2.1 Motivação do Trabalho
De acordo com os fatos apresentados no Capítulo 1, a produção de energia elétrica (próxima aos centros consumidores) feita através de fontes alternativas tais como, solar fotovoltaica e eólica, pode se tornar uma solução que venha a complementar o quadro geral de produção de energia de baixa e média escala devido ao limite operacional da capacidade de produção por grandes centrais elétricas.
Entretanto, sabe-se que estas fontes (fotovoltaica e eólica) são direta ou indiretamente derivadas da energia produzida pelo sol que incide sobre o planeta, Fig. 1.1, desta forma, elas possuem uma característica variável em relação à disponibilidade energética e que muitas vezes, não apresentam um alto grau de previsibilidade, dificultando a utilização deste tipo de geração em termos de disponibilidade de energia [24].
Assim, conhecendo a inconstância na geração utilizando fontes alternativas e na dificuldade em prever seu comportamento, torna-se complexa a utilização destas fontes como solução confiável, ou seja, a utilização deste tipo de solução é aplicável apenas em redes remotas, onde a rede elétrica da concessionária não está disponível e a qualidade da energia produzida não é de importância crucial ou estratégica.
Tendo em vista estas limitações e dificuldades na operação de geração de energia que empregam fontes alternativas, são buscadas formas de tornar esse tipo de solução mais confiável, apresentando uma disponibilidade mínima durante a sua operação, seja ela durante o dia ou à noite e que tal capacidade não seja dependente das condições climáticas. Podendo assim, ser considerada uma fonte confiável e disponível, deixando de ser apenas uma fonte ecologicamente correta, para se tornar uma alternativa viável.
Outra problemática relacionada à natureza variável e “aleatória” são as oscilações de potência. Essas causam variações na tensão da rede além de fluxo reverso em transformadores de distribuição, o que causa problemas de qualidade da energia, chaveamento de taps e reguladores de tensão, logo, uma estrutura que elimine ou suavize oscilações bruscas de potência na rede de distribuição possui grande impacto na qualidade da energia elétrica.
Para se obter um funcionamento otimizado dos sistemas de GD, tanto a diversificação das fontes de energia quanto a utilização de armazenadores é necessária, fazendo com que os componentes desta microrrede se complementem, ou seja, trabalhem em sinergia de forma que a deficiência de um deles seja complementada pela característica dos demais dispositivos. Contudo, para se conseguir esta harmonia entre os armazenadores e as fontes, os algoritmos de gerenciamento e controle devem ser projetados para se obter o resultado esperado.
Figura. 1.1 – Irradiação solar média incidente durante 24 h [24].
2.2 Objetivo
Os objetivos gerais desta Tese de doutorado consistem no gerenciamento, controle e análise de uma microrrede CC, quando a mesma opera de forma a integrar diversas fontes alternativas e armazenadores em um barramento comum. Para atingir uma maior autonomia e confiabilidade, a proposta traz, ainda, a inclusão de um VSI (inversor fonte de tensão) para a conexão com a rede elétrica, de forma que os índices de qualidade da energia no ponto de acoplamento comum (PAC) não ultrapassem os limites estabelecidos por normas nacionais e internacionais.
A abordagem principal deste trabalho é baseada na diversificação das fontes e no acoplamento das unidades geradoras a dispositivos armazenadores de energia como os bancos de bateria e ultracapacitores (UC). Tal diversificação fará com que a microrrede tenha a capacidade de eliminar ou suavizar as variações “aleatórias” de potência decorrente das alterações climáticas (sol e vento). Logo, o perfil de potência entregue à rede não apresentará a mesma característica aleatória da potência gerada pelas fontes alternativas, evitando ou suavizando problemas de qualidade da energia.
Para que a microrrede funcione de forma a atingir todos os objetivos descritos nessa seção, propõe-se a utilização de dois sistemas de gerenciamento para os armazenadores. No primeiro caso, será usada uma estrutura de gerenciamento centralizada na qual os armazenadores se comunicam entre si através de uma rede de alta velocidade, enquanto que no segundo caso o gerenciamento será realizado de forma descentralizada, ou seja, a rede de comunicação não está disponível e os dispositivos são autônomos. Como opção de armazenadores é proposto o uso de UCs para a compensação dos transitórios de alta velocidade e baterias para suprir demandas em regime permanente.
Os objetivos específicos estão listados abaixo:
- Controlar a geração das fontes alternativas, solar fotovoltaica e eólica no ponto ótimo; - Integrar as diversas fontes a um barramento CC comum para a formação de uma
microrrede CC;
- Controlar o fluxo bidirecional de potência do barramento CC para os armazenadores; - Projetar uma estrutura de controle e gerenciamento para os armazenadores de forma
centralizada;
- Projetar uma estrutura de controle e gerenciamento para os armazenadores de forma descentralizada;
- Controlar a injeção de potência na rede mantendo os requisitos mínimos de qualidade da energia determinados por normas nacionais e internacionais;
- Eliminar ou suavizar os transitórios de potência decorrentes de alterações climáticas e/ou manobra de carga.
Contribuições do Trabalho:
Como contribuições deste trabalho que serão apresentadas nos capítulos a seguir, pode-se destarcar:
- Técnica de restauração contínua de UCs em microrrede com armazemadores híbridos;
- Técnica de divisão de carga descentralizada sem restauração do barramento CC; - Técnica de divisão de carga descentralizada com restauração do barramento CC; - Modelo simplificado da microrrede para análise energética;