D302 - Desenvolvimento de Sistema Computacional para Análise Sistemática de

Geração Distribuída

CEMIG – AXXIOM – UNICAMP

(01/2011 – 11/2013)

Workshop Final

Conteúdo desta apresentação • FEEC/UNICAMP

• Motivações, objetivos e abrangência do projeto

• ETAPAS

• Fase 1: Desenvolvimento de sistema computacional para análise sistemática de geração distribuída (redes de média tensão)

• Fase 2: Desenvolvimento de metodologias e procedimentos para análise sistêmica da instalação de geração ultra dispersa na rede secundária da CEMIG-D (redes de baixa tensão)

• Comentários Finais

FEEC/UNICAMP

University of Campinas at a glance (2012) UNICAMP (University of Campinas)

• It is a state-funded university in Campinas (Sao Paulo) • Foundation: 1966 • Budget: U$ 1.5 billion (state 2/3 + external funds 1/3) • Students: 40,000 (20,000 under / 20,000 grad – 5,000 M.Sc; 6,000 Ph.D) • Continuous education: 7,000 professionals (students) • Faculty members: 1,700 (99% with a Ph.D. degree) • Second patent leader in Brazil (Petrobras 21%; Unicamp 15%; USP 14% - from 2004-2008) • 17th position in the QS University Rankings: Top 50 Under 50 • 3rd position in the QS University Rankings: Latin America

FEEC (Faculty of Electrical and Computer Engineering)

• Over 80 faculty members • Organization: 10 departments (reorganization to 5) • Six major areas: energy, control, telecom, computer, biomedical and electronic • Undergrad: current: 900+ past: 4500+ (3000+ EE / 1500+ CE) • Grad: current: 500+ past: 2500+ (25% of all Brazilian Ph.D./year) • National Grad Study Evaluation (CAPES): 7 (the highest evaluation – only UNICAMP and

UFRJ in Electrical Engineering)

Faculty of Electrical and Computer Engineering: Some numbers

0

20

40

60

80

100

120

140

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Year

Theses and dissertations at FEEC

Theses Dissertations

0

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40

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140

Journal Papers Local

International

12% 16%

14% 56%

2%

External grants and contracts (2011): ~U$ 15 millions

Fapesp (SP State Funding Agency)

Proex (Fed. Funding Agency)

CNPq (Fed. Funding Agency)

Funcamp (External Projects)

Projects (Unicamp)

Electrical Energy Systems • Professionals:

Faculty members: 10+ (+3 retired professors still in activity)

Graduate students: 50+

Undergraduate students: 20+

• Main topics (software and hardware):

Electrical machines, power electronics

Power quality, stability, protection systems, distributed generation, distribution systems, optimization,...

Real-time simulation (RTDS)

High voltage, transmission systems

• Main research funds (around U$ 5,000,000/year):

Brazilian govern funds: FAPESP; CNPq; CAPES; FINEP

Brazilian utilities: ELETROPAULO; CPFL; ELEKTRO; LIGHT; ELETROBRAS; CEMIG; CESP; CEB; CTEEP; CEMAR; ELETRONORTE; CEPEL; CHESF; FURNAS; etc

Motivações

Geração distribuída – cenário nacional

Legenda

CGH Central Geradora Hidrelétrica

CGU Central Geradora Undi-Elétrica

EOL Central Geradora Eolielétrica

PCH Pequena Central Hidrelétrica

UFV Central Geradora Solar Fotovoltaica

UHE Usina Hidrelétrica de Energia

UTE Usina Termelétrica de Energia

UTN Usina Termonuclear

Panorama geral de geração de energia elétrica no Brasil (atualizado em 10/11/2013 - ANEEL).

Empreendimentos em Operação

Tipo Quantidade Potência Outorgada (kW)

Potência Fiscalizada (kW) %

CGH 429 260.579 261.785 0,21 EOL 103 2.136.168 2.137.372 1,7 PCH 462 4.634.488 4.595.348 3,66 UFV 35 6.785 2.785 0 UHE 194 86.713.255 80.797.124 64,29 UTE 1.765 37.746.583 35.894.903 28,56 UTN 2 1.990.000 1.990.000 1,58 Total 2.990 133.487.858 125.679.317 100

Empreendimentos em Construção Tipo Quantidade Potência Outorgada (kW) % CGH 1 848 0 EOL 93 2.346.066 11,65 PCH 32 338.961 1,68 UHE 7 14.060.800 69,85 UTE 19 2.034.020 10,1 UTN 1 1.350.000 6,71 Total 153 20.130.695 100

Empreendimentos Outorgados entre 1998 e 2013 (não iniciaram sua construção)

Tipo Quantidade Potência Outorgada (kW) % CGH 53 34.351 0,21 CGU 1 50 0 EOL 203 5.455.725 33,02 PCH 142 1.966.016 11,9 UHE 16 3.368.442 20,39 UTE 132 5.699.003 34,49 Total 547 16.523.587 100

Geração distribuída – cenário nacional Panorama geral de geração de energia elétrica no Brasil (atualizado em 10/11/2013 - ANEEL).

Empreendimentos em Operação

Tipo Capacidade Instalada % Total

% N.° de Usinas (kW) N.° de Usinas (kW)

Hidro 1.085 85.654.258 63,99 1.085 85.654.258 63,99

Gás Natural 112 12.113.909 9,05 151 13.797.572 10,31 Processo 39 1.683.663 1,26

Petróleo Óleo Diesel 1.094 3.507.485 2,62 1.127 7.456.308 5,57 Óleo Residual 33 3.948.823 2,95

Biomassa

Bagaço de Cana 375 9.176.436 6,86

472 11.245.482 8,40 Licor Negro 16 1.530.182 1,14

Madeira 50 422.837 0,32 Biogás 22 79.594 0,06

Casca de Arroz 9 36.433 0,03 Nuclear 2 1.990.000 1,49 2 1.990.000 1,49 Carvão

Mineral Carvão Mineral 13 3.389.465 2,53 13 3.389.465 2,53

Eólica 103 2.137.372 1,60 103 2.137.372 1,60

Importação

Paraguai 5.650.000 5,46

8.170.000 6,10 Argentina 2.250.000 2,17 Venezuela 200.000 0,19

Uruguai 70.000 0,07 Total 2.988 133.847.587 100 2.988 133.847.587 100

Termelétricas com Co-Geração Tipo Quantidade Potência (kW) %

Outorga 6 22.261 0,84 Construção 2 13.158 0,5

Operação 73 2.599.747 98,66 Total 81 2.635.166 100

Geração distribuída – cenário nacional

Geração distribuída – cenário mudial

Evolução do mercado de geração fotovoltaica no mundo. Fonte: Global Market Outlook for Photovoltaics 2013-2017, European Photovoltaic Industry Association

Geração distribuída – cenário CEMIG

USINA TIPO ANO 2009 2010 2011

Hidrelétricas CGH 2 4 15 PCH 6 13 48 UHE 0 1 5

Termelétricas PCT 3 4 3 UTE 0 3 0

Eólicas EOL 0 0 0

Total 11 25 71

Quantidade de consultas de acesso do ano de 2009 a 2011 - CEMIG

Por que 2 FASES?

Geração Distribuída – mudança de cenário

• Com a publicação da Nota Técnica 0043/2010-RD/ANEEL e outras ações, verificou-se que há interesse no governo brasileiro em incentivar a instalação de geração distribuída baseada em fontes renováveis (sobretudo geradores fotovoltaicos) em redes de baixa tensão.

• Isso produziu um cenário diferente do previamente vislumbrado no projeto, criando a necessidade de novos estudos e análises.

• Também foi exigido que todas as concessionárias de distribuição elaborassem seus guias técnicos de conexão de geração distribuída.

Geração Distribuída – mudança de cenário: principais diferenças

Cenário Inicial (MT): • Poucos geradores (1 ou 2) de médio porte (MVA) conectados em redes de média e alta tensão (13,8 – 69 kV) • As análises e soluções são obtidas caso-a-caso (específicas) • Principais fatores limitantes bem definidos:

• Regulação de tensão • Nível de curto-circuito • Estabilidade • Capacidade térmica

• Geradores trifásicos

Cenário Futuro (BT): • Vários geradores (dezenas ou centenas) de baixo porte (kVA) conectados em redes de baixa tensão (220 V) • As análises e soluções devem ser generalizadas • Principais fatores limitantes ainda não bem definidos e determinados.

• Geradores monofásicos

Abrangência do projeto e objetivos

FASE 1

Redes de média tensão

Objetivos Fase 1 Desenvolver um sistema computacional incorporando metodologias de análise para avaliar os impactos na rede de distribuição da CEMIG-D ocasionados pela inserção de geração distribuída (GD) em determinado local da rede e com determinada capacidade. Os impactos considerados abrangem: • Perfil de tensão em regime permanente (sobre/sub tensão) • Fluxos de correntes nos alimentadores em regime permanente (sobrecarga) • Perdas elétricas • Fluxos de correntes de curto-circuito (limites de chaves, equipamento, seletividade) • Estabilidade transitória (transitórios de desconexão/conexão, oscilações) Tais impactos são quantificados através de índices numéricos e apresentados de forma amigável e inteligível ao usuário, de maneira a facilitar a tomada de decisão envolvendo os benéficos ou malefícios das inserções de GD.

Abrangência Fase 1 Módulos de análise:

• Módulo I: Fluxo de carga expandido; • Módulo II: Cálculo de curto-circuito; • Módulo III: Análise de estabilidade transitória; • Módulo IV: Análise integrada;

Tecnologias de geração:

• Geradores síncronos: com diferentes modos de controle do sistema de excitação (tensão constante, fator de potência constante e potência reativa constante) e fontes primárias (turbina a vapor, turbina a gás, turbina hidráulica e máquina de combustão interna);

• Geradores de indução: com rotor em gaiola de esquilo acoplado com diferentes fontes primárias, destacando-se turbinas eólicas;

• Geradores conectados via conversores eletrônicos: nesta classificação estão inclusas as células fotovoltaicas; as células a combustível e micro-turbinas.

Abrangência Fase 1 • Permitir que os engenheiros da CEMIG-D analisem tecnicamente as solicitações de novos acessantes, visando a tomada de decisão considerando os seguintes aspectos:

• Máxima potência que pode ser instalada em um determinado ponto da rede • Melhores pontos de conexão em uma determinada região da rede • Determinação da melhor forma de controle (tensão ou potência reativa constante, por exemplo)

Na forma como foi elaborado o projeto, embora seja possível analisar os casos com múltiplos geradores, a principal aplicação da ferramenta é para análise de caso-a-caso (específica).

Inovação Fase 1– análise integrada 1. Índice de perdas elétricas de potência ativa (P-perdas) 2. Índice de perdas elétricas de potência reativa (Q-perdas) 3. Índice de perfil de tensão em regime permanente (V-perfil) 4. Índice de regulação de tensão entre dois patamares de carga (V-regulação) 5. Índice de perfil de carregamento (corrente elétrica de carga) dos condutores da rede (I-perfil) 6. Índice de curto-circuito trifásico (Curto3) 7. Índice de curto-circuito monofásico (Curto1) 8. Índice de Abertura Angular (IA) 9. Índice de Desvio de Velocidade (IV) 10. Índice de Amortecimento (ID)

Índice Global (Global)

IDIVIA

CurtoCurto

perfilI

regulaçãoVperfilV

perdasQperdasP

Global

IDIVIA

CurtoCurto

perfilI

regulaçãoVperfilV

perdasQperdasP

31 31

Inovação Fase 1– análise integrada

P-perdas Q-perdas V-perfil V-regulação I-perfil Curto3 Curto1 IA IV ID

Síncrono X X X X X X X X X

Indução X X X X X X X X X

Inversor X X X X X X X

Quadro resumo: índice × tecnologia de GD

• Pesos aos índices podem ser dados conforme a necessidade. • A soma dos pesos dos índices deve ser 100%. • Quaisquer outros índices podem ser considerados, por exemplo: regulação de

tensão, perdas elétricas, aumento do nível de curto-circuito, margem de estabilidade, etc. O índice acima é apenas a explicação de um conceito.

Inovação Fase 1– análise integrada

Inovação Fase 1– análise integrada

Inovação Fase 1– análise integrada

Abrangência do projeto e objetivos

FASE 2

Redes de baixa tensão

Objetivos Fase 2 • Tema: Desenvolvimento de metodologias e procedimentos para análise sistêmica da instalação de geração ultra dispersa na rede secundária da CEMIG-D

• Objetivos: Desenvolver metodologias e procedimentos para análise sistêmica da instalação de múltiplos geradores de pequeno porte em redes secundárias de distribuição. Os resultados dessas metodologias foram empregados para subsidiar o desenvolvimento de um guia técnico de conexão de geradores distribuídos na rede de baixa tensão do sistema de distribuição da CEMIG-D, em atendimento à Resolução Normativa 482/2012 – ANEEL.

Abrangência Fase 2 Dar suporte para o desenvolvimento de um guia técnico para análise do aumento da conexão de geradores de pequeno porte (kVA) em redes de baixa tensão (220 V) e geradores de médio porte em redes de média tensão. Aspectos analisados nos relatórios técnicos foram:

• Regulação de tensão (elevação do perfil de tensão) • Desequilíbrio de tensão • Sobrecarga de alimentadores e transformadores • Perdas elétricas • Uso ou não de transformadores de acoplamento e tipos de conexões • Seletividade e coordenação da proteção • Proteção no ponto de interconexão • Proteção anti-ilhamento • Estabilidade frente a grandes perturbações • Estabilidade frente a pequenas perturbações Propor soluções generalizadas para diferentes sistemas de distribuição típicos: • Redes radiais • Redes aéreas convencionais, multiplexadas ou subterrâneas • Predominância de cargas residenciais, comerciais ou industriais

Principais desafios • Estabelecimento de critérios técnicos simples e diretos, capazes de estimar a potência máxima que pode ser injetada em uma rede de distribuição secundária sem a violação de nenhum requisito de qualidade de energia.

• A REN SRD/ANEEL 517, de 11/12/2012, limita a potência instalada por micro e minigeradores à carga instalada, no caso de unidade consumidora do grupo B, ou à demanda contratada, no caso de unidade consumidora do grupo A.

• Esse limite, porém, pode ser pouco restritivo, visto que violações técnicas podem ocorrer mesmo antes de atingir o limite estabelecido pela ANEEL. Necessita-se, portanto, de outros critérios mais restritivos.

Desafios na determinação dos índices técnicos • A potência máxima que pode ser injetada em determinada rede de distribuição sem a ocorrência de violações técnicas depende de uma grande variedade de características, tais como:

Topologia da rede;

Tipo de condutores;

Tipo e perfil das cargas;

Local de conexão do GD;

Potência nominal do GD;

Quantidade de GDs conectados na rede;

…

• Não existem dados, tais como qual a localização média de um GD em uma rede, ou qual a "topologia média" das redes de distribuição. Todos esses detalhes dificultam a análise do problema.

Desafios na determinação dos índices técnicos • Nesse contexto surge a seguinte pergunta: Como encontrar um valor de potência injetada permissível capaz de abranger uma grande variabilidade de características particulares de cada rede?

• Abordagem mais adequada:

ANÁLISE PROBABILÍSTICA (MÉTODO DE MONTE CARLO)

Visto que a elevação do perfil de tensão e do nível de desequilíbrio de tensão são, tipicamente, os principais fatores que restringem a quantidade de geração que pode ser conectada em uma determina rede, estes requisitos técnicos serão considerados nos estudos.

Métodos de Monte Carlo – Características • A ideia dessa metodologia consiste em criar milhares de cenários possíveis para a conexão de GDs na rede. Para cada cenário criado aleatoriamente, efetua-se uma simulação determinística de cálculo de fluxo de carga (por exemplo), armazenando a tensão máxima da rede, além de outras variáveis de interesse.

• Com esse elevado número de cenários, obtém-se, por exemplo, o valor médio da tensão máxima da rede. Esse valor representa a tensão máxima mais provável para a rede em estudo.

• Também é possível obter a função de distribuição de probabilidade da tensão

• Cada cenário de estudo é determinado com base em curvas de probabilidade para cada uma das variáveis aleatórias do problema. Por exemplo: o valor de uma carga residencial segue uma distribuição normal com média 5 kVA; 40% dos consumidores residenciais possuem GD; a potência produzida por um GD residencial segue uma distribuição normal com média 4 kW, etc.

Métodos de Monte Carlo – Exemplo de aplicação • Exemplo: Qual a tensão máxima de uma rede de baixa tensão caso sejam conectados GDs de pequeno porte, totalizando 40 kW instalados? Nesse caso não se sabe o número de GDs, onde estão conectados e qual sua potência nominal, sabe-se apenas a potência total instalada. O método de Monte Carlo consiste em gerar aleatoriamente milhares de cenários possíveis e, para cada um deles, realizar um cálculo de fluxo de carga na rede, armazenando o valor da tensão máxima. Assim, a média dos valores obtidos é a tensão máxima mais provável para o caso em estudo e, portanto, é a resposta à pergunta acima.

Algoritmo de simulação das redes de BT • O algoritmo computacional (análise) utilizado pode ser descrito por:

1) Atribui-se perfis diários de carga aos consumidores, sendo que consumidores monofásicos e bifásicos são considerados residenciais, enquanto consumidores trifásicos são considerados comerciais. São adotadas curvas típicas de carga como mostrado abaixo.

2) Determina-se aleatoriamente o valor de cada uma das cargas, sendo que o valor total é pré-determinado.

Algoritmo de simulação das redes de BT 3) São alocados geradores distribuídos na rede de acordo com uma probabilidade pré-definida. Por exemplo: em uma carga residencial, a probabilidade de existir um GD é 40%, já em uma carga comercial essa probabilidade é de 50%, etc.

4) A potência nominal dos GDs é incrementada sucessivamente até que o limite de sobretensão seja atingido em algum ponto da rede.

A potência de cada GD é incrementada de forma independente em relação à potência de outro GD;

Para cada valor de potência do GD, é simulado um conjunto de fluxos de carga referente ao período de 1 dia (24 horas).

5) Quando alguma tensão da rede supera o limite máximo, a simulação é concluída, determinando-se o valor máximo de potência permissível para o cenário em questão.

6) Repete-se o procedimento a partir do item 2 até ser obtida a convergência do valor de potência máxima permissível para o GD.

Algoritmo de simulação das redes de BT 7) Repete-se os passos de 1 a 6, considerando, no passo 5, o nível de desequilíbrio de tensão como limitante técnico.

Redes de testes • Foram utilizadas mais de 100 redes típicas de distribuição em baixa tensão (BT), sendo que as mesmas estão divididas em:

Redes aéreas convencionais; Redes aéreas multiplexadas; Redes subterrâneas; Rede rural monofásica.

• Transformador abaixador: 13,8/0,22 kV - 75 kVA, Yg. • Nível de curto-circuito 100 MVA: equivalente da rede de MT (13,8 kV). • Cargas monofásicas, bifásicas e trifásicas (rede desequilibrada). • Dados dos condutores, das cargas e do transformador são dados típicos das redes de baixa tensão da CEMIG-D.

Quadro Resumo

Tabela 2.1: Índices técnicos aplicados a cada tipo de rede secundária – geração constante

Tipo de rede Pmax_total (kW)

Pmax_GD3ϕ (kW)

Pmax_GD1ϕ (kW)

Redes aéreas convencionais 37,50 11,25 7,50

Redes aéreas multiplexadas 33,75 11,25 3,75

Redes subterrâneas 41,25 11,25 3,75 Redes monofásicas rurais 0,55*Ptrafo

Tabela 2.2: Índices técnicos aplicados a cada tipo de rede secundária – geração intermitente (células fotovoltaicas)

Tipo de rede PmaxPFVtotal (kW)

PmaxPFV3ϕ (kW)

PmaxPFV1ϕ (kW)

Redes aéreas convencionais 45,00 15,00 7,50

Redes aéreas multiplexadas 41,25 15,00 7,50

Redes subterrâneas 45,00 15,00 3,75 Redes monofásicas

rurais 0,60*Ptrafo

Comentário Finais

Balanço • Inovação Fase 1: análise integrada;

• Inovação Fase 2: geração de conhecimento para elaboração dos guias de acesso, desenvolvimento de um método direto;

• Transferência e capacitação tecnológica: parceria com empresa de TI e desenvolvimento de diversos módulos de treinamento;

• Abrangência: os resultados foram disponibilizados no âmbito da ABRADEE, subsidiando a elaboração dos diversos guias técnicos;

• Divulgação: consolidação da CEMIG-D como líder neste tema;

• Próximos passos:

• Transformar o P&D em um produto a ser comercializado pelo grupo CEMIG/AXXIOM;

• Desenvolver as ferramentas estatísticas para simplificar o acesso em redes de baixa tensão (FEEC/UNICAMP)