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)