Análise de Diferentes cenários de Integração de Geração Intermitente na
Microrrede Isolada da Ilha de Lençóis através de Modelagem no
PSCAD/EMTDC
Silvangela L. Barcelos*, José Gomes de Matos*, Luiz Antônio de Souza Ribeiro*. * Electrical Engineering Dept. of the Federal University of Maranhão
São Luís-MA, Brazil, Zip code 65080-805(Tel: 98-3272-9202; e-mail: silvangela.barcelos@ gmail.com).
Abstract: Microgrids can be defined as power system served by alternative energy sources in association with some type of dispatchable sources, which can be implemented separately or not from the conventional power grid (Isolated Microgrids). The Electrical Power Quality (QEE) indices of a microgrid can be evidenced by studies that aim to characterize the operation state of this type network under different operating conditions. In this sense, the objective of this work is to present the results of the performance analysis of the isolated microgrid installed at Lençóis Island through a representation of this microgrid in the PSCAD / EMTDC software. The results of analysis and evaluate of different load profiles and integration scenarios of intermittent generation shared operation are presented.
Resumo: Microrredes podem ser definidas como sistemas elétricos de potência atendidos por fontes alternativas de energia em associação com alguns tipos de fontes despacháveis, que podem ser implementadas separadas ou não da rede elétrica convencional (microrrede isolada). Os índices de Qualidade de Energia Elétrica (QEE) de uma microrrede podem ser evidenciados através de estudos que visem caracterizar o estado de operação desse tipo rede diante de diferentes condições operacionais. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é apresentar os resultados de análises do desempenho da Microrrede isolada instalada na Ilha de Lençóis através de uma representação dessa microrrede no software PSCAD/EMTDC. Serão mostrados resultados da análise de alguns perfis de carregamento e diferentes cenários de integração da geração intermitente.
Keywords: Simulation modelling; Alternative Energy Sources; Isolated Microgrids; Integration scenarios; load profiles; Shared Operation.
Palavras-chaves: Modelo de Simulação; Fontes Alternativas de Energia; Microrredes Isoladas; Cenários
de Integração; Perfis de carga; Operação Compartilhada. 1. INTRODUÇÃO
Em sistemas elétricos isolados, o fornecimento de eletricidade normalmente é precário, sendo realizado através de geradores diesel, que operam em média de 3 a 4 horas por dia (Kruschel et al, 2013; Bonan et al, 2009). Este tipo de prática se dá, principalmente, devido ao alto custo de operação para atender as cargas desses sistemas (geralmente comunidades isoladas) 24 horas por dia a partir de geradores diesel. Este custo pode ser considerado relativamente elevado quando se leva em consideração a renda per capita dos consumidores desses locais, que normalmente é baixa. Uma alternativa para atender consumidores de comunidades isoladas pode ser baseada no uso dos recursos energéticos renováveis locais, conforme mencionado por (Oliveira, 2017) e (Duncan e Kinnear, 1981).
Embora existam diferentes tipos de fontes renováveis de energia que podem ser consideradas para o atendimento de comunidades isoladas, as energias solar e eólica vêm apresentando-se como fontes que podem ser facilmente empregadas na composição do sistema de geração desse tipo de sistema elétrico.
No Brasil, tais características são particularmente acentuadas, por conta de a radiação solar ser abundante durante quase todo o ano em quase todas as regiões do país e por apresentar uma boa densidade energética em função da constância dos ventos, principalmente nas regiões costeiras, onde a existência de comunidades em ilhas isoladas prevalece. A implementação de sistemas elétricos com geração solar/eólica tem mostrado comprovadamente adequada para o atendimento de áreas remotas e são responsáveis pela redução ou até eliminação do consumo de óleo diesel nesses locais. Um exemplo deste tipo de aplicação de sistema está em operação desde de 2008 na comunidade da Ilha de Lençóis, pertencente ao município de Cururupu no Maranhão, nordeste do Brasil (Ribeiro et al, 2012; Souza Ribeiro et al, 2011).
O projeto da Microrrede instalada na Ilha de Lençóis foi executado pelo Instituto de Energia Elétrica - IEE/UFMA e financiado pelo Ministério de Minas e Energia – MME no âmbito do programa “Luz para todos” (MME, 2015), com o objetivo de desenvolver soluções para o fornecimento de eletricidade a comunidades isoladas, com potencial de uso de energia eólica e solar. A Microrrede isolada da Ilha de
Lençóis é composta por sistemas fotovoltaicos e eólicos, banco de baterias e gerador a diesel, que fornecem energia elétrica 24 horas por dia para uma comunidade de aproximadamente 200 consumidores através de dois inversores que trabalham em regime de paralelismo para atender uma carga de aproximadamente 15kW (com fator de potência ≈ 0.85) (Ribeiro et al, 2012).
De acordo com o módulo 8 dos Procedimentos para Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) (Aneel, 2017), uma microrrede como a de Lençóis deve formar uma rede que atenda aos critérios de qualidade da energia elétrica estabelecidos para sistemas de distribuição convencionais, sendo necessário atender a diferentes cenários operacionais na Microrrede mantendo a qualidade do fornecimento de energia desse sistema, bem como ser provido da capacidade prever mudanças nas condições operacionais da geração/distribuição.
Neste artigo, são apresentados os resultados de análises do desempenho da Microrrede isolada instalada na Ilha de Lençóis através de uma representação dessa microrrede no software PSCAD/EMTDC. Este modelo de simulação permitirá analisar a interação entre a microrrede existente em cenários em que injeções de potência ao longo da Microrrede são consideradas.
O PSCAD / EMTDC é uma ferramenta de simulação padrão da indústria para estudar e analisar o comportamento transitório de redes elétricas. Sua interface gráfica com o usuário permite que todos os aspectos da simulação sejam conduzidos em um único ambiente integrado, incluindo montagem de circuitos, controle em tempo de execução, análise de resultados e geração de relatórios.
A organização do artigo é a seguinte: a seção 2 apresenta as principais características da microrrede isolada de Lençóis; o detalhamento da modelagem realizada no PSCAD/EMTDC para os estudos aqui propostos é apresentado da seção 3; as características da modelagem realizada no PSCAD/EMTDC considerando a inserção de outras fontes intermitentes na Microrrede são apresentadas na Seção 4. Os resultados de simulação dinâmica da microrrede de Lençóis são apresentados na Seção 5. Finalmente, são apresentadas as conclusões na Seção 6.
2. CARACTERISTICAS DA MICRORREDE ISOLADA DA ILHA DE LENÇÓIS
Um diagrama genérico do sistema de geração da microrrede isolada da ilha de Lençóis é mostrado na Fig.1. O sistema é composto basicamente pelos seguintes módulos (Bonan et al, 2009; Oliveira, 2017a, Ribeiro et al, 2012):
• um painel fotovoltaico (PV) de 21kWp, com controlador de carga e algoritmo MPPT (Maximum Power Point Tracking) para extrair a máxima potência a partir da fonte solar; três turbinas eólicas de 10kW cada a 12,4m/s (TE1, TE2 e TE3), cada turbina com um respectivo inversor e algoritmo MPPT (RTE1, RTE2 e RTE3);
• dois conjuntos geradores diesel (GMG1 e GMG2), um gerador de 48kVA e o outro de 73kVA; um banco de baterias com duas strings (BAT1 e BAT2), cada string
com 120 baterias conectadas em série, cada bateria do tipo chumbo-ácido de 600Ah e 2V, compondo um barramento CC de 240V nominal, 1200Ah;
• um retificador de trifásico a tiristores com tensão de linha CA de 380V e tensão de saída CC mantida em 240VCC
com corrente nominal de 150A.
• dois inversores (VSI – Voltage Source Inverter) de 30kVA cada (INV1 e INV2), com tensão cc igual a 240VCC e saída com conexão em estrela aterrada com
neutro acessível, com tensão de linha de 380V e tensão de 220V (60Hz).
Quando há disponibilidade de sol e vento, as fontes renováveis produzem energia para atender os consumidores. Quando a geração é maior que o consumo, o excedente de energia é armazenado no banco de baterias, para uso à noite ou durante períodos de baixa incidência de ventos e de radiação solar. Em caso de déficit entre a geração de energia a partir das fontes renováveis e o consumo, o banco de baterias fornece a energia necessária para atender a carga. O sistema de geração da Microrrede de Lençóis não conta com conversores para carregamento do banco de baterias.
2.1 Características dos Consumidores da Ilha de Lençóis O sistema híbrido de geração da ilha de Lençóis fornece energia elétrica a residências e vias públicas da comunidade local 24h por dia, contabilizando aproximadamente 200 consumidores. A rede de distribuição de Lençóis foi construída em baixa tensão, de acordo com os padrões estabelecidos pela ABNT e a concessionária local [9]. As linhas de distribuição são feitas de cabos multiplexados isolados, de 3 fases + 1 neutro, com tensão de linha de 380 V e tensão de fase de 220V (Oliveira, 2017; Barcelos et al, 2019).
Em (Oliveira, 2017), são apresentados os resultados de um mapeamento do sistema de distribuição de Lençóis com um GPS (Global Position System - Model GPSMap 76S). A partir desses resultados determinou-se os comprimentos de cada uma das linhas de distribuição de Lençóis. Fez parte deste estudo, a realização de visitas aos consumidores com o intuito de coletar o posicionamento geográfico e o consumo médio mensal de cada um deles. Com o uso do software
MapSource Version 6.16.3 foram determinadas as distâncias
entre geração e distribuição e ainda o posicionamento de postes e consumidores), conforme mostrado na Fig. 2. As demandas máximas e médias das unidades consumidoras da ilha de Lençóis foram determinadas a partir de uma base de dados criada pelo IEE/UFMA durante o período de monitoramento da microrrede. Com base nessas demandas, pôde-se determinar o fator de carga para cada consumidor, conforme apresentado em (Oliveira, 2017b). O levantamento da demanda média de cada consumidor foi estimado a partir da média mensal de consumo durante o período de um ano. Com base nesses dados, estimou-se a demanda média atual da microrrede, que é de aproximadamente 15kW.
A demanda máxima individual de cada consumidor é determinada com base no fator de carga. Os detalhes da metodologia considerada para a obtenção das demandas
individuais e total da microrrede de Lençóis são apresentadas em (Oliveira, 2017b).
Para fins de uma representação completa do sistema de distribuição da Ilha de Lençóis, as cargas foram distribuídas de acordo com a demanda solicitada por área (Norte, Sul, Leste e Oeste), totalizando a máxima demanda. Por se tratarem de linhas curtas, os efeitos capacitivos dessas linhas são desconsiderados para fins de representação. Somente resistências e indutâncias equivalentes são consideradas.
Fig. 1 Diagrama genérico do sistema de geração da microrrede isolada da ilha de Lençóis.
Fig. 2 Distâncias entre sistemas de geração, distribuição e unidades consumidoras da Microrrede de Lençóis (Oliveira, 2017b).
Em (Barcelos at al, 2019), considerou-se a representação da microrrede de lençóis no PSCAD/EMTDC: banco de baterias representados através de fonte de tensão cc controlável e cargas balanceadas (Fator de Potência (FP) igual a 0,93 no Ponto de Conexão Comum-PCC e THD de corrente de aproximadamente 20%). Neste estudo, propõe-se avaliar a operação da Microrrede de lençóis para condições de desbalanço das cargas próximas às existentes no sistema real, além de se considerar cenários de integração de pequenas fontes intermitentes em diferentes pontos da microrrede.
3. A MICRORREDE DE LENÇÓIS MODELADA NO PSCAD/EMTDC
Uma representação em blocos simplificada da microrrede de Lençóis modelada no PSCAD/EMTDC por (Barcelos at al, 2019) é mostrada na Fig. 3.
3.1 Representação do Sistema de Geração de Lençóis
Conforme já mencionado, todas as fontes de geração de energia da microrrede de Lençóis compartilham um
barramento cc comum, que é fonte para os inversores, conforme mostrado na Fig. 4. Cada VSI tem potência nominal de 30kVA e é configurado para operar em paralelo, compartilhando o fornecimento de energia à carga, sem interface de comunicação entre ambos para transferência de dados. Existe um controle supervisório feito por PLC (Programmable Logic Control) responsável por coordenar a operação de todas as fontes da microrredes, primando pela máxima eficiência do sistema; realizando o controle de carga/descarga do banco de baterias; controlando a operação dos geradores quando são requisitados e ainda a medição e transferência de todas as variáveis de controle e monitoramento.
Fig. 3 Representação em blocos da modelagem no PSCAD/EMTDC da microrrede de Lençóis.
Fig. 4 Diagrama de blocos do sistema de geração de Lençóis. Os VSIs da microrrede de Lençóis operam em regime de paralelismo sem comunicação [6]. No projeto desses inversores foi desenvolvido um sistema com elevada confiabilidade e com capacidade de expansão em caso de crescimento da carga, sem a necessidade de alterações em equipamentos já instalados. Neste caso, os inversores operam com configuração N+1 e MTBF (Mean Time Between
Failure) maior que a vida útil dos equipamentos que os
compõem [10.
O método de paralelismo adotado para os inversores, é o Método Drooping (Chapman, 1991). Neste método, os inversores apresentam comportamento similar ao comportamento de geradores síncronos operando em paralelo (Chapman, 1991). Conforme descrito em (Ribeiro et al, 2012) e (Souza Ribeiro et al, 2011), sempre que ocorre um aumento na potência ativa da carga, os geradores tendem a reduzir sua rotação, reduzindo a frequência proporcionalmente. No sistema desenvolvido para a microrrede de Lençóis, essa
ideia foi implementada e os detalhes de uma modelagem no PSCAD/EMTDC foram apresentados em (Barcelos at al, 2019). Nas Fig. 5 e Fig 6 são apresentadas as representações dos inversores da microrrede de Lençóis e os diagrama em blocos das estratégias de controle implementadas no PSCAD/EMTDC para os inversores operarem em regime de paralelismo. Todos os detalhes dos modelos implementadas foram apresentados em (Barcelos at al, 2019).
4. REPRESENTAÇÃO DA GERAÇÃO INTERMITENTE A Fig. 7 mostra o diagrama de blocos do modelo para cada Microgerador Intermitente (MI) conectado à Microrrede de Lençóis. Trata-se de uma fonte de corrente controlada, projetada para sintetizar potências reais (pc) e imaginárias (qc)
em um determinado PCC da microrrede. Esta representação é baseada em teoria pq e no referencial síncrono para definição das correntes a serem injetadas na rede elétrica. Este tipo de geração normalmente fornece somente potência ativa (ou seja, potência real) para a rede elétrica, de modo que no PCC em questão, são injetadas correntes em fase com a tensão. No entanto, o modelo aqui considerado pode sintetizar as duas parcelas de potência através da definição das referências para pc e qc,o que possibilita aumentar a gama de cenários de
inserção a partir de MI em redes elétricas.
Fig. 5 Representação dos inversores da microrrede de Lençóis no PSCAD/EMTDC.
Na Figuras 8 é mostrada a representação no PSCAD/EMTDC da área NORTE da rede de distribuição de Lençóis. Observa-se neste caso, que o fornecimento de energia é compartilhado entre os geradores principais da microrrede e o MI.
5. RESULTADOS
Com o objetivo de analisar diferentes cenários de integração dos geradores da microrrede de Lençóis em operação compartilhada com MIs, foram realizadas simulações no PSCAD/EMTDC. Os casos considerados são:
5.1 Caso I – Operação da Microrrede com paralelismo de inversores e desbalanço de cargas
Na Fig. 9 são apresentados os resultados de uma simulação da condição de paralelismo entre os inversores da Microrrede de Lençóis considerando a existência de cargas desbalanceadas e não lineares nas áreas do sistema de distribuição. Também é mostrado neste caso, uma manobra de conexão/desconexão da Área LESTE da rede de distribuição. Conforme pode ser observado, mesmo diante do desbalanço de carga, há uma divisão da potência entre os inversores (VSI 1 e VSI 2). Para a condição em que a área LESTE é momentaneamente desconectada, observa-se uma redução da potência demandada pela rede.
Fig. 6 Estratégias de controle de cada VSI da microrrede de Lençóis: (a) Malha para cálculo do ganho do Droop e ângulo de referência; (b) Estratégia para controle da tensão ca. (c) Malha de sincronização de inversores.
5.2 Caso II – Operação da Microrrede com paralelismo entre inversores e injeção de potência por MI
Na Fig. 10 são apresentados os resultados de uma simulação da condição de paralelismo entre os inversores da Microrrede, a existência de cargas desbalanceadas e a operação de MI. Uma manobra de Desconexão/Conexão da Área LESTE da rede de distribuição também é simulada neste caso. Conforme pode ser observado, com o início da
operação do primeiro MI na área Norte, em t=1,5s. As cargas passam a ser supridas por ambas as fontes de geração de energia, pelas fontes principais da microrrede através dos inversores VSI 1 e VSI 2 (14,3kW) e pelo MI (2kW). Com isso, observa-se uma redução na potência medida no lado CA de cada um dos inversores. Com a inserção do MI ocorre um aumento mínimo no perfil de tensão do PCC, que está diretamente relacionado à magnitude da potência ativa injetada na rede, que neste caso corresponde a 11,5% da potência fornecida à carga. A operação paralela entre os inversores começa em t=2,5s e termina em t=5s. Durante este intervalo, conforme observa-se na Fig.10(a), ocorre uma redução nas potências medidas no lado CA de cada inversor devido a desconexão da área Leste por 0,5s, em t=4,0s. Um MI entra em operação na área Leste injetando 1,97kW em t=4,5s, a operação entre o MI-Leste e as fontes principais da microrrede permanece compartilhada até t=5,5, quando o VSI 2 sai de operação e o fornecimento de energia para a rede de distribuição é responsabilidade do VSI 1.
Fig. 7 Modelo de MI baseado em teoria pq e referencial síncrono para definição de correntes.
Fig. 8 Representação da área Norte da rede de distribuição de Lençóis considerando a conexão de um MI.
Conforme pode ser observado na Fig. 10, a tensão no PCC varia momentaneamente, alcançando valores acima dos limites estabelecidos pelo PRODIST (+/- 0,05pu). No entanto, em regime permanente, a tensão fica dentro de limites praticáveis, devido as inserções de potência pelos MI corresponderem a pequenos preceituais da demanda de potência da rede de distribuição. As componentes harmônicas da corrente drenada pela rede de distribuição de Lençóis, observadas nos instantes de conexão de cada um dos MI na microrrede são mostradas na Fig. 12. Conforme pode ser observado através das magnitudes dessas componentes, ocorre um aumento significativo no THD de corrente durante conexão dos MI.
5.3 Caso III – operação da Microrrede com paralelismo entre inversores, injeção de potência por MI e cargas não lineares Na Fig. 11 são apresentados os resultados da operação compartilhada entre as principais fontes da Microrrede de Lençóis e MI conectados nas áreas Norte e Leste do sistema de distribuição. Neste caso, considerou a existência de uma carga não-linear na área Sul.
Fig. 9 Paralelismo entre inversores considerando cargas desbalanceadas e não lineares: (a) Potências medidas no lado CA de cada inversor e (b) correntes demandadas por áreas.
Fig. 10 Operação compartilhada entre os VSIs e MI. (a) Potências medidas no lado CA de cada VSI e (b) Tensão no PCC.
Fig. 11. Paralelismo entre os inversores da Microrrede de Lençóis considerando a existência de cargas desbalanceadas e a inserção de potência através de MI: (a) Potências medidas no lado CA de cada inversor e (b) Tensão no PCC da microrrede.
Fig. 12 Sete primeiras componentes harmônicas ímpares da corrente medida no PCC, diante da conexão de MI na microrrede de Lençóis (Componente fundamental: Azul): (a) Conexão do MI - Norte e (b) Conexão do MI - Leste.
6. CONCLUSÕES
Neste artigo foram apresentados resultados obtidos com o desenvolvimento de uma modelagem da microrrede isolada instalada na Ilha de Lençóis/MA - Brasil no PSCAD/EMTDC. Através da modelagem realizada pôde-se analisar o comportamento dinâmico da microrrede diante de diferentes cenários operacionais, tais como o impacto da inserção das gerações existentes na Microrrede, considerando um perfil desbalanceado para as cargas da rede de distribuição, bem como características não lineares. O conjunto de resultados de simulação apresentado mostrou que é possível representar cenários operacionais semelhantes aos que ocorrem na microrrede real de Lençóis, assim como estudos que contemplam a interação entre as principais fonte de geração de energia da microrrede e Microgeradores Intermitentes conectados em diferentes pontos da rede elétrica. Como aprimoramento para versões futuras, os autores pretendem representar detalhadamente as principais
fontes de geração da microrrede, assim como o banco de baterias e gerador a diesel, tornando a modelagem mais robusta para avaliar cenários operacionais.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o suporte e motivação fornecidos pela Universidade Federal do Maranhão (UFMA), Equatorial-MA, FAPEMA, CNPq – Brazil, and MEIHAPER CYTED.
REFERÊNCIAS
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