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
External grants and contracts (2011): ~U$ 15 millions
2%
Fapesp (SP State Funding Agency)
12%
56%
16%
Proex (Fed. Funding Agency)
14%
CNPq (Fed. Funding Agency)
Funcamp (External Projects)
Projects (Unicamp)
Local
International
Journal Papers
Theses and dissertations at FEEC
140
120
100
80
60
40
20
140
120
100
80
60
40
20
0
2001
2002
2003
2004
2005
0
2006
Year
Theses
Dissertations
2007
2008
2009
2010
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
Panorama geral de geração de energia elétrica no Brasil (atualizado em 10/11/2013 - ANEEL).
Tipo
CGH
EOL
PCH
UFV
UHE
UTE
UTN
Total
Empreendimentos em Operação
Potência Outorgada Potência Fiscalizada
Quantidade
(kW)
(kW)
429
260.579
261.785
103
2.136.168
2.137.372
462
4.634.488
4.595.348
35
6.785
2.785
194
86.713.255
80.797.124
1.765
37.746.583
35.894.903
2
1.990.000
1.990.000
2.990
133.487.858
125.679.317
Tipo
CGH
EOL
PCH
UHE
UTE
UTN
Total
Empreendimentos em Construção
Quantidade
Potência Outorgada (kW)
1
848
93
2.346.066
32
338.961
7
14.060.800
19
2.034.020
1
1.350.000
153
20.130.695
Tipo
CGH
CGU
EOL
PCH
UHE
UTE
Total
Empreendimentos Outorgados entre 1998 e 2013
(não iniciaram sua construção)
Quantidade
Potência Outorgada (kW)
53
34.351
1
50
203
5.455.725
142
1.966.016
16
3.368.442
132
5.699.003
547
16.523.587
%
0,21
1,7
3,66
0
64,29
28,56
1,58
100
%
0
11,65
1,68
69,85
10,1
6,71
100
%
0,21
0
33,02
11,9
20,39
34,49
100
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
Geração distribuída – cenário nacional
Panorama geral de geração de energia elétrica no Brasil (atualizado em 10/11/2013 - ANEEL).
Hidro
Gás
Petróleo
Biomassa
Nuclear
Carvão
Mineral
Eólica
Importação
Empreendimentos em Operação
Capacidade Instalada
Total
Tipo
%
N.° de Usinas
(kW)
N.° de Usinas
(kW)
1.085
85.654.258
63,99
1.085
85.654.258
Natural
112
12.113.909
9,05
151
13.797.572
Processo
39
1.683.663
1,26
Óleo Diesel
1.094
3.507.485
2,62
1.127
7.456.308
Óleo Residual
33
3.948.823
2,95
Bagaço de Cana
375
9.176.436
6,86
Licor Negro
16
1.530.182
1,14
Madeira
50
422.837
0,32
472
11.245.482
Biogás
22
79.594
0,06
Casca de Arroz
9
36.433
0,03
2
1.990.000
1,49
2
1.990.000
Carvão Mineral
Paraguai
Argentina
Venezuela
Uruguai
Total
Tipo
Outorga
Construção
Operação
Total
%
63,99
10,31
5,57
8,40
1,49
13
3.389.465
2,53
13
3.389.465
2,53
103
2.137.372
5.650.000
2.250.000
200.000
70.000
133.847.587
1,60
5,46
2,17
0,19
0,07
100
103
2.137.372
1,60
8.170.000
6,10
133.847.587
100
2.988
2.988
Termelétricas com Co-Geração
Quantidade
Potência (kW)
6
22.261
2
13.158
73
2.599.747
81
2.635.166
%
0,84
0,5
98,66
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
Quantidade de consultas de acesso do ano de 2009 a 2011 - CEMIG
USINA
Hidrelétricas
Termelétricas
Eólicas
Total
TIPO
2009
ANO
2010
2011
CGH
2
4
15
PCH
UHE
PCT
UTE
EOL
6
0
3
0
0
13
1
4
3
0
48
5
3
0
0
11
25
71
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)
Global

 P  perdas  P  perdas    Q  perdas  Q  perdas  
V  perfil  V  perfil   V  regulação  V  regulação  
 I  perfil  I  perfil  
 Curto1  Curto1   Curto3  Curto3 
 IA  IA    IV  IV    ID  ID 
Inovação Fase 1– análise integrada
• 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.
Quadro resumo: índice × tecnologia de GD
P-perdas
Q-perdas
V-perfil
V-regulação
I-perfil
Curto3
Curto1
Síncrono
X
X
X
X
X
X
X
Indução
X
X
X
X
X
X
X
Inversor
X
X
X
X
X
X
X
IA
IV
X
ID
X
X
X
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
Redes aéreas
convencionais
Redes aéreas
multiplexadas
Redes subterrâneas
Redes monofásicas rurais
Pmax_total
(kW)
Pmax_GD3ϕ
(kW)
Pmax_GD1ϕ
(kW)
37,50
11,25
7,50
33,75
11,25
3,75
41,25

11,25

3,75
0,55*Ptrafo
Tabela 2.2: Índices técnicos aplicados a cada tipo de rede secundária – geração
intermitente (células fotovoltaicas)
Tipo de rede
Redes aéreas
convencionais
Redes aéreas
multiplexadas
Redes subterrâneas
Redes monofásicas
rurais
PmaxPFVtotal
(kW)
PmaxPFV3ϕ
(kW)
PmaxPFV1ϕ
(kW)
45,00
15,00
7,50
41,25
15,00
7,50
45,00
15,00
3,75


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)