Especulando sobre o futuro: Distribuição em CC para Integração de Fontes Distribuídas

Marcelo Lobo Heldwein, Dr. Sc.

<heldwein@inep.ufsc.br>

INEP

Especulando sobre o futuro:

Distribuição em CC para

Integração de Fontes Distribuídas

Eficiência em redes ativas de distribuição

SEPOC 2010

4o _{Seminário de Eletrônica}

de Potência e Controle

Primeira rede elétrica

(CC)

no Brasil

— Iluminação da Central do Brasil, Rio de Janeiro

— Decreto 7151 do império em 1878 (D. Pedro II)

— Rede:

• ―Velas‖ inventadas por Paul Jablochkoff

• Alimentadas por dínamo de Zénobe Gramme

Fonte:

Parte I

Perspectivas para o

consumo de energia elétrica

4

INEP

Fontes de alimentação

(CC)

— 2002: > 6 bilhões de fontes chaveadas no mundo

— Previsão:

• 2010–2020 => 30% a 50% do consumo global será com equipamentos de ICT

Fontes: M. Mills and P. Huber, ―Dig more coal the pcs are coming," Forbes, 1999.

— Tendências

• Integração de controles e funções ―inteligentes‖

• Aumento de processamento eletrônico (CC)

• Necessidade de melhoria de rendimento

Consumo de eletricidade

Fonte:

http://www.advantech.com/solutions/e Home/images/Scenario-chart.jpg 5

Possíveis cenários para o consumo residencial

Possíveis cenários para o consumo residencial

— Em 2009.

COPEL, ―Consumo residencial‖, 06 Set. 2009.

Consumo de eletricidade residencial

(Sul do Brasil)

— Em 2008.

Frohn & Meyer, 2009.

Consumo de eletricidade industrial

(mundo)

Iron and steel

Chemical / petroch. Machinery

Transportation Paper and pulp Minerals Food industry Others Drives, aquecimento Aquecimento, drives, DC Drives Drives

Steam gen., aquecimento, drives Drives

Ger. de vapor, aquec./resfr. Iluminação, aquec./resfr., drives

— Implicações

• Aumento de perdas na transmissão/distribuição

• Necessidade de aumento da geração

Aumento da demanda

Outros Com ercial R esidencial Industrial

— Taxa de crescimento esperada

EPE, ―Plano decenal de expansão de energia elétrica 2008-2017,‖ 2008.

Aumento no consumo (Brasil)

0% 1% 2% 3% 4% 5% 6%

Electric energy consumption average growth Total Industry

— Consumo de eletricidade (1973)

— Consumo de eletricidade (2005) = 1.67 En(1973)

International Energy Agency, 2007.

Consumo de eletricidade (mundo)

51,3 2,4 46,3 _Industry Transport Other sectors 41,2 1,7 57,1

Industry

Industry

Parte II

Perspectivas sobre

geração distribuída e armazenamento

14

INEP

Autoprodução

Fonte:

Plano Decenal de Expansão de Energia 2008/2017. EPE - Empresa de Pesquisa Energética, 2008.

15

INEP

Geração distribuída e armazenamento

Fontes: http://www.wapa.gov/es/pubs/esb/2001/01Jun/graphics/microturbines_big.jpg http://cache.jalopnik.com/cars/assets/resources/2007/11/Ballard-Fuel-Cell.jpg Fontes: http://www.flickr.com/photos/caveman_9222 3/3186143355/ http://www.advantech.com/solutions/eHome/ images/Scenario-chart.jpg 10’s Hz - kHz 10’s Hz CC CC 15

Parte III

A modernização do sistema elétrico

— Geração + armazenamento afastados do consumo

— Fluxo unidirecional

• Geração => consumo

• Sistemas de proteção e medição não toleram

geração distribuída

— Grandes perdas na transmissão

— Falhas nas linhas reduzem confiabilidade

— Equipamentos antigos (―não-inteligentes‖)

Infraestrutura atual

A iniciativa ―Smart Grid‖

Fonte:

http://www.oe.energy.gov/DocumentsandMedia/smartgrid_diagram.pdf

―Smart Grid‖ = modernização da rede elétrica

19

INEP

Microredes: uma solução para ―Smart Grids‖

– Sistema de distribuição – Geração distribuída – Armazenamento distr. – Comunicação – Ilhamento ou conectado Fonte: http://mendocoastcurrent.files.wordpress.com/2009/07/smartgrid-graphic.jpg ₁₉

Parte IV

Microredes em Corrente Alternada

— Corrente Alternada: foco inicial do conceito

— Vantagens:

• O sistema atual é em CA

• Facilidade em interromper correntes

• Alto rendimento de sistemas em MT

Microredes em CA

22

INEP

Microredes em CA – Desafios

– Controle de fluxo de potência e estabilidade será diferente do cenário atual (mais complexo)

– Maior variação de frequência (necessidade de compensação) – Fator de potência (necessidade de correção) – Retificação/inversão (aumento de perdas)

Fonte: Serpa et al., ―A Modified Direct Power Control Strategy Allowing the

23

INEP

Microrede em CA

Parte V

Microredes em Corrente Contínua

— Vários sistemas utilizam CC há muito tempo

— Recentemente cogita-se a utilização em sistemas com

geração distribuída

— Aparece como uma possível solução para microredes

— Principalmente em BT (em MT o rendimento de

trafos é muito alto)

Microredes em CC

26

INEP

Efeito de corrente em seres humanos

— Há trabalhos recentes na literatura

— Comunicação não é muito diferente da rede em CA

— Principal diferença:

• métodos de supervisão e diagnóstico

Comunicação

— Há diversos trabalhos recentes na literatura

— O controle de cargas e geradores é facilitado

— Não há necessidade de sincronismo, controle de

reativos e correção do FP

— Há a possibilidade de se utilizar os níveis de tensão

no barramento para controlar a atuação de geradores

Controle

— Não há correntes para terra por capacitores

— Relés baseados em trafos não podem ser utilizados

— Interromper correntes em CC é mais complexo

Aterramento e proteção em CC

30

INEP

Comparação de eficiência

Fonte: Starke et al. ―Ac vs. dc distribution: A loss comparison,‖ Transmission and

— Lado bom:

• Maioria de equipamentos será em CC (eficiência) • Controle e interconexão são facilitados

• Maior capacidade de transmissão • Alta qualidade de tensão

• Bem adaptadas à alimentação rural/remota

Redes em Corrente Contínua

— Desafios:

• Interromper correntes (proteção)

• Mudar a infra-estrutura existente (criar mercado) • Falta de equipamentos adequados

• Treinamento de pessoal qualificado • Falta de informações

• Falta de regulação

Redes em Corrente Contínua

Parte VI

Alternativas para as configurações de

futuras redes de distribuição

34

INEP

Microredes em CC / CA

35

INEP

Microredes em CC

Parte VII

Proposta para a configuração de uma

microrede em corrente contínua

— Utilizar as lições de HVDC (linha bipolar)

 Confiabilidade

 Maior capacidade de transmissão

Configuração

38

INEP

Capacidade de transmissão

Fonte: Starke et al. ―Ac vs. dc distribution: Maximum Transfer Capability,‖

— Propostas anteriores: ±170V ; ±750V ; ( +325V ; +230 V ; +20 V ) ; +120 V

— Analisar segurança elétrica!

Níveis de tensão

40

INEP

Níveis de tensão

— Segurança

• ABNT NBR 5410:2004: CC ≤ 120 V

• Limitar potencial de terra durante falhas a 240 V

— Confiabilidade

— Eficiência

— Segurança

— Compatibilidade

Rede bipolar escolhida

42

INEP

Desbalanços em uma linha CC bipolar

— Perdas nos alimentadores são minimizadas se as correntes forem equilibradas

r

_i

V

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P

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43

INEP

Conversor multi-funções

Co-autor: Eng. Jackson Lago

— Não há equipamentos para CC com tensão mais elevada e +48 V geraria correntes muito elevadas

— São necessários mais estudos sobre aterramento para distribuição em CC

— Sistemas CC são, em teoria, mais confiáveis que CA, porém ainda não há informações consolidadas

— Ainda não há uma cultura ou educação para sistemas CC, principalmente na indústria

— Falta desenvolver sistemas pilotos e normas para estes tipos de sistemas

— Deve-se criar um mercado para sistemas CC

— Já existem conectores e cabos para CC 400 V, porém não há uniformização por parte dos fabricantes

— Não há multiplicadores de conectores para CC 380 V e também será necessário uniformizá-los

— Disjuntores CC para 380 V existem, porém de poucos fabricantes e com custo mais elevado

— Não há estudos sérios sobre os custos de implementação de sistemas de distribuição CC em baixa tensão

Desafios

— Redes CC se mostram uma solução técnica

compatível com requisitos de microredes modernas

— Dependendo da inserção de cargas em CC, uma

microrede CC pode ser superior à uma CA

— Ainda há muito o que fazer para tornar redes CC comercialmente viáveis

— Uma rede CC bipolar com níveis de tensão

adequados parece ser bem adaptada à distribuição ativa em BT

Considerações finais

— Rede:

• ―Velas‖ de Jablochkoff (CA)

• Alimentadas por dínamo de Gramme (CC)

Primeira rede elétrica no Brasil

Fonte:

— Rede

• Iluminação ―inteligente‖ com LEDs (CC)

• Geração distribuída (CC + CA)

• Armazenamento de energia (CC)

Futura rede elétrica no Brasil

(?)

Fontes: http://www.flickr.com/photos/argonne/3447648861/

Newsweek’s top 10 (world) ―hottest‖ cities 2006

“Florianópolis, Brazil –

Industry: high tech, with beaches', ban on heavy industry” ~380 000 people / 17 universities / 2 technological centers Aim: create 40k tech jobs in 10 years

Federal University of Santa Catarina

(2009)

— Entry students /year: 6669 — Total undergrad.: 26932 — Total grad.: 6242 — PhD: 2360 — Publications/year (journals): 2023 — Scholarships: 7521 — Professors+lecturers: 1649 — Other staff: 2808 = 33181 Founded: 1961 Built area: 651796 m2

Power Electronics Institute – INEP

Founded: 1979 as LAMEP

Re-structured: 1994 as INEP

Supervisor

Prof. Ivo Barbi

Professors Prof. D. Martins Prof. J. Fagundes Prof. E. Kassick Prof. S. Mussa Prof. M. L. Heldwein Prof. A. Perin Prof. H. B. Mohr Techincal staff Students 4 3 57 Administrative staff Master 17 PhD 17 Undergrad. 21 PostDoc 2

INEP – Outcomes

• 600+ articles

Publications

Master’s Degree Dissertations • 223 Dissertations

Doctorate Degree Thesis • 63 Thesis

Power Electronics books • 6 books (in Portuguese)

+ 1 book (in English)

Industry projects (last 10 years) • 70+ projects

52

INEP

Muito Obrigado!