disco Parabólico3

Figura 1 - Tipos de Coletores, captação Heliotérmica

Com a otimização de quatro fatores: coleta de irradiação solar, conversão em calor, transporte e armazenamento do calor, essa técnica utiliza coletores que podem ser dos seguintes tipos: cilindro parabólico, torre central ou disco parabólico, que concentram a irradiação solar na forma de calor e gerar energia elétrica.

1_{http://www.cresesb.cepel.br/content.php?cid=561}

2_{http://pedesenvolvimento.com/2012/07/17/referencia-nacional-em-energia-solar/} 3_{http://pedesenvolvimento.com/2012/07/17/referencia-nacional-em-energia-solar/}

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Capítulo I – Geração de Energia Elétrica através da Energia Solar I.1.2. Energia Solar Térmica

A energia solar térmica é obtida através de coletores planos com objetivo de gerar calor para o aquecimento de água no uso doméstico ou para secagem e aquecimento em algum processo industrial.

Esse tipo de captação tem se tornado uma opção técnica e econômica muito atrativa tanto para o consumidor quanto para a concessionária de energia. Devido ao uso em residências, substituindo dessa forma o chuveiro elétrico, ocorre uma economia de energia por parte do consumidor e uma redução da curva de carga da concessionaria no horário de pico.

Um exemplo desse tipo de captação de energia é mostrada na Figura 2.

Figura 2 - Coletor Plano - Energia Solar Térmica4 I.1.3. Energia Solar Fotovoltaica

A energia solar fotovoltaica, foco do trabalho apresentado, é uma forma direta de obtenção da energia elétrica e consiste na captação dos raios solares utilizando células fotovoltaicas. Ao receber a incidência de luz as propriedades dessas células são alteradas gerando um campo elétrico e por sua vez uma corrente elétrica proporcional à intensidade luminosa. As células são agregadas em série, formando os módulos e a conexão destes em série e em paralelo formam o chamado painel fotovoltaico. A Figura 3 mostra os painéis fotovoltaicos da Usina Solara da UFJF.

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Capítulo I – Geração de Energia Elétrica através da Energia Solar ₆ Figura 3 - Painéis Fotovoltaicos do LabSolar da UFJF5

Existem ainda dois sistemas distintos, o isolado e conectado à rede elétrica. O isolado destina-se a cargas ou regiões isoladas onde não há viabilidade econômica de acesso à rede. O Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede (SFCR), sistema utilizado pelo LabSolar da UFJF, funciona como uma complementação ao sistema de geração convencional, uma vez que ela está em operação em uma parte do dia, ou seja, enquanto tem irradiação solar.

O SFCR interage facilmente com o ambiente construído, podendo ser instalados em telhados ou fachadas de edifícios. Uma vez conectados próximos à carga, ou seja, utilização da Geração Distribuída que veremos mais adiante, observamos uma redução nas perdas elétricas em linhas de transmissão e distribuição, além de auxiliar na curva de carga do Sistema Elétrico. Essa técnica é amplamente difundida em países como Alemanha, Japão e Estados Unidos onde há investimentos pesados nessa tecnologia [8].

I.2 Geração Distribuída

A geração distribuída pode ser definida de várias formas, dentre elas a mais completa está na norma da Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL como se segue: “uma pequena central geradora próxima à carga conectada a rede de distribuição não despachada de forma centralizada” [5]. Com esse

5

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conceito juntamente com a co-geração ou na utilização de fontes renováveis de energia torna-se uma alternativa sustentável, evitando a expansão dos subsistemas de geração de energia elétrica. Uma vez que temos a geração próxima dos centros consumidores, evita-se a construção de novas usinas de grande porte e linhas de transmissão, que geram uma significativa degradação do meio-ambiente seja pelo desmatamento, alagamento de áreas ou emissão de gases poluentes.

A Figura 4 ilustra um sistema elétrico, na qual primeiramente temos um sistema convencional, geração, transmissão, distribuição até a chegada aos consumidores, no segundo quadro da figura observamos a conexão de GD próximo a carga, postergando investimentos para expansão dos subsistemas elétricos.

Figura 4 - Metodologia da Geração Distribuída6

A Geração Distribuída vem ganhado espaço, sendo necessária sua regulamentação cada vez mais especifica, a seguir introduziremos alguns conceitos dos regulamentos da ANEEL.

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Capítulo I – Geração de Energia Elétrica através da Energia Solar ₈ I.3 Regulamentação Brasileira da Geração Distribuída

A ANEEL traz no Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica – PRODIST – Módulo 3 (última revisão em 19 de abril de 2012), aspectos técnicos e operacionais para estabelecer as condições de acesso ao sistema de distribuição, conexão e uso.

Pode-se destacar na resolução nº 482 de 17 de abril de 2012 que estabelece uma visão mais específica para microgeração e minigeração distribuída ao sistema de distribuição de energia elétrica:

Art. 2º Para efeitos desta Resolução, ficam adotadas as seguintes definições:

I - microgeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 100 kW e que utilize fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras;

II - minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada superior a 100 kW e menor ou igual a 1 MW para fontes com base em energia hidráulica, solar,

eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme

regulamentação da ANEEL, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras;

III - sistema de compensação de energia elétrica: sistema no qual a energia ativa gerada por unidade consumidora com microgeração distribuída ou minigeração distribuída compense o consumo de energia elétrica ativa. [5]

Em primeira análise do PRODIST – Módulo 3, pode-se retirar os principais quesitos técnicos para a conexão ao sistema de distribuição por parte dos acessantes com geração própria, mostrado na Tabela 1. O acessante e conceituado como qualquer consumidor que conecte suas instalações elétricas a rede de distribuição da concessionária [2].

Outras responsabilidades podem ser observadas [2]:

 Não reduzir a flexibilidade de recomposição do sistema de distribuição;  O paralelismo não pode causar problemas técnicos ou de segurança ao

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 Único responsável pela sincronização com o sistema de distribuição;  Desfazer o paralelismo em caso de desligamento, antes da subsequente

tentativa de religamento;

 Estudos para avaliar no ponto de conexão, nível de curto-circuito, capacidade de disjuntores, transformadores e barramentos, ajustes dos parâmetros dos sistemas de controle de tensão e frequência para conexões em AT.

Relação entre Tensão, Potência Instalada e Proteção

Corrente

Frequencia = 60 Hz 0,92 < Fator de Potência < 1,00 Indutivo ou Capacitivo

Alternada Tensão de

Sistema Tensão

Nominal * Potência Instalada

Equipamento de Proteção Conexão BT Monofásico 254V/127V < 10KW Elemento de desconexão, Elemento de interrupção, Proteção de sub e sobretensão/frequência. 220V/440V Trifásico 127V/220V 10kW a 500kW Elementos anteriores mais Transformador de acoplamento. 220V/380V MT - 13,8kV 76kW a 30MW Elemento da proteção de BT Trifásico porém para valores maiores que 500kW de Potência instalada deve-se usar a

proteção de AT. 34,5kV AT - 69kV > 501kW Elemento da proteção de BT Trifásico mais Proteção contra desiquilíbrio de corrente, Proteção contra desbalanço de tensão, sobrecorrente direcional, sobrecorrente com restrição de tensão. 138kV

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Capítulo I – Geração de Energia Elétrica através da Energia Solar ₁₀ É com os conceitos introduzidos nos itens anteriores, regulamentação, Geração Distribuída e o panorama da Energia Solar, que veremos a seguir a estruturação da Usina Solar da UFJF.

I.4 A Usina Solar da UFJF

A Usina Solar da UFJF é formada por 264 painéis fotovoltaicos de 120Wp cada e agrupados em 11 arranjos chegando a uma capacidade instalada de 31kWp [6], sendo 6 arranjos conectados a rede de distribuição da instituição e os demais destinados a pesquisas.

A Figura 5 mostra a ligação dos seis arranjos agrupados em pares e paralelos seguidos pelos inversores CC-CA Sunny Boy SB 5000S e conectados à rede de 6,6 kV da UFJF.

Figura 5 - Esquemático da ligação dos painéis fotovoltaicos da UFJF [10]

A fim de se realizar os estudos necessários de uma unidade geradora (Geração Distribuída) utilizando um Sistema Fotovoltaico Conectado a Rede da UFJF a coleta de dados na saída dos inversores apresentou, no período de uma semana, uma curva de geração conforme Figura 6.

Essa curva de geração é um gráfico onde podemos ver em um intervalo de tempo a geração de potência ativa de uma unidade geradora.

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Figura 6 - Curva de Geração da Usina Fotovoltaica da UFJF

Podemos observar na Figura 6 a variação da geração de potência ativa (kW) em diferentes horários do dia. A Usina começa a entrar em operação por volta das 6 horas da manhã e aumenta gradativamente sua geração chegando ao pico por volta das 12 ou 13 horas da tarde, sol a pino, e termina por volta das 18 horas. Encontramos diferença na magnitude de geração de um dia para o outro e pequenos picos, isso devido a diferentes intensidades dos raios solares e horários em que o céu ficou encoberto por nuvens.

Para a simulação no software ANAREDE a curva de geração do LabSolar da UFJF, será normalizada, ou seja, para cada ponto da curva teremos um valor percentual da geração máxima, Figura 7. Essa geração máxima será alterada durante nosso estudo a fim de simular diferentes penetrações de Energia Elétrica oriunda da Energia Solar Fotovoltaica.

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00

Domingo Segunda Terça Quarta Quinta Sexta Sábado

P ot ên cia Ati va (kW p ) Tempo (h)

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Capítulo I – Geração de Energia Elétrica através da Energia Solar ₁₂ Figura 7 - Curva de Geração da Usina Fotovoltaica da UFJF Normalizada

Essa normalização auxiliará na modelagem do problema, como será descrito no próximo capítulo, veremos a curva de carga do modelo IEEE, os quais seus valores encontram-se em percentuais.

. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Pot ê n ci a Ati va (p u ) Tempo (h)

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Capítulo II – Curva de Carga e o Sistema IEEE14barras

Capítulo II

Curva de Carga e o Sistema IEEE 14 Barras

A curva de Carga é um gráfico, no qual podemos ver em um intervalo temporal o consumo de Potência Ativa para um determinado sistema elétrico. Esse intervalo de tempo pode ser diário, semanal, mensal ou até mesmo anual. O consumo pode ser de apenas um consumidor residencial ou industrial, de um grupo, uma região, um estado ou um país.

A curva utilizada em nosso estudo é apresentada no presente capítulo no intervalo semanal de um sistema teste modelado por [7]. Veremos ainda um modelo de sistema elétrico conhecido como IEEE 14 barras, sistema utilizado para realizar os estudos da curva de geração da Usina Solar da UFJF com a curva de carga.

II.1 Modelagem da Curva de Carga do Sistema IEEE

O Sistema Teste de Confiabilidade modelado por [7] descreve um sistema para ser utilizado em análise de confiabilidade de Sistemas Elétricos de Potência de uma maneira ampla para fundamentar os estudos elétricos de tal sistema, podendo ser complementado pelo usuário.

O sistema consiste em uma curva de carga, na qual pode-se obter curvas para diferentes horizontes de tempo de acordo como o estudo que se deseja aplicar. Para o levantamento de tal curva foi utilizado um sistema elétrico com 32 unidades geradoras variando de 12 a 400 MW, 24 barras conectadas a 38 linhas de transmissão com tensões de 138 ou 230 kV.

De tal forma utilizaremos a modelagem de carga no intervalo de uma semana, domingo a sábado, utilizando a Tabela 2 e a Tabela 3 chegamos a curva de carga da Figura 8.

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Capítulo II – Curva de Carga e o Sistema IEEE14barras ₁₄ Dia Pico de Carga

(%) domingo 75 segunda-feira 93 terça-feira 100 quarta-feira 98 quinta-feira 96 sexta-feira 94 sábado 77

Tabela 2 - Pico de demanda em percentual dos dias da semana

Hora

Inverno Verão Outono/Primavera dia de semana fim de semana dia de semana fim de semana dia de semana fim de semana 1 67 78 64 74 63 75 2 63 72 60 70 62 73 3 60 68 58 66 60 69 4 59 66 56 65 58 66 5 59 64 56 64 59 65 6 60 65 58 62 65 65 7 74 66 64 62 72 68 8 86 70 76 66 85 74 9 95 80 87 81 95 83 10 96 88 95 86 99 89 11 96 90 99 91 100 92 12 95 91 100 93 99 94 13 95 90 99 93 93 91 14 95 88 100 92 92 90 15 93 87 100 91 90 90 16 94 87 97 91 88 86 17 99 91 96 92 90 85 18 100 100 96 94 92 88 19 100 99 93 95 96 92 20 96 97 92 95 98 100 21 91 94 92 100 96 97 22 83 92 93 93 90 95 23 73 87 87 88 80 90 24 63 81 72 80 70 85

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Capítulo II – Curva de Carga e o Sistema IEEE14barras

Figura 8 - Curva de Carga do Sistema Teste de Confiabilidade IEEE

A presente curva de carga será atribuída a cada barra que possua carga, conhecida como barra de carga, do sistema IEEE 14 barras descrito a seguir.

II.2 Sistema IEEE 14 Barras

O sistema utilizado para a solução do Fluxo de Potência das curvas de Carga e Geração da Usina Solar da UFJF foi o IEEE 14 barras mostrado na Figura 9 com os dados desse sistema apresentado na Tabela 4.

O Fluxo de Potência se resume em um cálculo para determinação do estado da rede elétrica, módulo e fase das tensões, distribuição dos fluxos entre outros dados de interesse.

Parâmetros Quantidade

Barras 14

Barras de Geração 5

Circuitos 20

Carga Ativa Total 497.2 Carga Reativa Total 141.1

Tabela 4 - Dados do Sistema IEEE 14 Barras 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1 8 ₁₅ ₂₂ ₂₉ ₃₆ ₄₃ ₅₀ ₅₇ ₆₄ ₇₁ ₇₈ ₈₅ ₉₂ ₉₉ 10 6 11 3 12 0 12 7 13 4 14 1 14 8 15 5 16 2 Pot ê n ci a Ati va (% ) Tempo (h)

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Capítulo II – Curva de Carga e o Sistema IEEE14barras ₁₆ Figura 9 - Diagrama Unifilar do Sistema IEEE 14 barras

Além dos dados da Tabela 4, o sistema apresenta bancos de capacitores, em destaque na Figura 9, conhecidos como bancos Shunt, que atuam no suporte de potência reativa no sistema elétrico mantendo suas barras com as tensões em valores adequados, veremos mais detalhes adiante.

II.2.1 Chaveamento de Bancos Shunt

Os bancos de capacitores ou reatores são altamente utilizados nos sistemas elétricos de potência para o suporte de potência reativa à rede, sendo uma opção economicamente atraente.

Com a complexidade dos sistemas elétricos de potência temos problemas em manter o sistema em faixas operativas aceitáveis. O chaveamento de tais bancos auxilia o sistema a manter as tensões das barras as quais estão conectados nessa faixa operativa.

(27)

Capítulo II – Curva de Carga e o Sistema IEEE14barras Barra Número de Bancos Valor de cada banco (MVAr) 4 5 20 5 5 20 9 1 19

Tabela 5 - Configuração dos bancos shunt do Sistema IEEE 14 barras

O sistema IEEE 14 barras apresenta a configuração de bancos shunt conforme a Tabela 5.

São com os dados apresentados nesse capítulo que poderemos ver no capítulo III a metodologia utilizada para obter os resultados do estudo elétrico desenvolvido neste trabalho.

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Capítulo III – Resultados ₁₈

Capítulo III

Modelagem e Resultados

Agora com os conceitos apresentados nos capítulos anteriores podemos realizar os estudos elétricos, onde temos o Sistema Elétrico IEEE 14barras com uma modificação que será apresentada adiante, a curva de carga do sistema teste IEEE, Figura 8, e a curva de geração da usina fotovoltaica da UFJF, Figura 7.

Os estudos consistem em realizar através do software ANAREDE o fluxo de potência da rede para cada ponto das curvas de carga e geração e verificar seu estado, ou seja, tensões em módulo e fase das diversas barras.

Serão apresentados neste capítulo, dois casos distintos utilizando as curvas de carga e geração, onde a diferença entre elas é um deslocamento no tempo. Dentro desses casos podemos estabelecer o fluxo de potência com fator de potência unitário e com controle de tensão na barra 14 que, por sua vez, aplicaremos seis cenários os quais a variação está na penetração de energia elétrica oriunda de energia solar fotovoltaica, isso pode ser melhor ilustrado na Figura 10.

(29)

Capítulo III – Resultados

A seguir mais detalhes de cada fluxo de potência dentro dos casos e cenários.

III.1 Inclusão da curva de Geração e Carga.

Para inserir a Geração da Usina Solar da UFJF foi incluído no sistema IEEE 14 barras uma 15ª barra ligada a barra de número 14 com uma linha de baixa impedância, conforme demonstrado na Figura 11. Ao inserir a 15ª barra mantemos as demais barras do sistema permanecem inalteradas, preservando o sistema original, verificaremos o comportamento antes e depois da penetração de energia através da geração solar.

Uma vez que a curva de Geração está normalizada, ou seja, em percentual, precisamos de um valor nominal como base para percorremos a curva, que por sua vez será chamado de penetração de energia solar e será aplicado para diferentes cenários.

Os cenários são apresentados na Tabela 6, onde a carga total do sistema IEEE 14 barras no valor de 497,2 MW (Tabela 4) será amortizada pela penetração de energia solar. Cabe lembrar que a carga das barras estão dobradas em relação ao sistema original. Cenário % de Penetração* Penetração em MW* 1 0% 0 2 5% 24.9 3 10% 49.7 4 20% 99.4 5 30% 149.2 6 50% 248.6

* Em relação a Carga Total

Tabela 6 - Valores de Penetração de Energia Solar em diferentes cenários

Agora em cada cenário será aplicada a curva de Geração normalizada do LabSolar da UFJF, assim podemos verificar o estado do sistema para diferentes penetrações e compara-los.

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Capítulo III – Resultados ₂₀ Figura 11 – Diagrama Unifilar do Sistema IEEE 14 barras modificado

A mesma Curva de Carga da Figura 8 será atribuída a cada barra de carga do sistema em todos os cenários apresentados. Podemos destacar as barras de carga na cor verde na Figura 11 e seus valores nominais de potência ativa na Tabela 7. Nº da Barra Barra tipo Carga (MW) 2 Geração 41.66 3 Geração 180.8 4 Carga 91.76 5 Carga 14.59 6 Geração 21.5 9 Carga 56.63 10 Carga 17.28 11 Carga 6.719 12 Carga 11.71 13 Carga 25.92 14 Carga 28.6 Carga Total 497.2

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Figura 12 - Curva de Carga e de Geração do LabSolar da UFJF

Para elucidar, podemos ver as curvas de carga e geração juntas na Figura 12, durante a execução do fluxo de potência a barra 15 percorre a linha na cor azul e as barras de carga percorrem a linha na cor verde. Lembrando que os valores da Figura 12 estão em percentual.

É importante verificarmos os pontos onde a curva de geração da Usina Fotovoltaica da UFJF começa e termina de injetar potência ativa na rede que auxiliará nas analises:

 Ponto 7 a 18, 07:00 às 18:00 de Segunda;  Ponto 31 a 42, 07:00 às 18:00 de Terça;  Ponto 55 a 66, 07:00 às 18:00 de Quarta;  Ponto 79 a 90, 07:00 às 18:00 de Quinta;  Ponto 103 a 114, 07:00 às 18:00 de Sexta;  Ponto127 a 138, 07:00 às 18:00 de Sábado;  Ponto 151 a 162, 07:00 às 18:00 de Domingo. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Per ce n tu al (% ) Tempo (h) Curva de Carga e Geração

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Capítulo III – Resultados ₂₂ III.2 Resultado para o 1º Caso

No primeiro caso temos as curvas de carga e geração da Usina Solar da UFJF como mostrado na Figura 12, onde o pico de geração coincidiu com horários de ponta da curva de carga do sistema teste IEEE.

Serão analisados os dados de cada barra do sistema após a execução do fluxo de potência em cada cenário descrito no item anterior.

III.2.1 Barra do tipo Referência

A barra de referência é uma barra onde temos o valor especificado da tensão em módulo e fase. Ela tem função de dar a referência angular e realizar o balanço de potência, ou seja, contabilizar as perdas do sistema, pois a soma das perdas mais a carga tem que ser igual à geração, equação 1.

Gerado Demandado Perdas

P P P (3.1) Nessa barra de acordo com as equações do fluxo de potência calculamos a Potência Ativa e Reativa.

No sistema IEEE 14barras a barra de referência é a barra de número 1, como podemos ver na Figura 11, nela encontramos os resultados para potência gerada com fator de potência unitário e controle de tensão entre os cenários apresentados na Figura 13 e Figura 14, respectivamente.

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Figura 13 - Geração de Potência Ativa na barra 1 com fator de Potência Unitário

À medida que variamos a penetração de energia solar nos cenários propostos na Tabela 6 há uma amortização de geração de potência ativa na barra de referência de acordo que se aumenta a penetração de energia solar. Essa redução na geração da barra1 ocorre intervalos destacados no item III.1., ou seja, no momento em que temos injeção de potência ativa oriunda da usina solar.

Figura 14 - Geração de Potência Ativa na barra 1 com Controle de Tensão

Um comportamento semelhante pode ser observado entre a geração da barra 1 com fator de potência unitário e com controle de tensão. Podemos observar 200 250 300 350 400 450 500 550 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Pot ê n ci a Ati va (M W) Tempo (h)

Geração de Potência Ativa Barra 1 - Fator de Pot Unitário

Sem Geração 5% 10% 20% 30% 50% 200 250 300 350 400 450 500 550 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Pot ê n ci a Ati va Tempo (h)

Geração de Potência Ativa Barra 1 - Controle de Tensão

(34)

Capítulo III – Resultados ₂₄ um pequeno aumento inicial de geração de potência ativa entre a linha sem geração e as demais, pois a barra 14 passa a ser uma barra de geração, para fazer o controle de tensão, sendo assim a carga desta barra para de variar de acordo com a curva de carga e passa a ser fixa, elevando a geração de potência ativa na barra de referência.

III.2.2 Barra do tipo Geração

A barra do tipo geração é a barra onde temos a potência ativa e modulo da tensão especificada para a solução do fluxo de potência.

Em nosso sistema as barras de número 2, 3, 6 e 8 são as barras de geração, nelas encontraremos o valor da potência reativa gerada. Em nosso estudo essas barras seguiram um mesmo comportamento, como exemplo de uma barra eletricamente distante e outra eletricamente próxima, veremos a geração de potência reativa das barras 2 e 8 na Figura 15 e Figura 16, respectivamente.

Figura 15 - Geração de Potência Reativa Barra 2 com fator de potência Unitário

De acordo com os gráficos apresentados na Figura 15 e Figura 16, a geração de potência reativa nas duas barras chegam em alguns pontos ao limite de geração nos momentos em que entra em operação a Usina Solar, neste momento a tensão de cada barra que inicialmente era especificada, no caso -40 -20 0 20 40 60 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Pot ê n ci a R e ativ a (M VA r) Tempo (h)

Geração de Potência Reativa Barra 2 - Fator de Pot Unitário

(35)

das barras 2 e 8 em 1 e 1.05 pu de Volt respectivamente, é liberada para variar.

Figura 16 - Geração de Potência Reativa Barra 8 com fator de Potência Unitário

A Seguir veremos os gráficos da tensão nas barras 2 e 8, Figura 17 e Figura 18respectivamente.

Figura 17 - Perfil de Tensão Barra 2 com fator de potência unitário

O Perfil de Tensão das barras 2 e 8 são mantidos em seus valores especificados enquanto a geração de potência reativa está variando, quando está geração chega ao limite, ou seja, não podendo mais dar suporte de potência reativa, a tensão é liberada para a variar, cabe ressaltar que a tensão nas barras variam dentro dos limites operativos aceitáveis entre 0.95 e 1.05 pu de Volt. -2 3 8 13 18 23 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Pot ê n ci a R e ativ a (M VA r) Tempo (h)

Geração de Potência Reativa Barra 8 - Controle de Tensão

Sem Geração 5% 10% 20% 30% 50% 0,98 0,99 1 1,01 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Ten são (p u -V) Tempo (h)

Perfil de Tensão da Barra 2 - Fator de Pot Unitário

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Capítulo III – Resultados ₂₆ Figura 18 - Perfil de Tensão barra 8 com fator de potência unitário

A variação de geração de potência reativa das barras de geração não apresentou uma tendência uniforme entre os cenários estudados. Mesmo com o aumento de 5% até 50% de penetração de energia solar não se verificou um aumento ou diminuição de potência reativa uniforme.

III.2.3 Barra do tipo Carga

Para solução do fluxo de potência, temos na barra de carga as potências Ativa e Reativa com seus valores especificados e calculamos a tensão da própria barra.

Será apresentada a tensão nas barras de carga número 4, 5 e 9, Figura 19, Figura 22 e Figura 25, que possuem bancos de capacitores com chaveamento automático, bem como a curva com a potência reativa injetada devido a entrada ou saída de cada banco na sua respectiva barra.

1 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1 8 ₁₅ ₂₂ ₂₉ ₃₆ ₄₃ ₅₀ ₅₇ ₆₄ ₇₁ ₇₈ ₈₅ ₉₂ ₉₉ 10 6 11 3 12 0 12 7 13 4 14 1 14 8 15 5 16 2 Ten são (p u -V) Tempo (h)

Perfil de Tensão da Barra 8 - Controle de Tensão

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Figura 19 - Perfil de Tensão da barra 4 com controle de tensão

A tensão na barra 4, mais distante eletricamente em relação as barras 5 e 9, é apresentada utilizando o método de controle de tensão afim de mostrar que o chaveamento permanece constante para todos os cenários, figura, não havendo então alívio ou necessidade de suporte adicional de reativo para essa barra. Entretanto podemos ver que a tensão varia, mas sem violar os limites operativos.

Figura 20 - Chaveamento de banco Shunt da barra 4 com controle de tensão

Neste ponto podemos comparar o chaveamento dos bancos de capacitores da barra 4 utilizando o controle de tensão, Figura 20, e utilizando o fator de potência unitário, Figura 21. Com fator de potência unitário pode-se verificar um maior chaveamento, mesmo para os cenários de 5% e 50% onde para as horas iniciais tem uma menor injeção de potencia reativa em relação ao 0,95 0,97 0,99 1,01 1,03 1,05 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Ten são (p u -V) Tempo (h)

Sem Geração 5% 10% 20% 30% 50% 0 20 40 60 80 100 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Pot ê n ci a R e ativ o ( M VA r) Tempo (h)

Chaveamanto Banco Shunt da Barra 4 - Controle de Tensão

(38)

Capítulo III – Resultados ₂₈ cenário sem geração solar, sendo o ideal para o sistema um menor número de manobras por parte de seus equipamentos.

Figura 21 - Chaveamento de banco shunt barra 4 com fator de potência unitário

Para a Barra 5 pode-se perceber que a tensão permanece entre 0.95 a 1.05 pu de Volt para todos os cenários estudados, mas com uma necessidade maior de manobras por parte de seus bancos de capacitores apresentado na Figura 23.

Figura 22 - Perfil de tensão da barra 5 com fator de potência unitário 50 60 70 80 90 100 110 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 P ot ên cia R eati vo (M VA r) Tempo (h)

Chaveamento Banco Shunt Barra 4 - Fator de Pot Unitário

Sem Geração 5% 10% 20% 30% 50% 0,94 0,96 0,98 1 1,02 1,04 1,06 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Ten são (p u -V) Tempo (h)

(39)

Novamente o método do fator de potência unitário apresentou um maior número de manobras de capacitores como se pode comparar na com a Figura 24.

Figura 23 - Chaveamento de banco shunt da barra 5 com fator de potência unitário

Independente do cenário analisado entre os chaveamentos, não é possível observar uma tendência das manobras entre os percentuais de penetração de energia solar, apenas uma exigência maior de chaveamento entre os métodos analisados.

Figura 24 - Chaveamento de banco shunt da barra 5 com controle de tensão

Chegando mais próximo eletricamente da barra 14, onde estamos efetuando os métodos de controle de tensão ou fator de potência unitário especificando o tipo desta barra, temos na barra 9 um banco de capacitores no valor de 19 MVAr, Tabela 5. Para o caso em estudo onde temos uma carga pesada, ou 0 20 40 60 80 100 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Pot ê n ci a R e ativ o (M VA r) Tempo (h)

Sem Geração 5% 10% 20% 30% 50% 0 20 40 60 80 100 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 P ot ên cia R eati va (M VA r) Tempo (h)

Chaveamento Banco Shunt Barra 5 - Controle de Tensão

(40)

Capítulo III – Resultados ₃₀ seja, temos um alto carregamento no sistema, torna insuficiente a quantidade de potência reativa injetada pelo banco shunt de 19 MVAr para se controlar a tensão em alguns pontos da curva. Tal fato pode ser observado na figura em que para alguns cenários a tensão afunda abaixo de 0.95 pu de Volt.

Figura 25 - Perfil de tensão da barra 9 com fator de potência unitário

Analisando os métodos utilizados para o chaveamento automático do banco shunt na barra 9, notamos que a maior parte do tempo nos dois métodos o banco ficou ligado efetuando menos manobras do que a curva sem injeção de potência ativa oriunda da energia solar, porém, o valor de reativo do banco foi insuficiente. 0,9 0,92 0,94 0,96 0,98 1 1,02 1,04 1,06 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Ten são (p u -V) Tempo (h)

(41)

Figura 26 - Chaveamento de banco shunt da barra 9 com fator de potência unitário

Utilizando o controle de tensão, foi possível obter um menor número de chaveamentos em relação ao de fator de potência unitário na barra 9, Figura 26 e Figura 27.

Figura 27 - Chaveamento de banco shunt da barra 9 com controle de tensão

Em todas as barras com banco de capacitores conectados às mesmas, podemos comparar os métodos utilizados. O controle de tensão na barra 14 apresentou um menor número de chaveamentos, isso ocorre ao passarmos a barra 14 para o tipo barra de geração, ou seja, ela passa a ter sua tensão controlada em um valor fixo e por consequência passa a dar suporte de potência reativa. 0 5 10 15 20 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Pot ê n ci a R e ativ a (M VA r) Tempo (h)

Sem Geração 5% 10% 20% 30% 50% 0 5 10 15 20 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Pot ê n ci a R e ativ a (M VA r) Tempo (h)

Chaveamento Banco Shunt Barra 9 - Controle de Tensão

(42)

Capítulo III – Resultados ₃₂ Para analisarmos o perfil de tensão das barras de carga sem banco de capacitores é de grande importância observarmos o comportamento da barra 14, por estar diretamente conectada a barra representativa da Usina Solar Fotovoltaica ela é um bom exemplo entre essas barras. As demais barras de carga expõem o mesmo comportamento.

a) Perfil de tensão da barra 14 nos cenários 1, 2 e 3 com fator de potência unitário.

b) Perfil de tensão da barra 14 nos cenários 4, 5 e 6 com fator de potência unitário.

Figura 28 - Perfil de tensão da barra 14 fator de potência unitário (a) e (b). 0,890,9 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,991 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Ten são (p u ) Tempo (h)

Sem Geração 5% 10% 20% 30% 50% 0,9 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,991 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Ten são (p u ) Tempo (h)

Sem Geração 5% 10% 20% 30% 50%

Diferença devido sentido do fluxo

Ponto 12-Cenário 6-Queda de tensão

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Neste momento, não estamos interessados em observar violações de limites operativos uma vez que a carga do sistema está aumentada para os estudos com o chaveamento dos bancos de capacitores.

Analisando o comportamento da barra 14, Figura 28, em todos os cenários e pontos ao longo da curva pode-se destacar algumas ocorrências benéficas ou não para o sistema.

Inicialmente, pontos de 0 a 7, ocorrem descolamentos das curvas nos cenários de 5% e 10% em relação ao cenário sem geração, sendo que o cenário de 5% fica com valores abaixo do sem geração e o de com valores 10% fica acima.

Pontos de 7 a 18, onde temos penetração de energia solar, observamos para o cenário 2 uma diminuição da tensão em relação ao cenário 1, isso devido a barra estar recebendo fluxo de potência oriunda do sistema. Os demais cenários temos uma elevação da tensão à medida que mudamos de um cenário menor para o maior. Ao sairmos do cenário 2 e analisarmos o cenário 3, verificamos uma inversão de fluxo, ao invés da barra 14 receber energia do sistema ela começa a ceder potência ocasionando a elevação da tensão nos cenários posteriores e acima do 1º cenário.

Nos pontos 12, 84 e 134, notamos uma tendência nos cenários 3, 4 e 5 de aumento da tensão, porem no cenário 6 há uma queda de tensão, pois para esse cenário temos um maior fator de penetração de energia solar, em um instante anterior a esses pontos a curva esta no pico de geração do dia, logo em seguida temos uma rampa de descida acentuada, para o sistema é como entrássemos com uma grande carga com isso o comportamento é realmente termos uma queda de tensão. Cabe salientar que esta é uma análise estática, ou seja, trabalhando com pontos de operação do sistema, para uma análise dinâmica teríamos um aumento de carga muito rápido sendo necessário uma geração de backup capaz de responder a essa variação brusca de carga. Observando todos os cenários de penetração de energia solar, em comparação ao cenário 1, temos pontos de tensão abaixo e outros acima. À medida que percorremos as curvas de geração e carga, temos pontos em que

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Capítulo III – Resultados ₃₄ a geração solar supera a carga da barra 14, tensão fica acima do cenário 1, cedendo energia para o restante do sistema, em outros pontos a carga supera a penetração solar ocasionando o comportamento contrário. Este fato pode ser mais facilmente observado no cenário 2, em que 5% de penetração de energia solar, onde as variações foram maiores.

Figura 29 - Perfil de tensão da barra 14 com controle de tensão

Voltando para o método de controle de tensão na barra 14, ela não se torna tão atraente para explorar nosso estudo, uma vez que sua tensão permanece controlada em seu valor especificado, Figura 29.

Podemos observar qualquer barra de carga por elas terem o mesmo comportamento. Escolheremos a barra 13 como exemplo.

Figura 30 - Perfil de tensão da barra 13 com controle de tensão 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Ten são (p u -V) Tempo (h)

Sem Geração 5% 10% 20% 30% 50% 0,94 0,96 0,98 1 1,02 1,04 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Ten são (p u ) Tempo (h)

(45)

Temos um afundamento de tensão na medida em que aumentamos a penetração de energia solar nos diversos casos, pois a barra 13 recebe potência do sistema e parte dela e enviada para a barra 14, com o aumento da penetração de energia solar a barra 13 começa a receber potência da barra 14 havendo essa diminuição da tensão. Cabe lembrar que temos violações de limites operativos da tensão em todas as barras de carga devido ao aumento da carga original do sistema para estudarmos o chaveamento de bancos Shunt.

III.3 Resultado para o 2º Caso

Como segunda fase do estudo temos as curvas de carga e geração da Usina Solar da UFJF como mostrado na figura, onde o pico de geração está no vale da curva de carga do sistema teste IEEE.

O intuito desse segundo caso com a curva deslocada no tempo é analisar o sistema quando temos penetração de energia solar em um outro patamar de carga.

Figura 31 - Curvas de carga e geração para o 2º caso 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Per ce n tu al (% ) Tempo (h)

Curva de Carga e Geração deslocada no tempo

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Capítulo III – Resultados ₃₆ Serão analisados os dados de cada barra do sistema após a execução do fluxo de potência em cada cenário de forma semelhante ao primeiro caso.

III.3.1 Barra de referência

De forma análoga ao caso 1, a barra de referência do sistema teve um abatimento de geração nos pontos onde há penetração de energia solar e vai decaindo à medida que caminhamos do cenário 1 para o 6, ou seja, aumentando a injeção de potência oriunda da usina solar fotovoltaica, Figura 32.

Figura 32 - Geração de Potência ativa da barra 1 com fator de potência unitário caso 2

Esse mesmo comportamento pode ser verificado utilizando o controle de tensão na barra 14, segundo método utilizado no estudo.

III.3.2 Barra do tipo Geração

Analisando as barras de geração para o 2º caso do estudo, todas apresentaram um mesmo desempenho para o perfil de tensão e geração de potência reativa. 150 200 250 300 350 400 450 500 550 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Pot ê n ci a Ati va (M W) Tempo (h)

Geração de Potência Ativa Barra 1 - Fator de Pot Unitário

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Figura 33 - Perfil de tensão da barra 2 com controle de tensão no 2º caso

Na Figura 33, temos o exemplo da barra de geração 2, onde para os nossos cenários aplicados nota-se que o valor da tensão se manteve o mesmo para os cenários 2, 3, 4 e 5. O perfil de tensão em alguns pontos, apresentou diferença no cenário 1, sem injeção de potência ativa vinda da Usina Fotovoltaica, e no cenário 6 com uma alta penetração de energia solar.

Figura 34 - Geração de Potência Reativa da barra 2 com controle de tensão para o 2º caso Nos pontos de penetração de energia solar, agora com uma carga leve, observa-se uma tendência na geração de reativo nas barras de geração na medida em que aumentamos a injeção de potência ativa da usina 0,975 0,98 0,985 0,99 0,995 1 1,005 1,01 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Ten são (p u -V) Tempo (h)

Sem Geração 5% 10% 20% 30% 50% -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 1 7 ₁₃ ₁₉ ₂₅ ₃₁ ₃₇ ₄₃ ₄₉ ₅₅ ₆₁ ₆₇ ₇₃ ₇₉ ₈₅ ₉₁ ₉₇ 10 3 10 9 11 5 12 1 12 7 13 3 13 9 14 5 15 1 15 7 16 3 Pot ê n ci a R e ativ a (M VA r) Tempo (h)

Geração de Potência Reativa Barra 2 - Controle de Tensão

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Capítulo III – Resultados ₃₈ fotovoltaica, ou seja, há uma diminuição da energia reativa cedida ao sistema até mesmo em alguns momentos a barra passa a consumir reativo.

Com o fator de potência unitário as barras de geração tiveram o mesmo desempenho das barras com controle de tensão, sendo a barra 2 um bom exemplo.

III.3.3. Barra do Tipo Carga

Para o patamar de carga onde temos a penetração de energia solar conforme figura, nos resultados observados para as barras de carga, não temos diferenças significativas do 1º para o 2º caso, tanto para os perfis de tensão quanto para o chaveamento de bancos de capacitores.

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Conclusões

O presente estudo foi realizado a fim de se verificar os impactos em uma rede elétrica, sistema IEEE14barras, a partir da conexão de uma unidade de Geração Distribuída executando para o horizonte de uma semana, domingo a sábado, o fluxo de potência utilizando o Software Análise de Redes – ANAREDE desenvolvido pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica – CEPEL.

Durante as análises foi utilizada a curva de carga modelada pelo sistema teste de confiabilidade do IEEE que por sua vez foi aplicado em cada barra de carga da rede. Utilizamos também os dados colhidos na saída do Laboratório Solar da UFJF, formando assim a curva de geração normalizada da planta fotovoltaica. Para aplicarmos tal informação, foi feito uma alteração no sistema IEEE14barras incluindo uma 15ª barra ligada através de uma linha de baixa impedância à 14ª barra.

Com o sistema montado pode-se simular diferentes casos, métodos e cenários. A diferença entre os casos foi um deslocamento no tempo da curva de carga de forma que pudéssemos obter penetração de energia solar em diferentes patamares de carga, ou seja, um com alto carregamento e outro com baixo carregamento. Com os métodos pode-se avaliar o controle na barra 14, utilizando ora essa barra como do tipo carga, ora como do tipo geração. Por fim os cenários representaram o quanto de penetração de energia solar teve em relação à carga total do sistema. Cabe ressaltar que para termos violações de tensão e o subsequente chaveamento de banco shunt, a carga original do sistema IEEE foi dobrada.

Assim executamos o fluxo de potência em cada instante no nosso horizonte semanal e obtivemos pontos de operação da rede em regime permanente.

As analises transcorreram em torno dos tipos de barras, observamos os gráficos do perfil de tensão, chaveamento de banco de capacitores, geração de potência ativa e reativa. Na barra de referência do sistema, barra 1, em ambos os casos tivemos um abatimento de carga vista por essa barra nos períodos da semana que tivemos penetração de energia

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solar. Esse abatimento aumentou na medida em que se caminha do cenário 1 (5% da carga do sistema) para o cenário 6 (50% da carga do sistema). Tal fato é benéfico pois reduzimos a geração da barra de referencia e as perdas do sistema, uma vez que esse abatimento é suprido por uma fonte próxima a carga.

Estudando a barra de geração, para os dois casos, verificou-se na curva de geração de potência reativa uma variação dentro dos limites da barra em todos os cenários, quando esses limites chegaram ao máximo a tensão que antes estava fixa foi liberada para variar, destaca-se que essa variação não violou os limites operativos de 0,95 a 1,05 pu de volt. Entre os diversos percentuais de penetração de energia solar não ocorreu uma tendência de aumento de consumo ou geração de potência reativa na medida em que se aumentou a penetração de energia solar.

Para a barra de carga com chaveamento de banco shunt, barras número 4, 5 e 9, podemos concluir que com o controle de tensão o sistema obteve um menor número de manobras por parte de seus respectivos bancos. A tensão da barra 9 teve seus valores violados em alguns pontos no horizonte semanal, essa barra possui apenas um banco shunt no valor de 19 MVA, que é insuficiente para dar suporte de reativo a barra que está conectada. Como medida de médio prazo pode-se aumentar o número de bancos de capacitores a essa barra, e como medida de curto prazo podemos manobrar bancos shunt próximos a essa barra, caso exista algum disponível, ou utilizar os compensadores síncronos das barras 3, 6 e 8 para controlar a tensão da área.

Agora para a barra de carga sem banco shunt conectada a ela em ambos os casos, observamos nos cenários de 2 a 6 uma variação positiva ou negativa de tensão em relação ao cenário 1 devido ao sentido do fluxo de potência. Podemos destacar que o cenário 6, maior penetração entre os cenários, causa grandes variações nas barras de carga sendo os cenários 2 a 5 mais adequados. Como trabalho futuro pode-se colocar penetrações nos cenários de 2 a 5, em mais de uma barra, bem como uma otimização para encontrar o ponto mais benéfico para a conexão de Geração Distribuída.