UFPA
AVALIAÇÃO DO IMPACTO NO FLUXO DE CARGA, DA MINIMIZAÇÃO DAS PERDAS ATIVAS E DO MELHORAMENTO NO PERFIL DE TENSÃO DE UM
ALIMENTADOR REAL DE DISTRIBUIÇÃO PELA INSERÇÃO E POSICIONAMENTO ÓTIMO DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA USANDO O
SOFTWARE ANAREDE
VANDERSON CARVALHO DE SOUZA
4º Período / 2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ
ii VANDERSON CARVALHO DE SOUZA
AVALIAÇÃO DO IMPACTO NO FLUXO DE CARGA, DA MINIMIZAÇÃO DAS PERDAS ATIVAS E DO MELHORAMENTO NO PERFIL DE TENSÃO DE UM
ALIMENTADOR REAL DE DISTRIBUIÇÃO PELA INSERÇÃO E POSICIONAMENTO ÓTIMO DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA USANDO O
SOFTWARE ANAREDE
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao colegiado de Engenharia Elétrica – UFPA, Campus de Tucuruí, para obtenção do título de bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Msc. Andrey Ramos Vieira
Tucuruí/PA 2014
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DEDICATÓRIA
“Aos meus pais, Benedito e Merian, pelo incentivo e por acreditarem na realização deste sonho, a minha namorada Rosanira Leão Freitas pelo companheirismo e pela sua incontestável paciência e dedicação desde a época de pré-vestibular, aos meus irmãos Vanilson, Merivanda, Vanildo e Rafael, por acreditarem no meu potencial, aos meus professores de matemática, física e química do ensino médio, Daniel, Jadson, Ivan e Fredson, por sempre me receberem em suas casas e compartilharem seus preciosos conhecimentos, aos amigos de longas e recentes datas pelo incentivo.”
v
AGRADECIMENTOS
A Deus, por ter me concedido saúde, perseverança, dedicação, paciência, inteligência suficiente para que pudesse compreender as disciplinas e acima de tudo, por ter colocado as pessoas certas na minha vida.
Aos meus pais, Benedito Monteiro de Souza e Merian Miranda Carvalho, por terem acreditado nesse incrível sonho que se chama engenharia elétrica que aos poucos vai se tornando realidade.
A minha namorada, amiga, companheira, conselheira de todas as horas, Rosanira Leão Freitas (a Nira) que apesar da distância física ao longo desses cinco anos e de seus compromissos, sempre encontrou tempo para estar perto de mim, nem que fosse por telefone, me dando forças e acreditando, algumas vezes até mais do que eu, em situações que para mim seriam impossíveis.
Aos meus professores do ensino médio Jadson, Daniel, Ivan e Fredson, pela disponibilidade de me receberem em suas casas nos mais variados horários e dias e tirarem minhas infindáveis dúvidas sobre conteúdos de física, matemática e química.
A Minha tia Maria Nilda e ao tio Max pela moradia concedida de quase dois anos, pelas brincadeiras e por me levarem ao hospital nas várias vezes em que estive doente e não podia contar com meus pais, devido a distância.
Ao professor Vicente Ferrer, pela oportunidade que me concedeu em trabalhar como monitor na universidade.
Ao senhor Antônio e sua esposa Rosa pela moradia de pouco mais de um ano.
A minha grande amiga Lourdes pelos deliciosos almoços, pela conversa, conselhos e pela hospitalidade.
É Claro ao professor Andrey Ramos Vieira por ter encontrado tempo em meio a tantos afazeres para me orientar.
Ao engenheiro Jucileno Silva por não ter medido esforço em tirar as minhas muitas dúvidas ao longo da elaboração deste trabalho.
vi
“E ainda que tivesse o dom de profecia, e conhecesse todos os mistérios e toda a ciência, e ainda que tivesse toda fé, de maneira tal que transportasse os montes, e não tivesse amor, nada seria. (I Coríntios 13:2).”
vii
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo sobre o impacto causado nas perdas ativas e no perfil de tensão pela conexão de geração distribuída (GD) em um sistema de distribuição real usando o software ANAREDE. Incialmente faz-se uma abordagem geral sobre os estudos de fluxo de carga e curto-circuito no sistema elétrico, seguido de descrições detalhadas sobre a geração distribuída, com destaque para as suas definições, tecnologias e panorama atual do Brasil no que se refere à GD.
Apresenta-se um breve descritivo dos principais elementos que compõe o sistema de distribuição real o qual é modelado e tem sua representação final em diagrama unifilar com 58 barras. Uma unidade de GD é alocada ao longo de todas as barras do alimentador (com exceção da barra da subestação) e finalmente comparam-se os resultados encontrados e são feitas as análises pertinentes.
Palavras chaves: Fluxo de Carga, Geração Distribuída, Alimentador, Sistema de
Distribuição, Diagrama Unifilar, Alocação, Perdas Ativas, Perfil de Tensão.
viii
ABSTRACT
This paper presents a study on the impact on active losses and the voltage profile for the connection of distributed generation (DG) on a real distribution system using ANAREDE software. In the first pages, a general approach to the study of load flow and short circuit in the electrical system is given, continuing with detailed descriptions of distributed generation, with special attention definitions, technologies and current outlook of DG in Brazil.
Further, it is presented a brief description of the main elements that make up the rea distribution system, which is modeled and has a final representation in the form of a one-line diagram with 58 bus. A DG unit is allocated over all the bars of the feeder (with the exception of the substation bar) and finally the results are compared and relevant analyzes are made.
Keywords: Power Flow, Distributed Generation, Feeder, Distribution System, One-Line Diagram, Allocation, Active Losses, Voltage Profile.
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Convenção de sinais para fluxo e injeções de corrente, potência ativa e
potência reativa. ... 7
Figura 2.2 - Fluxograma para o método de Newton-Raphson. ... 14
Figura 2.3 - Conjunto assimétrico constituído por três fasores desequilibrados. ... 16
Figura 2.4 - Três conjuntos de fasores equilibrados que são componentes de três fasores desequilibrados. ... 17
Figura 2.5 - Composição do conjunto de fasores desequilibrados a partir dos conjuntos de fasores equilibrados. ... 17
Figura 2.6 - Ocorrência de curto-circuito em sistemas de potência. ... 20
Figura 2.7 - Representação de curto-circuito fase-terra (FT). ... 20
Figura 2.8 - Circuito equivalente para falta monofásica. ... 21
Figura 2.9 - Representação de curto-circuito bifásico (FF). ... 22
Figura 2.10 - Circuito equivalente para falta FF. ... 22
Figura 2.11 - Diagrama de curto-circuito bifásico-terra (FFT). ... 23
Figura 2.12 - Circuito equivalente para defeito FFT. ... 24
Figura 2.13 - Diagrama de falta trifásica. ... 24
Figura 2.14 - Circuito equivalente de curto-circuito trifásico. ... 25
Figura 2.15 - Modelo em série no curto-circuito fase-terra mínimo. ... 26
Figura 2.16 - Corrente típica de curto-circuito. ... 27
Figura 3.1 - Exemplo de sistema elétrico centralizado. ... 30
Figura 3.2 - Exemplo de sistema elétrico descentralizado: com a presença de geração distribuída. ... 30
Figura 3.3 - Matriz energética brasileira. ... 31
Figura 3.4 - PCH Garganta da Jararaca (Potência instalada, 29,3 MW). ... 33
Figura 3.5 - Imagem ilustrativa de geração de energia elétrica, a partir de aerogerador. ... 35
Figura 3.6 - Imagem ilustrativa de geração de energia a partir de painéis fotovoltaicos. ... 37
Figura 3.7 - Imagem ilustrativa de microturbinas a gás. ... 39
Figura 4.1 - Configuração do alimentador GUL-155. ... 41
x
Figura 4.3 - Configuração com GD na barra CG-7. ... 45
Figura 4.4 - Configuração com GD na barra CG-7. ... 46
Figura 4.5 - Configuração com GD na barra CG-7. ... 47
Figura 4.6 - Configuração com GD na barra CG-7. ... 48
Figura 4.7 - Configuração ilhada com GD na barra CG-7. ... 49
Figura 5.1 - Alimentador real de distribuição. ... 51
Figura 5.2 - Dados do alimentador real. ... 52
Figura 5.3 - Trecho de um sistema de distribuição aéreo como interligação de cabos com mudança de bitola (jumper). ... 53
Figura 5.4 - Rede de distribuição aérea (Fly-tap). ... 54
Figura 5.5 - Mufla trifásica ... 54
Figura 5.6 - Trecho do alimentador real de distribuição. ... 55
Figura 5.7 - Diagrama unifilar de um sistema de distribuição real. ... 57
Figura 6.1 - Relatório de convergência final. ... 62
Figura 6.2 - Trecho do alimentador no software ANAREDE. ... 63
Figura 6.3 - Perdas ativas e reativas totais no alimentador para o caso base na presença de uma unidade de geração distribuída com injeção de potência ativa de 1600 kW. ... 64
Figura 6.4 - Comparativo entre o perfil de tensão do alimentador com e sem GD conectada na barra 34. ... 65
Figura 6.5 - Comparativo entres as perdas ativas com e sem GD conectada na barra 34. ... 65
xi
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Classificação das barras. ... 6
Tabela 3.1 - Resumo dos empreendimentos energéticos brasileiro. Onde CGH ↔ Central Geradora Hidrelétrica, CGU ↔ Central Geradora Undi-elétrica, EOL ↔ Central Geradora Eólica, PCH ↔ Pequena Central Hidrelétrica, UFV ↔ Central Geradora Solar Fotovoltaica, UHE ↔ Usina Hidrelétrica, UTE ↔ Usina Termelétrica e UTN ↔ Usina Termonuclear. ... 32
Tabela 3.2 - Usinas a biomassa em operação no estado do Pará. ... 34
Tabela 3.3 - Visão geral dos Motores Alternativos de Combustão Interna. ... 38
Tabela 3.4 - Vantagens e desvantagens dos motores stirling. ... 40
Tabela 4.1 - Carregamentos de área. ... 41
Tabela 4.2 - Dados dos trechos de linhas. ... 42
Tabela 4.3 - Resultados do fluxo de potência para o caso base... 42
Tabela 4.4 - Configurações estudadas. ... 43
Tabela 4.5 - Resultado do fluxo de potência Caso 1. ... 44
Tabela 4.6 - Resultado do fluxo de potência Caso 2. ... 45
Tabela 4.7 - Resultado do fluxo de potência Caso 3. ... 46
Tabela 4.8 - Resultado do fluxo de potência Caso 4. ... 47
Tabela 4.9 - Resultado do fluxo de potência Caso 5. ... 48
Tabela 4.10 - Resultado do fluxo de potência Caso 6. ... 49
Tabela 5.1 - Informações sobre os cabos que compõe o alimentador. ... 52
Tabela 5.2 - Informações gerais sobre os elementos que compõe o alimentador .... 53
Tabela 5.3 - Dados linha do alimentador modelado. ... 58
Tabela 5.4 - Dados de barra do alimentador modelado. ... 60
xii
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica; BC Banco de Capacitor;
CH Chave;
CGH Central Geradora Hidrelétrica; CGU Central Geradora Undi-Elétrica;
DJ Disjuntor;
EOL Central Geradora Eólica;
FT Fly-Tap;
GD Geração Distribuída;
IEA Agência Internacional de Energia;
IEEE Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica; INEE Instituto Nacional de Eficiência Energética; MACI Motores de Explosão a Pistão;
MF Mufla;
ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico; PCH Pequenas Centrais Hidrelétricas;
PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica;
SJ Jumper;
UFV Central Geradora Solar Fotovoltaica; UHE Usina Hidrelétrica;
UTE Usina Termelétrica; UTN Usina Termonuclear;
xiii SUMÁRIO RESUMO... vii ABSTRACT….. ... viii LISTA DE FIGURAS ... ix LISTA DE TABELAS ... xi
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS ... xii
1 INTRODUÇÃO ... 1
1.1 Justificativa ... 4
1.2 Objetivos. ... 4
1.3 Revisão Bibliográfica ... 4
2 ESTUDO DE SISTEMA DE POTÊNCIA ... 6
2.1 Fluxo de Carga ... 6
2.1.1 Formulação do Problema do Fluxo de Carga ... 6
2.1.2 Subsistema 1 ... 8
2.1.3 Subsistema 2 ... 9
2.1.4 Aplicação do Método de Newton-Raphson para a Resolução do Subsistema 1... 9
2.1.5 Algoritmo para a Resolução do Subsistema 1 e 2 pelo Método de Newton-Raphson... 12
2.2 Estudo de Curto-Circuito ... 15
2.2.1 Método das Componentes Simétricas ... 15
2.2.2 Componentes Simétricas Aplicadas a Sistemas Trifásicos ... 16
2.2.3 Tipos de Curto-Circuito ... 19
2.2.4 Curto-Circuito em Sistemas de Distribuição Radial de Energia Elétrica 25 2.2.5 Corrente de Curto-Circuito ... 26
3 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ... 28
xiv
3.1.1 Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) ... 33
3.1.2 Termelétrica à Biomassa ... 34
3.1.3 Energia Eólica ... 35
3.1.4 Energia Solar Fotovoltaica ... 36
3.2 Tecnologias de GD Utilizando Combustíveis Fósseis ... 37
3.2.1 Motores de Explosão a Pistão – MACI ... 37
3.2.2 Microturbinas a Gás ... 38
3.2.3 Motor Stirling ... 39
4 INFLUÊNCIA DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA EM FLUXO DE CARGA ... 41
4.1 Análise de Fluxo de Carga ... 42
4.1.1 Simulação do Caso Base ... 42
4.1.2 Simulações com Geração Distribuída ... 43
4.1.3 Análise Comparativa dos Casos Simulados ... 49
5 ALIMENTADOR REAL DE DISTRIBUIÇÃO ... 51
5.1 Aspectos Gerais ... 51
5.2 Modelagem do Alimentador de Distribuição ... 55
6 RESULTADOS ... 62
6.1 Análise do Fluxo de Potência para o Caso Base ... 62
6.2 Análise do Caso Base na Presença de Geração Distribuída ... 63
7 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS ... 66
7.1 Trabalhos Futuros ... 66
1
1 INTRODUÇÃO
“A ‘utilização de fogo’, o ‘cultivo agrícola’ e a ‘ comunicação escrita ’: estes três itens são muitas das vezes citados como as maiores realizações da humanidade. Pode-se juntar às essas realizações um quarto item: ‘estruturas
sociais baseadas em uma infraestrutura elétrica’, a principal criação humana do
século XX.
Nos últimos cem anos, atravessamos a era da ‘eletricidade como uma
ferramenta conveniente’ para um ponto onde esta se tornou uma parte inevitável
da nossa infraestrutura por meio da aquisição, transporte e utilização da energia, bem como nos meios de comunicação. Hoje, sem eletricidade não é possível realizar com eficiência qualquer uma de nossas atividades do cotidiano como: ‘fazer fogo’, ‘obter comida e água’, ‘fabricar ferramentas’, ‘locomoção’, ‘comunicação’, e assim por diante. Consequentemente, a maioria dos seres humanos tornou-se muito dependente da eletricidade. Com isso, essa importante infraestrutura elétrica domina nosso moderno sistema de potência.
Um Sistema de Potência pode ser comparado ao corpo humano. Uma comparação entre os dois pode ser útil para uma melhor compreensão das características essenciais do sistema de Potência. Em primeiro lugar, o corpo humano é composto por um grande conjunto de subsistemas (órgãos individuais, ossos, músculos, etc.), e todos são compostos por sua vez de um enorme número de minuciosas células. Um Sistema de Potência de uma determinada grande região é composto por um único sistema unificado. Dentro desta região, a eletricidade é disponibilizada para qualquer cidade, serviços de utilidade pública, residências, tudo por meio de cabos de metal, por uma grande rede totalmente integrada.
Usinas, subestações e linhas de transmissão; geradores, transformadores, chaves e outros equipamentos de alta tensão; vários tipos de equipamentos de controle, equipamentos de proteção e instalações auxiliares dos equipamentos; instalações de controle e comunicação de centros de controle; e os vários tipos de instalações de carga – todos estes também são compostos por um grande número de peças pequenas. Cada peça desempenha sua função e está ligada ao resto do sistema. A equipe de trabalhadores pode ser considerada como um importante membro do sistema de potência em qualquer parte que esta venha a
2 atuar. Poderíamos dizer que um sistema de potência é o maior e o mais complexo sistema artificial já produzido pelo homem na era moderna.
Em segundo lugar, o corpo humano vive porque consegue obter energia do meio externo, além de processá-la e utilizá-la. Consequentemente, novos tecidos celulares são criados e os tecidos antigos são descartados. Em tal procedimento, o corpo humano continua sempre a crescer e a se renovar.
O sistema de potência pode ser comparado da mesma forma. Uma condição para que isso ocorra é que ele seja operado de forma continua como um sistema interligado, sempre acrescentando novas partes e descartando as antigas. A primeira a se estabelecer foi a transmissão de energia a longa distância, há cerca de cem anos. Desde essa época, os sistemas de potência vêm operando e continuam a crescer e a se alterar. Desta forma, apesar de algumas falhas em determinadas partes deste, nunca um sistema de potência parou de fato. Além disso, nenhum sistema de potência foi construído e isolado a partir de outro existente na mesma região. Um sistema de potência é a melhor herança que uma geração pode deixar à outra.
Em terceiro lugar, o ser humano sente fome em poucas horas após sua última refeição; sua capacidade de armazenamento energia, se comparado com seu tempo de vida, é insignificante. Num sistema de potência, tal como uma usina hidrelétrica, a capacidade de qualquer sistema de armazenamento de energia em bateria é muito pequena se comparado à capacidade total que o referido sistema de potência possui. O balanço carga - geração deve ser mantido a cada instante para suprir flutuações ou súbitas mudanças no consumo total de carga. Em outras palavras, a ‘simultaneidade e igualdade no consumo e geração de energia’ é uma característica vital do sistema de potência, assim como no corpo humano.
Em quarto lugar, o ser humano pode viver mesmo se determinadas partes de seu corpo ou determinados órgãos forem removidos. Entretanto, um pequeno distúrbio nos tecidos celulares pode ser fatal. Tais situações podem ser vistas também nos sistemas de potência.
Uma característica essencial de um sistema de potência é a manutenção razoável de redundância que é obtida pelo planejamento, construção e operação deste. Dessa forma, o sistema pode operar satisfatoriamente mesmo se uma grande parte dele for subitamente retirada, na maioria dos casos. Do contrário, caso haja uma improvável falha de uma pequena parte do sistema, como por exemplo, um relé
3 (ou apenas um de seus componentes), poderá desencadear e disseminar a falha, algo do tipo ‘efeito dominó’, e levar o sistema todo a um black-out.
Quando há um distúrbio numa determinada parte do sistema de potência por ‘efeito dominó’, significa dizer que ocorreu uma grande falha no fornecimento de energia, devido à súbita saída do sistema de energia, o que, provavelmente, pode ter sido causado por disparos (trips) em cascata dos disjuntores de geradores causados pelo total desequilíbrio entre consumo (carga) e geração de energia, o que leva a ‘uma condição anormal na frequência (sub ou sobre frequência) ou sob limites
de capacidade de frequência (da / UF) de cada um dos geradores’, ‘disparos em
cascata da proteção de geradores causados por limites de estabilidade de potência, limites de estabilidade P-V ou por outro qualquer limite de capacidade operacional’, ‘disparos em cascata de equipamentos de usinas ou de linhas causados por fluxo de potência anormal excedendo o máximo limite de capacidade, ou limites de sobre ou sub tensão’, ‘sucessão de disparos em cascata após a falha na eliminação de uma falta devido a um reajuste do disjuntor ou causada por um mau funcionamento de um relé’, e assim sucessivamente, e que também possa ser causado por um conjunto de tais acontecimentos. Tais falhas, que podem ocorrer nos sistemas de potência, mostram o quanto os equipamentos e partes do sistema de potência, independentemente do seu tamanho, estão estreitamente ligados e coordenados entre si. O contraste entre tenacidade com delicadeza e redundância é a natureza essencial dos sistemas de potência.
Em quinto lugar, tal como acontece no corpo humano, um sistema de potência pode não suportar tais falhas, que podem causar cortes de energia e, podendo provocar ainda danos fatais aos consumidores. A recuperação de um sistema de potência não é fácil. Leva muito tempo e é caro, ou dependendo da situação, poderá ser impossível. Os sistemas de potência podem ser mantidos em bom funcionamento apenas pelo esforço e dedicação de engenheiros e outros profissionais.
Em sexto lugar, e, finalmente, quase tão bem elaborado quanto o corpo humano, o sistema de potência hoje (incluindo todos os tipos de cargas) como um todo é uma obra prima de recentes novas tecnologias, tudo isso baseado num século de conhecimentos acumulados, algo em que todos os engenheiros eletricistas podem compartilhar orgulhosamente, juntamente com engenheiros
4 mecânicos. Todos esses feitos têm de ser bem sucedidos como estrutura social indispensável para as próximas gerações.” (HASE, 2007, tradução nossa).
1.1 Justificativa
O sistema de distribuição de energia elétrica foi tradicionalmente concebido para funcionar com fluxo de potência unidirecional, sempre fluindo da subestação para atender as cargas ao longo de todo o alimentador. No entanto, esse modelo de geração (geração centralizada) passou a ser questionada em todo o mundo após a crise do petróleo de 1973.
A partir de então foi iniciada a busca por geração alternativa de energia elétrica e a geração distribuída apresentou-se como viável pelo fato de proporcionar ao sistema elétrico: postergação de investimentos em expansão nos sistemas de distribuição; baixo impacto ambiental; redução no carregamento das redes; redução de perdas e a diversificação da matriz energética, entre outros.
No Brasil o estímulo à geração distribuída ainda é incipiente, porém segundo o presidente da empresa de pesquisa energética (EPE), Maurício Tomalsquim, até 2022 o país deverá produzir 1,4 mil megawatts de energia elétrica por meio de GD. Diante disso surge a necessidade de verificar os reais impactos causados pela conexão de GD em sistema de distribuição de energia elétrica.
1.2 Objetivos
O presente trabalho visa avaliar o impacto causado nas perdas ativas e no nível de tensão pela conexão de geração distribuída em um sistema de distribuição real, usando o software ANAREDE para realizar os estudos de fluxo de potência.
1.3 Revisão Bibliográfica
Muitos trabalhos vêm sendo desenvolvidos a respeito da geração distribuída com as mais variadas finalidades. A grande maioria dos autores, por entenderem os benefícios que a GD pode trazer ao sistema de distribuição procuram explorar ao máximo, usando, por exemplo, técnicas de inteligência computacional
5 para fazer alocação ótima da GD e dessa forma obter redução de perdas ativas, melhorar o perfil de tensão, verificar o impacto no nível de curto-circuito e projetar a coordenação dos dispositivos de proteção para o sistema.
Souza (2009) usa o algoritmo genético para determinar os pontos ótimos de alocação para unidades de geração distribuída, sendo que os parâmetros levados em consideração na sua função objetivo são: custo das perdas, custo da redução de queda de tensão, custo da violação de limites de tensão e custo da conexão.
Alves e Branco (2012) também utilizam o algoritmo genético para alocar unidades de geração distribuída com o objetivo de reduzir as perdas e melhor perfil de tensão na rede de distribuição. Na função objetivo encontra-se um parâmetro relacionado com o custo da perda de potência.
Yang e Chen (2011) propõe uma técnica também baseada em algoritmo genético porém, com a finalidade de determinar a máxima quantidade de geração distribuída que podem ser alocadas em um sistema de distribuição sem que ocorra a violação nos limites de tensão.
Bittencourt (2011) acredita que a conexão da GD em sistema de distribuição pode gerar vantagens e desvantagens para a operação dos sistemas de potência, principalmente no que se refere à coordenação dos dispositivos de proteção. Diante disso, o autor apresenta uma proposta de proteção adaptativa de alimentadores de distribuição de energia elétrica considerando a GD, como forma de contornar as dificuldades da proteção.
6
2 ESTUDO DE SISTEMA DE POTÊNCIA
2.1 Fluxo de Carga
Monticelli (1983) afirma que o cálculo de fluxo de carga (ou fluxo de potência) consiste na determinação do estado operativo da rede de energia elétrica, ou seja, na obtenção de tensão e ângulo em cada nó do sistema e a partir daí na distribuição dos fluxos de potência nos ramos. Ressalta ainda que, nesse tipo de problema, a modelagem do sistema é estática, ou seja, a rede é representada por um conjunto de equações e inequações algébricas. Esse tipo de representação é utilizada em situações onde as variações com o tempo são suficientemente lentas para que se possa ignorar os efeitos transitórios.
2.1.1 Formulação do Problema do Fluxo de Carga
Na formulação básica do problema do fluxo de carga, quatro variáveis são associadas a cada barra k da rede: magnitude de tensão Vk, ângulo de fase θk, potência ativa Pk e potência reativa Qk. Em cada barra, duas dessas variáveis são especificadas como dado de entrada e as outras duas são incógnitas (GLOVER; SARMA; OVERBYE, 2010).
Dependendo de quais variáveis nodais entram como dados e quais são consideradas como incógnitas, definem-se três tipos de barras, como apresentado na Tabela 2.1.
Tabela 2.1 - Classificação das barras.
Tipo de Barra Variáveis
conhecidas
Variáveis
desconhecidas Função na rede
Vθ V, θ P, Q Barra de referência
PQ P, Q V, θ Barra de carga
PV P, V Q, θ Barra de geração
O conjunto de equações do problema do fluxo de carga é formado por duas equações para cada barra, resultado da imposição da Primeira Lei de Kirchhoff e pode ser representada matematicamente como segue:
7
K m km km km km m k k V V G B P cos sin (2.1)
K m km km km km m k k V V G B Q sin cos (2.2)Onde k = 1,..., NB, sendo NB o número de barras da rede e K é conjunto das barras vizinhas à barra-k, inclusive k.
As expressões 2.1 e 2.2 foram montadas considerando-se as seguintes convenções de sinais: as injeções líquidas de potência são positivas quando entram na barra (geração) e negativa quando saem da barra (carga): os fluxos de potência são positivos quando saem da barra e negativos quando entram na barra: para os elementos shunt das barras é adotada a mesma convenção que para as injeções. Essas convenções de sentidos para as potências ativas e reativas são as mesmas utilizadas para correntes e estão indicadas na Figura 2.1 (MONTICELLI, 1983).
k
Ikm
Ik
jbksh Iksh
Fonte: Monticelli (1983)
Figura 2.1 - Convenção de sinais para fluxo e injeções de corrente, potência ativa e potência reativa. Sabe-se que nas barras de cargas (PQ) há uma necessidade de manter os níveis de tensão dentro de limites especificados, nas barras de geração (PV) a restrição está na injeção de potência reativa, dessa forma um conjunto de duas inequações é estabelecido (MONTICELLI, 1983):
8 min max k k k V V V (2.3) max min k k k Q Q Q (2.4)
O estado da rede é determinado quando são conhecidas as magnitudes de tensão V e ângulos de fase θ de todas as NB barras. Portanto, o problema consiste em solucionar o seguinte problema de 2NB equações e 2NB incógnitas:
K m km km km km m k k K m km km km km m k k B G V V Q B G V V P 0 cos sin 0 sin cos (2.5)Considera-se a rede constituída de N barras do tipo PQ; N barras do tipo PV; e uma barra do tipo Vθ, tomada como referência na rede. Dessa forma, o sistema possui (GOMES, 2006):
2(NPQ + NPV + 1) dados 2(NPQ + NPV + 1) incógnitas
Com o objetivo de criar um algoritmo para a resolução, o sistema é dividido em dois subsistemas, onde o subsistema 1, consiste na determinação das variáveis de estado (V e θ para as barras PQ; θ para as barras PV) e no subsistema
2, calcula-se as potências nodais desconhecidas (P e Q para a barra V θ; e Q das
barras PV).
2.1.2 Subsistema 1
Neste subproblema pretende-se calcular Vk e θk nas barras PQ, θk nas barras PV. Sabe-se que Pk e Qk são conhecidas nas barras PQ, e Pk e Vk nas barras PV. Portanto, trata-se de um sistema de 2NPQ + NPV equações algébricas não-lineares com o mesmo número de incógnitas, onde as variáveis que se deseja determinar aparecem de forma implícita, o que exige um processo iterativo de resolução, que será mostrado ao longo desde trabalho. Portanto, para esse
9
K m km km km km m k esp k K m km km km km m k esp k B G V V Q B G V V P , 0 cos sin , 0 sin cos para barras PQ e PV (2.6) para barras PQOnde Pkesp e Qkesp são os valores conhecidos de P e Q.
2.1.3 Subsistema 2
Essa etapa da resolução consiste em determinar os valores de Pk e Qk para barra de referência e Qk para barra de geração. Temos, portanto, um sistema de dimensão NPV + 2 equações algébricas não-lineares, onde as incógnitas que se quer determinar, diferentemente do subsistema 1, aparecem de forma explicita no sistema de Equação 2.7
K m km km km km m k k K m km km km km m k k B G V V Q B G V V P , cos sin , sin cos para barra Vθ (2.7) para barras PV e Vθ2.1.4 Aplicação do Método de Newton-Raphson para a Resolução do
Subsistema 1
Sabe-se que na resolução do problema do fluxo de carga, algumas técnicas numéricas ganham destaques, entre elas convém citar o método de Gauss, Gauss-Siedel, e o método de Newton-Raphson são as principais, porém, neste trabalho será apresentado apenas o método de Newton-Raphson, por dois motivos: primeiro porque os dois primeiros métodos citados possuem fraca característica de convergência e segundo porque o método de Newton-Raphson, além de robusto, é o padrão do software ANAREDE, que será usado no trabalho para as simulações do fluxo de potência.
Na Equação 2.8, tem-se o vetor de incógnitas.
V x (2.8)
10 Onde é o vetor dos ângulos das tensões das barras PQ e PV com dimensão (NPQ + NPV); e V é o vetor das magnitudes das tensões nas barras PQ e tem dimensão NPQ.
As equações do subsistema 1 podem ser reescritas como:
0 0 cal k esp k k cal k esp k k Q Q Q P P P (2.9) Onde:
Pke Qk são os resíduos (ou erros, ou mismatches) de potência ativa e reativa da barra k;
esp k
P e esp k
Q são os valores já conhecidos de P e Q; cal
k
P e Qkcal são calculados por meio das equações (2.1) e (2.2) de potências
nodais.
Seja a função vetorial g
x dada por:
0 Q P x g (2.10)Com P sendo o vetor de resíduos de potência ativa das barras PQ e PV, tendo dimensão (NPQ + NPV), e Q o vetor de resíduos de potência reativa das barras PQ, com dimensão NPQ.
O método iterativo de Newton-Raphson diz que, para cada iteração , tem-se:
x x J x g (2.11)Onde J é a matriz jacobiana de derivadas parciais de g
x em relação àxe x o vetor de correção de estado. Ambos são calculados a cada iteração.
Na Equação 2.12 é apresentado o sistema básico do problema de fluxo de carga para uma iteração , após alguma manipulação algébrica.
11 V L M N H Q P (2.12)
As submatrizes H,N,M e L que compõe a matriz jacobiana J , dada pela Equação 2.12, medem as sensibilidades entre as potências (ativas e reativas) e as tensões (magnitudes e ângulos de fase) nodais e são dadas por:
P H ; V P N Q M ; V Q L (2.13)
Gomes (2006) afirma que os cálculos dos elementos das submatrizes são realizados por meio das expressões de potências nodais para P e k Q . Considera-k
se que a matriz admitância Y seja simétrica, dessa forma temos:
k kk k k k kk km km km km m k m k km Q B V P H B G V V P H 2 cos sin (2.14)
k kk k k k k kk km km km km k m k km P G V V V P N B G V V P N 2 1 sin cos (2.15)
k kk k k k kk km km km km m k m k km P B V Q M B G V V Q M 2 sin cos (2.16)
k kk k k k k kk km km km km k m k km Q B V V Q L B G V V Q L 2 1 cos sin (2.17)12 H
NPQNPV
NPQNPV
N
NPQNPV
NPQ
M
NPQ
NPQNPV
L
NPQNPQ
Considera-se que a solução foi atingida, quando para um determinado estado
,V os resíduos estiverem bem próximos de zero, ou seja, as potências calculadas devem estar bem próximas das especificadas (P e Q para as barras PQ e P para as barras PV). Os critérios de convergências são: Pk P, para as barras k do tipo PQ e PV Qk Q, para as barras k do tipo PQ
Onde Pe Qsão as tolerâncias admitidas para os resíduos de potência ativa e reativa, respectivamente.
2.1.5 Algoritmo para a Resolução do Subsistema 1 e 2 pelo Método de Newton-Raphson
A seguir, são descritas as etapas de resolução do problema de fluxo de carga pelo método de Newton-Raphson através dos subsistemas 1 e 2.
SUBSISTEMA 1
1. Inicializar o contador de iterações 0
Escolher valores iniciais para as magnitudes de tensão nas barras PQ e ângulo de fase para as barras PQ e PV, logo:
0 0 V x
13 Calcular Qk
,V
para as barras PQ.Calcular os respectivos resíduos de potência: Pke k Q . 3. Testar a convergência Se
Pk kPQ,PV P max e
Qk kPQ Q maxConsidera-se que o processo iterativo convergiu V x .
Então, ir para o passo 7 Senão, prosseguir
4. Calcular a matriz jacobiana
V L V M V N V H , , , ,5. Calcular os vetores de correção de estado
V Q V P V L V M V N V H V , , , , , , 1E determinar a nova solução
1 V V V 1
6. Incrementar o contador de iterações
1
e voltar ao passo 2. SUBSISTEMA 27. Calcular P para a barra de referência e k Q para as barras PV e de referência. k
14 0
V
,
V Q V P , ,
PQPV
k Q P Q k P k , : max : max
V Q V P V L V M V N V H V , , , , , ,
V V V 1 11
Solução
Fluxograma Método de Newton-Raphson Fonte: Gomes (2006)15
2.2 Estudo de Curto-Circuito
O curto-circuito também chamado de defeito ou falta (fault) pode ser definido como uma conexão acidental ou intencional entre condutores sob potenciais diferentes, onde o contato pode ser direto (metálico) ou indireto (através de arco voltáico). Como consequência, resulta uma corrente elétrica que pode atingir valores muito elevados, dependendo do tipo de curto-circuito.
Para Almeida e Freitas (1995) as causas mais frequentes da ocorrência de curtos-circuitos em sistema de potência são:
Descargas atmosféricas;
Falhas mecânicas em cadeias de isoladores; Fadiga e/ou envelhecimento de materiais; Ação de vento, neve, ou similares;
Poluição (queimadas);
Queda de árvores sobre redes;
Colisão de veículos com elementos de sustentação de linhas; Inundações;
Desmoronamentos; Vandalismo;
Entrada de pequenos animais em equipamentos; Manobras incorretas.
Os autores ressaltam ainda que o estudo de curtos-circuitos tem as seguintes finalidades:
Permitir o dimensionamento dos diversos componentes do sistema quando sujeitos às solicitações dinâmicas e efeitos térmicos decorrentes do curto; Possibilitar a seleção de disjuntores;
Permitir a execução da coordenação e de ajustes de relés de proteção; Possibilitar a especificação de para-raios.
16 Em 1918, o Dr. C. L. Fortescue escreveu um artigo intitulado “Method of
Symmetrical Coordinantes Applied to the Solution of Polyphase Networks.” Nesse
trabalho ele descreveu como um sistema de “n” fasores arbitrariamente desequilibrados podem ser transformadas em “n” sistemas de fasores equilibrados, denominadas de componentes simétricas.
2.2.2 Componentes Simétricas Aplicadas a Sistemas Trifásicos
De acordo com o teorema de Fortescue, um sistema trifásico desequilibrado de sequência de fase abc, representados por fasores de tensão Va, Vb, Vc e girando à frequência angular da rede, conforme a Figura 2.3 pode ser decomposto em três sistemas equilibrados de fasores como mostrado na Figura 2.4.
Va
Vb
Vc
Referência
Fonte: Stevenson (1986)
Figura 2.3 - Conjunto assimétrico constituído por três fasores desequilibrados.
Onde esses sistemas ou conjuntos equilibrados de fasores são normalmente conhecidos como componentes de sequência positiva (representada por 1 ou +), sequência negativa (representada por 2 ou -) e sequência zero (representada por 0).
As componentes de sequência positiva consistem de três fasores de módulos iguais e defasados de 120º entre si, e mesma sequência de fase dos fasores originais.
Enquanto que as componentes de sequência negativa apesar de apresentarem módulos iguais e defasagem de 120º entre si, a sequência de fase é oposta a dos fasores originais.
17 As componentes de sequência zero também consistem de três fasores de mesmo módulo, porém com defasagem zero entre si.
Va1 Vc1 Vb1 Vb2 Vc2 Va2 Va0 Vb0 Vc0 Componentes de sequência positiva Componentes de sequência negativa Componentes de sequência zero Fonte: Stevenson (1986)
Figura 2.4 - Três conjuntos de fasores equilibrados que são componentes de três fasores
desequilibrados.
Estes conjuntos de fasores equilibrados devem, portanto, ser combinados para formarem os fasores desequilibrados da Figura 2.3, como mostrado na Figura 2.5. Va1 Va2 Va0 Va Vb1 Vb2 Vb0 Vb Vc1 Vc2 Vc0 Vc Referência Fonte: Stevenson (1986)
Figura 2.5 - Composição do conjunto de fasores desequilibrados a partir dos conjuntos de fasores
equilibrados.
Para a determinação analítica das componentes simétricas, cabe a seguinte consideração:
18 Por conveniência, costuma-se usar uma representação literal ‘a’ (também chamado de operador rotacional) para designar o número complexo 1120º, dessa forma tem-se para o sistema de sequência positiva (Figura 2.4):
1 1 1 2 1 1 1 a c a b a a V a V V a V V V (2.18)
Para o sistema de sequência negativa pode-se escrever:
2 2 2 2 2 2 2 a c a b a a V a V V a V V V (2.19)
O sistema de sequência zero pode ser representado por:
0 0 0 0 0 0 c c b b a a V V V V V V (2.20)
Dessa forma, o que fora apresentado na Figura 2.5 pode ser traduzido analiticamente pelas seguintes equações:
2 1 0 2 1 0 2 1 0 c c c c b b b b a a a a V V V V V V V V V V V V (2.21)
Com a finalidade de simplificar a notação, considera-se V0 = Va0, V1 = Va1 e V2 = Va2, dessa forma a representação matricial da Equação 2.21 fica:
2 1 0 2 2 1 1 1 1 1 V V V a a a a V V V c b a (2.22)
A Equação matricial 2.22 permite determinar o sistema trifásico desequilibrado a partir do conhecimento de suas componentes simétricas. A inversa
19 dessa matriz (Equação 2.23) permite decompor em componentes simétricas o sistema trifásico desequilibrado original.
c b a V V V a a a a V V V 2 2 2 1 0 1 1 1 1 1 3 1 (2.23)
Apesar de todas as análises e equações obtidas até o presente momento sejam para fasores de tensão, o teorema de Fortescue aplica-se igualmente a quaisquer conjuntos de fasores correlacionados como, por exemplo, para as equações envolvendo correntes.
Assim, a expressão da corrente equivalente à apresentada na Equação 2.22 para a tensão é: 2 1 0 2 2 1 1 1 1 1 I I I a a a a I I I c b a (2.24)
As componentes de sequência da corrente obtida a partir das componentes desequilibradas são dadas pela Equação 2.25.
c b a I I I a a a a I I I 2 2 2 1 0 1 1 1 1 1 3 1 (2.25) 2.2.3 Tipos de Curto-Circuito
As faltas em sistema elétrico de potência são classificadas em trifásica (FFF), bifásica (FF), trifásica-terra (FFFT), bifásica-terra (FFT) e fase-terra (FT). Sendo a última com maior índice de ocorrência, aproximadamente 75% como mostra o gráfico da Figura 2.6 (MARTINEZ & MARTÍN-ARNEDO, 2006).
20 Fonte: Martinez & Martín-Arnedo (2006)
Figura 2.6 - Ocorrência de curto-circuito em sistemas de potência.
2.2.3.1 Curto-Circuito FT
Uma representação esquemática de curto-circuito FT no ponto F é apresentada na Figura 2.7.
Fonte: Anderson (1973)
Figura 2.7 - Representação de curto-circuito fase-terra (FT). Nesse caso, as condições de contorno são:
0 fc fb I I (2.26) fa f fa Z I V (2.27) 2% 3% 17% 75% 3%
Ocorrência de curto circuito em sistemas de potência
Trifásico, sem terra Bifásico, sem terra Bifásico, com terra Monofásico
21 Transformando estas grandezas em componentes simétricas obtém-se:
3 2 1 0 fa a a a I I I I (2.28) 0 2 1 0 a a f3 a a fa V V V Z I V (2.29)
Estas equações são representadas através do circuito equivalente da Figura 2.8, onde:
VTH – é a tensão equivalente de Thevènin no ponto F;
ZTH0, ZTH1 e ZTH2 – são as impedâncias de sequência zero, positiva e negativa, respectivamente, vistas do ponto F.
Va1 Va2 Va0 3Zf Vfa ZTH1 ZTH2 ZTH0 VTH + -Ia1 Ia2 Ia0
Fonte: Almeida e Freitas (1995)
Figura 2.8 - Circuito equivalente para falta monofásica.
2.2.3.2 Curto-Circuito FF
Este tipo de curto-circuito, representado de forma esquemática pela Figura 2.9, é caracterizado como assimétrico, porém, devido à falta não ter conexão com o solo, a corrente de falta irá depender somente das componentes de sequência positiva e negativa.
22 T T T Va Vb Vc Ifa = 0 Ifb Ifc A B C + + + -Zf Fonte: Anderson (1973)
Figura 2.9 - Representação de curto-circuito bifásico (FF). As condições de contorno são:
0 fa I (2.30) 0 fc fb I I (2.31) fb f fc fb V Z I V (2.32)
Transformando em componentes simétricas essas equações e com algumas manipulações chega-se ao seguinte resultado:
1 2
1 a f a
a V Z I
V (2.33)
Por meio da Equação 2.33, encontra-se o circuito mostrado na Figura 2.10. ZTH1 T Zf T ZTH2 VTH + -Va1 Va2 Ia1 f1 f2 Ia2
Fonte: Almeida e Freitas (1995) Figura 2.10 - Circuito equivalente para falta FF.
23
2.2.3.3 Curto-Circuito FFT
A falta bifásica (FFT) provoca desequilíbrio no sistema e por esse motivo é conhecida também como falta assimétrica ou desequilibrada, seu cálculo é realizado por meio de componentes simétricas, a Figura 2.11 ilustra uma falta do tipo FFT. T T T T Va Vb Vc Ifb + Ifc Zf Zf Zg N A B C + + + -Ifb Ifc Ifa = 0 Fonte: Anderson (1973)
Figura 2.11 - Diagrama de curto-circuito bifásico-terra (FFT). As condições de contorno são:
0 fa I (2.34)
fb fc
g fb f fb Z I Z I I V (2.35)
fb fc
g fc f fc Z I Z I I V (2.36)As Equações (2.34), (2.35) e (2.36) em termos de componentes de sequência conduzem as seguintes expressões:
2 2 1 1 f a a f a a Z I V Z I V (2.37)
0 1 1 0 f 3 g a a f a a Z Z I V Z I V (2.38)As Equações (2.37) e (2.38) podem ser obtidas por meio de análise do circuito da Figura 2.12.
24 ZTH1 T Zf T VTH + -Va1 Va2 Ia1 Ia0 Zf ZTH2 Zf + 3Zg ZTH0 Ia2 Va0
Fonte: Almeida e Freitas (1995)
Figura 2.12 - Circuito equivalente para defeito FFT.
2.2.3.4 Curto-Circuito FFF e FFFT
As faltas trifásicas (ou faltas simétricas) são caracterizadas por não provocar desequilíbrio no sistema, pois se admite que todos os condutores da rede são solicitados de modo idêntico e conduzem o mesmo valor eficaz da corrente de curto-circuito. Apesar de menos frequentes no sistema, são as mais severas (RAMOS, 2009).
A Figura 2.13 mostra uma representação esquemática desse tipo de falta.
T T T T Va Vb Vc Ia Ib Ic Ia + Ib + Ic Zf Zf Zf Zg N A B C + + + -Fonte: Anderson (1973)
25 Como as correntes desse tipo de falta são balanceadas, somente o modelo de sequência positiva é considerado, como mostrado na Figura 2.14.
ZTH1 VTH + -Va1 Fonte: Kindermann (1997)
Figura 2.14 - Circuito equivalente de curto-circuito trifásico.
2.2.4 Curto-Circuito em Sistemas de Distribuição Radial de Energia Elétrica
Gómez (2005) apud Cabral (2010) apresenta uma estatística importante sobre a frequência de ocorrência de faltas em linhas de distribuição de energia elétrica, sendo: 30% trifásica, 10% fase-fase, 10% fase-fase terra e 50% fase-terra.
Onde dos 50% que cabe as faltas fase-terra, existe uma parcela referente às faltas fase-terra mínimo, que geralmente é uma corrente de curto pequena e dessa forma produz pouca sensibilidade nos equipamentos de proteção. Por esses motivos existe uma preocupação por partes dos técnicos dos sistemas de distribuição em calcular essa corrente. Na Figura 2.15 é apresentado um modelo de curto-circuito fase-terra mínimo.
26 Va1 Va2 Va0 3Zd/Zbase ZTH1 ZTH2 ZTH0 + -Ia1 Ia2 Ia0 VTH
Fonte: Kindermann (1997) (ADAPTADO)
Figura 2.15 - Modelo em série no curto-circuito fase-terra mínimo. O valor da corrente em módulo é dado pela Equação 2.39.
base base d mínimo terra cc I Z Z Z Z Z I 3 3 0 2 1 1 (2.39)
Kindermann (1997) afirma que a obtenção do valor de Zd é um problema difícil, dessa forma, no Brasil, costuma-se utilizar 40Ω para Zd.
2.2.5 Corrente de Curto-Circuito
De acordo com os dados apresentados, sabe-se que as correntes de curto-circuito costumam ser, na prática, assimétricas. Na Equação 2.40 tem-se a representação desta corrente, onde se observa que ela é composta de duas componentes, uma alternada (corrente simétrica) e uma contínua.
t assimétrica i
t simétrica i
t contíuai (2.40)
27 Fonte: Santos (2009)
Figura 2.16 - Corrente típica de curto-circuito.
Segundo IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of
Industrial and Commercial power Systems (2001) apud Santos (2009), sabe-se que:
Os valores assimétricos das correntes de curtos-circuitos são empregados para a determinação da capacidade dos equipamentos em suportar os efeitos dinâmicos das correntes de falta. Já os valores simétricos são usados para determinar as capacidades de interrupção dos dispositivos de seccionamento (por exemplo, disjuntores), as capacidades de suportar os efeitos térmicos produzidos pelas correntes de falta, e a para definir os ajustes dos dispositivos de proteção contra sobrecorrente.
28
3 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
Na literatura, um grande número de termos e definições é usado em relação à geração distribuída (GD). Por exemplo, dentro do continente americano, termos como ‘geração embarcada’ e ‘geração dispersa’ são comumente usados, na Europa e parte da Ásia, o termo ‘geração descentralizada’ é aplicado para o mesmo tipo de geração (ACKERMANN; ANDERSON; SÖDER, 2001).
Dessa forma, verifica-se que não há um consenso tanto em termos de nomenclatura quanto em termos de conceitos relacionados à GD. O Instituto Nacional de Eficiência Energética (INEE) define GD como uma expressão usada para designar a geração elétrica realizada junto ou próxima do(s) consumidor(es) independente da potência, tecnologia e fonte de energia.
De acordo com os Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica (PRODIST) da ANEEL, GD são centrais geradoras de energia elétrica, de qualquer potência, com instalações conectadas diretamente no sistema elétrico de distribuição ou através de instalações de consumidores, podendo operar em paralelo ou de forma isolada e despachadas ou não pelo ONS.
Para Ackermann; Anderson; Söder (2001) GD é uma fonte de geração conectada diretamente na rede de distribuição ou no local de mediação do consumidor. A potência instalada, nesta definição, não é considerada relevante para sua caracterização. Neste mesmo trabalho, os autores sugerem uma distinção entre as categorias de GD:
Micro geração distribuída: ~ 1 Watt < 5 kW; Pequena geração distribuída: 5 kW < 5 MW; Média geração distribuída: 5 MW < 50 MW; Grande geração distribuída: 50 MW < ~300 MW
Lora & Haddad (2006) afirmam que no Brasil há uma divergência quanto ao limite máximo de potência que se pode conectar a rede de distribuição, dependendo do autor, esse limite pode variar entre 30 MW a 50 MW. Entretanto, segundo os autores, existem situações em que mesmo sistemas com potências maiores poderiam ser considerados como GD, dessa forma, eles dividem GD nas seguintes faixas:
29 Micro Sistemas com potência inferior a 1 MW;
Pequena Sistemas com potência entre 1 MW e 30 MW; Média Sistemas com potência entre 30 MW e 50 MW; Grande Sistemas com potência entre 50 MW e 100 MW.
Neste trabalho, é suficiente considerar a RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº 482, DE 17 DE ABRIL DE 2012 publicada pela ANEEL e complementada na seção 3.7 do Módulo 3 do PRODIST onde foram estabelecidos procedimentos para acesso de micro e minigeradores ao sistema de distribuição. Para efeitos desta resolução ficaram adotadas as definições seguintes, que serão relevantes para o presente trabalho:
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;
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;
Com base nos conceitos apresentados, Ramos (2009) acredita que os primeiros sistemas de energia elétrica eram de GD, pois no início da produção e transmissão de eletricidade, por volta de 1876, havia várias limitações no que se refere à geração e transmissão de energia. Devido a isso o consumo da energia ocorria localmente.
Entretanto, no início do século XX, fatores como o avanço da tecnologia, o surgimento do transformador e a necessidade da transmissão de energia a maiores distâncias, fizeram com que os sistemas de energia locais fossem substituídos por grandes unidades geradores centralizadas, mais confiáveis e com o preço de energia mais atrativa quando comparada aos sistemas de geração local. A Figura 3.1 mostra um modelo de sistema centralizado.
30 Devido a diversos fatores, tais como: rápida expansão da demanda, tempo exigido para a construção ou ampliação dos sistemas já existentes, questões ambientais e carência de estudos no sentido de diversificação da matriz energética, fazem com que os sistemas elétricos operem sobrecarregados. O Brasil já sofreu grandes distúrbios decorrentes dos problemas citados, podendo-se destacar o racionamento de energia elétrica ocorrido em 2001 (RAMOS, 2009).
Atualmente, procura-se complementar os sistemas centralizados com a produção de energia proveniente de GD, conforme é mostrado na Figura 3.2, que passa a ser visto como a solução de vários problemas e fontes de grandes benefícios no que se refere à confiabilidade, à qualidade de energia (diminuição das perdas e melhoria no perfil de tensão) e às questões ambientais.
Fonte: http://www.tecnometalenergiasolar.com.br/mercado.html, acessado em 04/06/2014 Figura 3.1 - Exemplo de sistema elétrico centralizado.
Fonte: http://www.tecnometalenergiasolar.com.br/mercado.html, acessado em 04/06/2014 Figura 3.2 - Exemplo de sistema elétrico descentralizado: com a presença de geração distribuída.
31
3.1 Tecnologias de GD Utilizando Fontes Renováveis
A participação de fontes renováveis na matriz energética brasileira corresponde a quase 80% da energia que é gerada no país. A Figura 3.3 apresenta informações da matriz energética brasileira, com destaque para a participação das fontes renováveis na produção de energia.
Fonte: ANEEL, atualizado em 25/05/2014 Figura 3.3 - Matriz energética brasileira.
Lora & Haddad (2006) destacam que após a crise do petróleo em 1973, em um processo reforçado pela segunda crise em 1978, os países perceberam a necessidade de mudança rápida no quadro energético. No Brasil, o interesse pela GD ocorre principalmente após a reestruturação institucional do setor elétrico, com a criação das figuras do consumidor livre e do comercializador de energia; oportunidade de livre acesso de produtores independentes e consumidores livres ao sistema de transmissão, pelas novas regras estabelecidas pela ANEEL; legalização da venda de energia elétrica ao mercado por produtores independentes e autoprodutores; permissão legal de distribuição de eletricidade conjuntamente com frio/calor distrital.
A seguir serão apresentadas e descritas as principais tecnologias de GD de pequeno porte que utilizam fontes renováveis, dentre as quais se destacam: Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs), Termelétricas a biomassa, Energia eólica e
67% 2% 9% 2% 3% 11% 6% Hidro: Eólica: Biomassa: Nuclear: Carvão Mineral: Gás: Petróleo:
32 Energia solar fotovoltaica. Na Tabela 3.1 é mostrada a situação atual dos empreendimentos de geração de eletricidade do Brasil.
Tabela 3.1 - Resumo dos empreendimentos energéticos brasileiro. Onde CGH ↔ Central Geradora Hidrelétrica, CGU ↔ Central Geradora Undi-elétrica, EOL ↔ Central Geradora Eólica, PCH ↔ Pequena Central Hidrelétrica, UFV ↔ Central Geradora Solar Fotovoltaica, UHE ↔ Usina Hidrelétrica, UTE ↔ Usina
Termelétrica e UTN ↔ Usina Termonuclear.
Tipo Situação Quantidade Potência Associada em
(kW) CGH Em operação 449 274.750 Em construção 1 848 Outorgada 44 29.524 CGU Em operação - - Em construção - - Outorgada 1 50 EOL Em operação 145 3.136.876 Em construção 127 3.323.435 Outorgada 195 4.870.771 PCH Em operação 462 4.648.729 Em construção 30 328.073 Outorgada 148 2.038.457 UFV Em operação 107 13.354 Em construção - - Outorgada - - UHE Em operação 197 86.601.045 Em construção 7 14.060.800 Outorgada 14 2.835.442 UTE Em operação 1830 39.049.128 Em construção 13 994.612 Outorgada 132 5.688.699 UTN Em operação 2 1.990.000 Em construção 1 1.350.000 Outorgada - -
33
3.1.1 Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs)
A ANEEL define no artigo 2º da RESOLUÇÃO Nº 394, DE 04 DE DEZEMBRO DE 1998 que: “Os empreendimentos hidrelétricos com potência superior a 1.000 kW e igual ou inferior a 30.000 kW, com área total de reservatório igual ou inferior a 3,0 km2, serão considerados como aproveitamentos com características de pequenas centrais hidrelétricas.”
As Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) representam, atualmente, uma forma rápida e eficiente de promover a expansão da oferta de energia elétrica, visando suprir a crescente demanda verificada no mercado nacional. Esse tipo de empreendimento possibilita um melhor atendimento às necessidades de carga de pequenos centros urbanos e regiões rurais, uma vez que, na maioria dos casos, complementa o fornecimento realizado pelo sistema interligado. Por isso, além de simplificar o processo de outorga, o Governo concedeu uma série de benefícios ao empreendedor, para estimular os investimentos. Na Figura 3.4 é apresentada a PCH Garganta de Jararaca em Mato Grosso.
Fonte: Atiaia Energia
Figura 3.4 - PCH Garganta da Jararaca (Potência instalada, 29,3 MW).
Cabe ressaltar que algumas PCH‘s, por apresentarem posição geográfica favorável além dos benefícios já citados, substituem o abastecimento proveniente de usinas termelétricas que queimam óleo diesel, altamente poluente ao meio ambiente, como por exemplo, o caso das usinas de Garganta da Jararaca e Paranatinga II, localizadas no Mato Grosso.
