Impacto da geracão distribuída sobre o limite de tensão na rede elétrica / Impact of the distributed generation in voltage limit on the electrical net

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51563-51569 jul. 2020. ISSN 2525-8761

Impacto da geracão distribuída sobre o limite de tensão na rede elétrica

Impact of the distributed generation in voltage limit on the electrical net

DOI:10.34117/ bjdv6n7-703

Recebimento dos originais: 27/06/2020 Aceitação para publicação: 27/07/2020

Henrique Mesquita Tonhá

Mestre em Engenharia Elétrica e de Computação pela Universidade Federal de Goiás (UFG) Instituição: Universidade Federal de Goiás

Endereço: Av. Universitária, nº 1488 –Qd. 86 – Setor Leste Universitário | CEP: 74605-010, Goiânia – GO, Brasil

E-mail: [email protected]

Antônio César Baleeiro Alves

Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) Instituição: Universidade Federal de Goiás

Endereço: Av. Universitária, nº 1488 –Qd. 86 – Setor Leste Universitário | CEP: 74605-010, Goiânia – GO, Brasil

E-mail: [email protected]

RESUMO

A inserção da geração distribuída (GD) impõe desafios ao planejamento das distribuidoras de energia elétrica, e simultaneamente representa uma alternativa promissora ao setor elétrico nacional para o enfrentamento da escassez de energia elétrica em períodos de baixa disponibilidade. Um sério inconveniente para o acessante é a limitação de potência ativa gerada, que pode ser imposta pela distribuidora para não violar os níveis de tensão regulamentados, que se não for observada implicará em penalidades aplicadas pelo órgão regulador à concessionária. A proposta desse trabalho é sugerir um reforço físico a rede de distribuição a fim de viabilizar GDs que porventura venham a sofrer com o incoveniente de ter seu potencial de geração de MW limitado, especialmente em função da violação do limite de tensão fixado pelo orgão regulador de energia elétrica no país.

Palavras-chave: Geração Distribuída, reforço físico, rede de distribuição, limite de tensão. ABSTRACT

The insertion of Distributed Generation (DG) poses challenges to the planning of electricity utility, and at the same time represents a promising alternative for the national electricity sector to face the shortage of electricity in periods of low availability. A serious inconvenience for the system user is the limitation of active power generated, which can be imposed by the electricity utility in order not to violate the regulated voltage levels, which if not observed will result in penalties applied by the regulator to the concessionaire.The purpose of this work is to suggest a physical reinforcement of the distribution net in order to enable DGs that may suffer from the inconvenience of having their MW generation potential limited, especially due to the violation of the voltage limit set by the regulator of electricity energy in the country.

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1 INTRODUÇÃO

Apesar da redução do crescimento da demanda por energia elétrica nos últimos anos, as concessionárias de energia elétrica tem encontrado na geração distribuída (GD) a solução a curto prazo para atender a seus clientes.

A GD pode ser entendida como uma fonte de energia conectada do lado do consumidor, que além de suprir potência, pode ainda, regular a tensão na rede elétrica e reduzir as perdas relativas ao transporte da energia.

O Decreto nº 5.163/2004 da Presidência da República, a resolução da ANEEL nº 687/2015 e a lei federal nº 13.097/2015 conjuntamente definem três terminologias de geração distribuída de fonte hidráulica : a) microgeração, cuja capacidade instalada de potência é de até 75 kW; b) minigeração aquela com potência compreendida entre 75 kW e 3 MW e c) os demais empreendimentos de GD de potência instalada maior que 3 MW e menor que 30 MW.

A injeção de potência pela GD a uma determinada barra da rede de distribuição pode elevar ou reduzir demasiadamente sua tensão levando a violação dos níveis adequados regulados pela Agência Nacional de Energia Elétrica ( ANEEL ).

A ANEEL elaborou dez módulos de Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica. O módulo 3 trata dos requisitos para o acessante, proprietário da GD, inserir o gerador na rede da concessionária. O módulo 8 ocupa-se da qualidade da energia fornecida aos consumidores, e os níveis de tensão de fornecimento é um dos aspectos que envolvem a qualidade da energia.

Os engenheiros costumam utilizar uma padronização conhecida com p.u. ( por unidade ) para se referir a tensão e outras grandezas. A abreviação p.u. significa uma normalização da grandeza e usualmente o valor de base tomado é o nominal.

Para pontos de conexão em tensão nominal superiores a 1 kV e inferior a 69 kV a tensão de atendimento adequada situa-se entre 0,93 e 1,05 p.u. da tensão de referência (PRODIST, 2016).

Um dos incovenientes observados por acessantes às redes de distribuição é estar limitando a geração de potência em função da observância dos limites de tensão na barra onde a GD é inserida, sob pena de sofrer sanções do órgão regulador.

2 OBJETIVO

A proposta desse trabalho é sugerir um reforço físico a rede de distribuição a fim de viabilizar GD´s que porventura venham a sofrer com o incoveniente de ter seu potencial de geração de MW limitado, especialmente em função da violação do limite de tensão fixado pelo orgão regulador de energia elétrica no país.

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3 METODOLOGIA

O algoritmo utilizado para a solução do fluxo de carga de redes elétricas neste trabalho foi o método da soma de correntes (MSC) que utiliza o método iterativo de Backward/Forward Sweep (BFS) proposto por Shirmohammadi et al. (1988). Os passos do procedimento de cálculo estão ilustrados no Algoritmo I.

Algoritimo I. Passos do fluxo de potência designado por MSC.

Dados: 𝑃𝐺,𝑄𝐺,𝑃𝐶,𝑄𝐶 (gerações e cargas dos nós) e 𝑍𝑖𝑗 (impedâncias dos ramos ij), 𝑌_𝑖𝑠ℎ𝑢𝑛𝑡das

barras i e a tolerância ε.

Inicialização: 𝑘 ← 1, 𝑉_𝑖0= 1 < 00_{p.u. para todas as barras.} 1. 1. Calcular a corrente injetada no nó i (iteração k):

𝐼𝑖𝑘 = 𝐼𝑁,𝑖𝑘−1− 𝑌𝑖𝑠ℎ𝑢𝑛𝑡𝑉𝑖𝑘−1, onde: 𝐼𝑁,𝑖𝑘−1=

𝑃𝑖−𝑗𝑄𝑖

𝑉_𝑖𝑘−1∗, com 𝑃𝑖= 𝑃𝐺,𝑖− 𝑃𝐶,𝑖, 𝑄𝑖 = 𝑄𝐺,𝑖− 𝑄𝐶,𝑖.

Varredura Inversa (Backward: dos nós das extremidades do grafo da rede para o nó da S/E):

Enquanto a tolerância não for atingida, obter a corrente de ramo: 𝐽_𝑙𝑘 = −𝐼_𝑖𝑘+ ∑𝑚∈𝑀𝐽𝑚𝑘,

onde: M é o conjunto dos ramos ligados ao nó i, exceto o ramo l. 2. Calcular a tensão do nó j situado a montante do nó i (iter. k): Varredura Direta (Forward: do nó da subestação aos nós das extremidades do grafo da rede):

𝑉𝑗𝑘 = 𝑉𝑖𝑘− 𝑍𝑖𝑗𝐽𝑙𝑘, 𝑙 ≡ (𝑖, 𝑗) 3. Testar a convergência: má𝑥 𝑖 |𝐼𝑖 𝑘_{− 𝐼} 𝑖𝑘−1| ≤ 𝜀 ?

Se o critério de convergência não for atendido, incrementar k e retornar ao passo 1.

A GD é modelada como fonte PQ, ou seja, possui fixos a potência ativa e o fator de potência de operação. O algoritmo I é executado para os n-ésimos pares (𝑃_𝐺𝑛,𝑄_𝐺𝑛), com 𝑛 = 1, 2, ⋯ , 𝑁, desde zero até a máxima potência permitida.

A Tabela I mostra dados de condutores utilizados nesse trabalho, ressalta-se que o diâmetro é dado em polegadas, GMR é a abreviação de raio médio geométrico do condutor e ampacidade refere-se a máxima corrente elétrica que pode ser transportada.

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Tabela I. Dados de condutores típicos de sistemas de distribuição de energia elétrica.

Condutor Tipo Resistência _(Ω/km) Diâmetro (in) GMR (mm) Ampacidade (A) 2/0 AA 0,4778 0,414 3,81 230 4/0 ACSR 0,3679 0,563 2,48 340 336.400 ACSR 0,1901 0,721 7,44 530 1.000.000 ACSR 0,0652 1,150 11,22 698

A Figura 1 mostra a disposição dos condutores cujos valores são dados em pés.

Figura 1. Estrutura aérea com a disposição dos condutores e espaçamentos.

A partir dos dados da Tabela I combinado com as informações da Figura 1 e aplicando as equações modificadas de Carson e a transformação de componenets simétricas ( KERSTING, 2012) são obtidas as impedâncias de sequência positiva e zero para 4 fios mostradas na Tabela II.

Tabela II. Impedâncias de sequências positiva e zero para configuração a 4 fios.

Condutor Tipo Impedância de sequência positiva (Ω/km) Impedância de sequência zero (Ω/km) 2/0 AA 0,4779+ j0,4400 0,7683+ j1,2542 4/0 ACSR 0,3680+ j0,4724 0,6584+ j1,2866 336.400 ACSR 0,1902+j0,3896 0,4806+j1,2038 1.000.000 ACSR 0,0652+j0,3586 0,3557+j1,1728

Suponhamos um sistema de quatro barras, incluindo a S/E (número 1), onde a barra 4 possua uma carga trifásica equilibrada de 27 MW, cujo fator de potência seja 0.92 indutivo. O condutor fase do sistema é o 336.400 e o neutro é o 4/0 ambos ACSR , as distâncias entre as barras são padronizadas em 6 km. A tensão na barra 1 é 34,5 kV.

O acessante solicita a distribuidora de energia local autorização para instalar uma GD na barra 4 com capacidade de 28 MW, conforme Figura 2, cujo fator de potência de operação pode variar de 0,8 indutivo a 0,8 capacitivo.

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Figura 2. Diagrama unifilar do sistema de 4 barras com GD na barra 4.

A seção a seguir mostra os resultados da proposta de viabilização da GD. É importante destacar que embora a análise seja monofásica, os resultados de injeção de potência são trifásicos.

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

1º caso - Uma GD na barra 4 com fator de potência indutivo e sistema com carga

Nesta situação a GD opera com fator de potência de 0,8 indutivo, observa-se na Figura 3 que se o sistema for dotado do condutor 1.000.000, a GD poderá injetar até 35 MW de potência sem que o limite inferior ( 0,93 p.u.) de tensão fosse violado.

Figura 3. Magnitude da tensão na barra 4 versus injeção de potência ativa pela GD para quatro tipos de condutores – sistema com carga e GD com fator de potência indutivo.

A ampacidade do condutor neste caso não é motivo de preocupação, pois o condutor em questão suporta uma injeção de 59 MW.

2º caso - Uma GD na barra 4 com fator de potência capacitivo e sistema sem carga

Um segundo caso crítico de operação, trata-se de considerar a GD operando com fator capacitivo de 0,8 e suprimir a carga do alimentador.

Assim como verificou Marques et al. ( 2004 ) analisando um caso de minigeração com carga, a Figura 4 mostra um cenário mais restritivo quando a GD opera com fator de potência capacitivo do que o 1º caso. Contudo, para um cenário menos crítico ( carga considerada ) e GD de grande porte, o aumento de tensão proveniente do reativo injetado é diluído pela demanda da carga e

0 10 20 30 40 50 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 T e n s ã o ( p u )

Potência ativa injetada (MW)

Tensão mínima permitida 2/0

4/0 336.400

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consequentemente, um maior quantitativo de MW pode ser aceito pela rede, inclusive superando o enfatizado no caso anterior.

É importante assinalar que somente o condutor 1.000.000 viabiliza a operação da GD para esse cenário. Desse modo a substituição do condutor 336.400 é essencial para a operação plena da GD.

Figura 4. Magnitude da tensão na barra 4 versus injeção de potência ativa pela GD para quatro tipos de condutores – sistema sem carga e GD com fator de potência capacitivo

Com relação a ampacidade, não haveria problemas, uma vez que até 69 MW é o limite de potência admitida pelo condutor.

5 CONCLUSÕES

Este trabalho buscou estudar uma alternativa para viabilizar a GD em um cenário que o acessante possa encontrar restrição, em especial quanto ao limite de tensão de operação da rede elétrica.

A substituição do condutor da rede e a consequente possibilidade de injetar mais potência, e ainda exportar o excedente para a rede, pode se tornar uma viável alternativa de longo prazo, cujo investimento seja reembolsado em pouco tempo.

O caso hipotético simulado mostrou que condutores de maior bitola, isto é, de menor resistência apresentam melhor desempenho para a maximização da injeção de potência, isso se deve ao fato de que a impedância do alimentador foi reduzida assim como a queda de tensão entre as barras. 0 10 20 30 40 50 0.95 1 1.05 1.1 1.15 T e n s ã o ( p u )

Potência ativa injetada (MW) Tensão máxima permitida 2/0 4/0 336.400 1.000.000 32 MW 22 MW

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REFERÊNCIAS

ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica – Resolução Normativa no_{687 de 24/11/2015.} Altera a Resolução Normativa no 482, de 17/4/2012, 2015.

ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica - PRODIST - Procedimentos de Distribuição de

Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional, 2008 a 2016.

BRASIL.Decretonº5.163/2004de30dejulhode2004.Disponívelem:http://www.planalto.gov.br/cci vil_03/_ato2004-2006/2004/decreto/d5163.HTM . Acesso em 12 set 2016.

BRASIL. Lei nº 13.097 de 19 de janeiro de 2015. Disponível em:

http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/_ato2015-2018/2015/lei/l13097.htm . Acesso em 12 set 2016. SHIRMOHAMMADI D., HONG H. W., SEMLYEN A. E LUO G. X. A Compensation-based

Power Flow Method for Weakly Meshed Distribution and Transmission Networks . IEEE

Trans. on Power Systems, vol. 3, no. 2, pp. 753-762, May 1988.

KERSTING W. H., Distribution System Modeling and Analysis. 3th ed. Boca Raton: CRC Press. New York, 2012.

MARQUES F. A. S., MORÁN J. A. , ABREU L. , DA SILVA L. C. P. , FREITAS W. Impactos

da Expansão da Geração Distribuída nos Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica in 5o Encontro de Energia no Meio Rural e Geração Distribuida (AGRENER GD), pp.1-8, 2004