Neste trabalho, foi adotado o Distribution System Simulator (OpenDSS) [61] para a execu- ção dos cálculos de fluxo de potência e de curto-circuito. O OpenDSS é um software de análise de sistemas de distribuição produzido pelo Electric Power Research Institute (EPRI), gratuito e de código aberto. O mesmo suporta basicamente todo tipo de simulação em regime permanente (no domínio da frequência, não limitado a 60 Hz) capaz de modelar redes de distribuição de grande porte com excelente desempenho computacional, seu uso tende a ser expandido devido à facilidade de utilização [68].
O OpenDSS também possui uma interface Component Object Model (COM) que permite ser operado por um programa externo. Desta forma, o usuário pode executar soluções customizadas controladas externamente contemplando diversos casos com diferentes condições de carga, varia- ções sazonais, número de geradores conectados, dentre outras possibilidades. O MATLAB [69] é o programa externo escolhido para a implementação dos algoritmos elaborados nesta tese.
Muitas das funcionalidades encontradas no OpenDSS foram implementadas para dar su- porte as análises necessárias para a conexão de geração distribuída. No caso da geração fotovoltaica existe um modelo de equipamento denominado de PVSystem. Este elemento representa um con- junto de placas fotovoltaicas conectadas a um inversor de frequência, de acordo com o diagrama esquemático apresentado na Figura 3.12 [70].
Figura 3.12 – Diagrama de bloco do modelo do PVSystem, adaptado de [70].
O PVSystem é modelado da mesma forma que outros elementos de conversão de energia (geradores e cargas), produzindo ou consumindo energia de acordo com uma função matemática.
Neste caso, antes de apresentar as equações do modelo, a seguir são definidas as principais variá- veis de entrada do elemento:
Potência nominal do painel: Pmpp - Potência definida para temperatura nominal, operação no ponto de máxima potência e radiação de 1kW/m2;
Curva do fator de correção da potência gerada pelo painel em função de sua tempe- ratura: PTCurve;
Potência aparente nominal do inversor: kVA; Tensão AC nominal do inversor: kV;
Número de fases do sistema FV: phases; Conexão do sistema: conn;
Fator de potência de operação: PF;
Potência reativa fornecida/absorvida: kvar; Curva de eficiência do inversor: EffCurve; Radiação de base: IrradianceB;
Curva diária de radiação: Irradiance(t) - daily, yearly ou duty; com resolução a par- tir de 1 segundo;
Curva diária de temperatura: Temperature(t) - Tdaily, Tyearly ou Tduty; com reso- lução a partir de 1 segundo.
Fornecidos os dados de entrada, a potência fornecida pelo painel é determinada através de (3.1).
dc( ) ( ) ( ( ))
P t Pmmp IrradianceB Irradiance t PTCurve Temperature t [kW]. (3.1)
A potência ativa de saída do inversor é calculada em (3.2).
ac( ) dc( ) ( dc( ))
P t P t EffCurve P t [kW]. (3.2)
A potência reativa fornecida pelo inversor, Qac(t), é determinada de acordo com a variável kvar definida no modelo ou pela especificação do fator de potência de operação através da variável
O método de solução do fluxo de potência implementado no OpenDSS se distingue da mai- oria dos métodos implementados em programas convencionais, pois o algoritmo se assemelha a um algoritmo de análise de fluxo de harmônicos. Porém, mostrou-se que o OpenDSS é uma exce- lente ferramenta para cálculo do fluxo de potência, além de possuir uma enorme flexibilidade para modelar diversos elementos e configurações de circuitos. O programa sempre vincula o circuito a uma fonte principal de energia o que torna possível resolver sistemas tanto radiais quanto em anel, muito útil para concessionárias que possuem sistema de transmissão e subtransmissão, bem como sistemas de pequeno e médio porte com múltiplas fases [70].
Além de realizar o cálculo do fluxo de potência para um ponto de operação específico o programa executa o fluxo de potência série temporal onde a carga e a geração variam em função do tempo. Nos dados de entrada do programa são definidas as curvas que caracterizam o compor- tamento das cargas no tempo bem como as curvas de irradiação solar e temperatura; variáveis uti- lizadas para as simulações utilizando o PVSystem. Assim, podem ser especificados os dois modos a seguir:
Snapshot Power Flow: utiliza-se este modo para executar uma simulação instantâ- nea do fluxo de potência com as cargas e gerações fixas de acordo com os valores nominais especificados;
Daily, Yearly e Duty: este modo realiza uma série de soluções do fluxo de potência com base na curva de carga programada. A curva de carga pode ser especificada para um período arbitrário, diário ou anual, sendo aplicadas tanto para as cargas quanto para os geradores. Assim o programa aplica as mesmas condições utilizadas no modo Snapshot Power Flow para a realização das soluções dentro do período adotado.
Há dois tipos de solução iterativa para o cálculo do fluxo de potência no OpenDSS que são chamados de método “Normal” e método “Newton”. O algoritmo “Normal” é rápido e se comporta bem em soluções que envolvem sistemas de distribuição com a presença de uma fonte de energia forte, mas pode apresentar problemas de convergência. Já o algoritmo “Newton” é mais robusto comparado ao “Normal” e pode ser utilizado em sistemas grandes e complexos, maiores detalhes sobre os métodos implementados no OpenDSS podem ser obtidos em [68].
Existe ainda um modo de solução para o fluxo de potência capaz de realizar simulações sem iterações, denominado de “Direct”. As cargas são inseridas na matriz de admitância do sistema e as fontes de tensão são transformadas em fontes de corrente. Os valores das correntes e tensões em cada barra são idênticos ao resultado da primeira iteração obtido no modo Snapshot.
O programa OpenDSS também dá suporte para estudos de curto-circuito utilizando alguns modos de simulação:
Faultstudy Mode: para este modo realiza-se um estudo de falta convencional em todas as barras do sistema, reportando as correntes e tensões em todas as fases e para todos os tipos de falta;
Snapshot Mode: neste modo o usuário define as barras ou a barra onde ocorre o defeito, determinando o tipo de falta e o valor de resistência no ponto em estudo; Monte Carlo Mode: neste caso as faltas são aplicadas randomicamente cabendo ao
usuário informar a região do sistema onde será realizado o estudo.
Em [71] são apresentadas duas maneiras de representação do gerador FV no programa Ope- nDSS para estudos de proteção. A primeira forma utiliza o gerador Modelo 7. Este modelo repre- senta um gerador de potência constante com limitação de corrente e mantém o fator de potência dentro do valor especificado. A segunda forma utiliza uma fonte de corrente para representar o gerador durante a falta e necessita da implementação de um processo iterativo para manter o fator dentro de um valor especificado. Ambos os modelos possuem restrições de potência máxima ins- talada devido à problemas de convergência [71]. Nesta Tese foi utilizada a fonte de corrente para representação do gerador FV devido à facilidade para implementar um algoritmo capaz de fornecer o comportamento das correntes de falta seguindo as características contidas na Tabela 5.1. Durante a execução do algoritmo utilizou-se a opção Snapshot Mode para o cálculo das correntes e tensões do sistema mediante à aplicação da falta.
4 MÉTODOS GRÁFICOS BASEADOS EM CÁLCULOS DE FLUXO DE POTÊNCIA PARA A AVALIAÇÃO CONEXÃO DE GERAÇÃO FV
Devido ao significativo crescimento do número de pedidos de conexão de geradores FVs, é fundamental contar com ferramentas capazes de reduzir consideravelmente o trabalho desenvol- vido pelos engenheiros das concessionárias durante a elaboração dos pareceres de acesso. Contudo, simulações que envolvem cálculos de fluxo de potência são necessárias para cada solicitação. Estas simulações verificam a ocorrência de violações ou uma métrica extremamente conservadora pode ser usada, como o limite de 15% de penetração mencionado na Seção 2.2. Este capítulo apresenta duas alternativas para a verificação rápida da viabilidade técnica de conexão de um novo gerador fotovoltaico no sistema de distribuição de energia elétrica. Os métodos permitem avaliar grafica- mente a capacidade que um sistema de distribuição possui em acomodar novas conexões de geração fotovoltaica. De forma sucinta, cada gráfico é dividido em uma Região de Aceitação e uma Região
de Investigação. Sempre que a nova conexão esteja contemplada na Região de Aceitação, pode ser
realizada sem que sejam necessários novos estudos e, caso pertença à Região de Investigação, outros estudos técnicos devem ser realizados. A principal diferença entre os dois métodos consiste na forma de dimensionamento dos geradores fotovoltaicos, mais detalhes são apresentados ao longo deste capítulo.