Conforme as an´alises realizadas ao longo deste cap´ıtulo e no Cap´ıtulo 2, prop˜oe-se os seguintes crit´erios e requisitos a serem seguidos no projeto de uma nanorrede c.c.:
I. Definir as potˆencias dos conversores est´aticos. O conversor RRC deve possuir ca- pacidade compat´ıvel com a m´axima potˆencia de gera¸c˜ao distribu´ıda instalada, de modo a permitir a opera¸c˜ao em MPPT. Os conversores BGIC e ESC devem possuir capacidade compat´ıvel com o fator de demanda da instala¸c˜ao, uma vez que ser˜ao os principais respons´aveis pela regula¸c˜ao de tens˜ao do barramento c.c. no modo conec- tado (BGIC) e no modo ilhado (ESC). A capacidade do sistema de armazenamento depende da autonomia m´axima desejada no modo ilhado;
II. Todos os conversores que se conectem ao barramento principal devem possuir ca- pacidade de limitar a sua corrente de curto-circuito, com o intuito de proteger os conversores e a nanorrede contra faltas fase-fase;
III. Definir a curva DBS. O posicionamento do modo tens˜ao define os instantes de expor- ta¸c˜ao/importa¸c˜ao de energia dos conversores. O conversor RRC deve estar em modo
MPPT na maioria dos setores da curva, de modo a produzir o m´aximo de energia ao longo do dia, ou seja, o seu modo tens˜ao deve ser posicionado no setor I. O po- sicionamento dos conversores BGIC e ESC depende da estrat´egia de gerenciamento desejada. O posicionamento do BGIC acima do ESC, privilegia o armazenamento de energia, de modo que existe exporta¸c˜ao para a rede el´etrica apenas em caso de excesso de gera¸c˜ao. Ao se posicionar a curva do conversor ESC acima do BGIC, o sistema ir´a exportar a energia armazenada nas baterias para a rede el´etrica e apenas as recarregar´a em caso de excedente de gera¸c˜ao. O n´ıvel terci´ario pode promover a mudan¸ca da polariza¸c˜ao dessas curvas ao longo de um per´ıodo para otimizar a opera¸c˜ao da nanorrede;
IV. Projetar as resistˆencias de droop, segundo (3.1);
V. Selecionar a bitola dos cabos ou barramentos de interconex˜ao dos conversores e circuitos da nanorrede respeitando o limite estabelecido na Figura 3.4;
VI. Selecionar dispositivos de prote¸c˜ao contra faltas e correntes diferenciais, observando os tipos de dispositivos descritos na Tabela 2.1 e na Figura 2.9. Lembrando que o trip dos disjuntores de estado s´olido do lado c.c. devem ser menores do que o limite de prote¸c˜ao contra sobrecorrentes dos conversores est´aticos, principalmente do conversor BGIC;
VII. No caso dos dispositivos DR c.c., regular o trip para 30 mA, para proteger os usu´arios contra choques e o sistema contra faltas durante opera¸c˜ao ilhada;
VIII. Selecionar topologias de conversores LVDB que possuam isolamento, para permitir que os barramentos LVDC possam operar sem aterramento e dispositivos de prote- ¸c˜ao;
IX. Associar no ponto DP.1 um dispositivo DPS para prote¸c˜ao contra surtos da rede. Existem por´em dispositivos, como os disjuntores c.c. de estado s´olido e dispositivos DR c.c. que demandam maior investiga¸c˜ao para se tornarem compat´ıveis com o uso em
uma nanorrede c.c.. Al´em disso, a arquitetura do elo de comunica¸c˜ao entre os conversores e o Gerenciador de Energia, os algoritmos de gerenciamento e o conjunto de informa¸c˜oes a serem intercambiadas nesta rede de comunica¸c˜ao ainda n˜ao est˜ao consolidadas e devem ser tema de trabalhos futuros dentro do projeto de pesquisa, ao qual pertence este trabalho de tese.
3.5
Conclus˜oes do cap´ıtulo
Este cap´ıtulo se dedicou a discutir a arquitetura geral de controle a ser empregada na nanorrede c.c. proposta. O sistema de controle empregar´a diferentes n´ıveis hier´arquicos para gerenciar o fluxo de energia entre os elementos da nanorrede e para promover a integra¸c˜ao dos conversores em um mesmo barramento c.c.. O n´ıvel prim´ario de controle, o qual ´e respons´avel pelo paralelismo dos conversores, estabelece curvas de sinaliza¸c˜ao do barramento, ou seja, para cada n´ıvel de tens˜ao do barramento principal, o modo de opera¸c˜ao dos conversores pode ser alterado. Comentou-se que estas curvas devem ser implementadas independentemente da topologia e dos diagramas internos de controle dos conversores, de forma a se permitir a inser¸c˜ao de diferentes tecnologias ao longo do tempo, sem que isso interfira no funcionamento da nanorrede. O n´ıvel secund´ario, por outro lado, monitorar´a o n´ıvel de tens˜ao do barramento e o estado de carga do sistema de armazenamento e promover´a a corre¸c˜ao de eventuais desvios. Em caso de falha na comunica¸c˜ao entre os conversores, a corre¸c˜ao de desvios ´e dispensada, mas a nanorrede continua a operar pelo n´ıvel prim´ario. Como a tens˜ao do barramento ´e utilizada para definir modos de opera¸c˜ao da nanorrede, propˆos-se um crit´erio de sele¸c˜ao de cabos que em fun¸c˜ao de quedas de tens˜ao na instala¸c˜ao, as quais podem ser dimensionadas para cada caso.
O comportamento dos n´ıveis hier´arquicos da arquitetura de controle da nanorrede foi avaliado por meio de simula¸c˜oes computacionais e resultados experimentais, no caso do n´ıvel prim´ario, mostrando que a nanorrede ´e capaz de responder a perturba¸c˜oes de carga e de gera¸c˜ao de energia adaptando o fluxo de potˆencia para suprir a carga local. Al´em
disso, o n´ıvel secund´ario de controle possibilita que em regime permanente a tens˜ao do barramento seja regulada em 311 V. Os parˆametros de controle definidos neste cap´ıtulo ser˜ao empregados ao longo do trabalho de tese.
At´e o presente momento, a implementa¸c˜ao experimental do n´ıvel secund´ario de controle e do Gerenciador de Energia n˜ao foi realizada. De modo que ainda n˜ao se definiu a estrutura do elo de comunica¸c˜ao, nem os protocolos a serem utilizados. Com isso, o funcionamento real deste n´ıvel de controle pode empregar velocidade de comunica¸c˜ao diferente da simulada, o que afetaria o intervalo de tempo considerado para troca de informa¸c˜oes entre os dois n´ıveis de controle. Al´em disso, o implementa¸c˜ao real pode introduzir atrasos desiguais da troca de informa¸c˜oes entre o Gerenciador de Energia e os conversores, principalmente ao se utilizar protocolos com comunica¸c˜ao ass´ıncrona, o que pode afetar o desempenho do sistema. Simulou-se a inser¸c˜ao de atrasos entre 20 ms e 30 ms no recebimento do valor de tens˜ao m´edio entre os conversores, contudo, n˜ao se percebeu altera¸c˜ao percept´ıvel no comportamento apresentado na Figura 3.10, indicando que, a t´ecnica de compensa¸c˜ao proposta apresenta robustez a atrasos de comunica¸c˜ao, entretanto, uma investiga¸c˜ao experimental ainda se faz necess´aria. Por fim propˆos-se um roteiro de projeto para nanorredes c.c., seguindo as an´alises realizadas ao longo dos cap´ıtulos 2 e 3.
Interface da nanorrede c.c. com a
rede el´etrica
Neste cap´ıtulo, o projeto do sistema de interface entre a nanorrede c.c. e a rede da distribuidora de energia ser´a discutido, com o objetivo de se realizar o desenvolvimento do conversor de interface BGIC (Bidirectional Grid Interface Converter ), o qual ser´a respons´avel por atender requisitos de conex˜ao tanto do lado da concession´aria de energia, quanto da arquitetura da nanorrede, discutida no Cap´ıtulo 3. Devido `a inexistˆencia de uma legisla¸c˜ao espec´ıfica que lide com a conex˜ao de uma microrrede de energia ao sistema de distribui¸c˜ao, normas e padr˜oes de conex˜ao de centrais de gera¸c˜ao distribu´ıda (GD) `a rede el´etrica ser˜ao empregadas. Os documentos normativos consultados, como j´a exposto anteriormente, foram os Procedimentos de Distribui¸c˜ao (PRODIST), os quais s˜ao documentos elaborados pela ANEEL em parceria com agentes e entidades do setor el´etrico nacional que normatizam e padronizam as atividades t´ecnicas relacionadas ao funcionamento do sistema de distribui¸c˜ao brasileiro, que incluem todas as redes de tens˜ao inferior a 230 kV [56], e o padr˜ao internacional IEEE 1547, desenvolvido pelo Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrˆonicos (IEEE), o qual estabelece crit´erios e requisitos para a conex˜ao de sistemas de gera¸c˜ao distribu´ıda com potˆencia inferior a 10 MVA ao sistema el´etrico. O Apˆendice C apresenta os principais requisitos destes documentos. O
comportamento do conversor BGIC e seus elementos constituintes ser´a avaliado por meio de simula¸c˜oes computacionais e/ou resultados experimentais.
4.1
Crit´erios para o projeto do conversor
Os crit´erios de projeto do conversor BGIC (Bidirectional Grid Interface Converter ) listados a seguir buscam atender requisitos de acesso ao sistema de distribui¸c˜ao revisados no Apˆendice C e os crit´erios de conex˜ao ao barramento c.c. da nanorrede discutidos no Cap´ıtulo 3. Segundo os documentos de acesso ao sistema de distribui¸c˜ao, as nanorredes s˜ao classificadas como microgera¸c˜ao distribu´ıda na legisla¸c˜ao brasileira, sendo que, para potˆencia instalada inferior a 10 kW, o acesso pode se dar de forma monof´asica, bif´asica ou trif´asica, com n´ıveis de tens˜ao de 127 V/220 V. Nesta classe de potˆencia, o uso de transformador de isolamento no ponto de conex˜ao comum entre a nanorrede e a rede el´etrica n˜ao ´e exigido. Al´em disso, os dispositivos de prote¸c˜ao contra anomalias de tens˜ao e frequˆencia, ilhamento n˜ao-intencional e faltas pode ser realizado pelo pr´oprio conversor de interface, sem a necessidade de se adicionar dispositivos externos para este fim. Assim sendo, definiu-se os seguintes crit´erios para o projeto do conversor BGIC:
a) Conex˜ao monof´asica `a rede de 127 V e/ou 220 V;
b) O conversor n˜ao deve elevar o n´ıvel de curto-circuito no ponto de conex˜ao, ou seja, a corrente injetada pelo conversor BGIC deve ser limitada para n˜ao comprometer a seguran¸ca do sistema de distribui¸c˜ao;
c) O conversor n˜ao dever´a controlar ativamente a tens˜ao do ponto de conex˜ao, atuando como fonte de potˆencia ativa;
d) O conversor dever´a promover fator de potˆencia superior a 0,92 no PCC;
e) A conex˜ao com o sistema de distribui¸c˜ao apenas poder´a ser realizada ap´os o sincro- nismo com a frequˆencia da rede el´etrica;
f) A corrente injetada pelo conversor no PCC dever´a atender crit´erios de distor¸c˜ao harmˆo- nica e corrente cont´ınua descritos no IEEE 1547;
g) O conversor dever´a ser munido de prote¸c˜oes contra faltas na rede el´etrica, anomalias de tens˜ao e frequˆencia, falhas de sincronismo e ilhamento do sistema de distribui¸c˜ao, seguindo crit´erios de detec¸c˜ao e desconex˜ao do PCC definidos no IEEE 1547;
h) A reconex˜ao apenas dever´a ocorrer quando o sistema de distribui¸c˜ao estiver comple- tamente restaurado;
i) O conversor BGIC dever´a desacoplar o barramento c.c. principal da nanorrede de dist´urbios ocorridos no PCC;
j) O conversor dever´a impedir que falhas no lado c.c. se propaguem para o lado c.a. e vice-versa;
k) O conversor dever´a ser munido de sistema de controle de correntes de curto-circuito, de forma a n˜ao contribuir com a corrente de falta fase-fase no lado c.c.;
l) Compensar tens˜ao de modo comum, de modo a garantir menor corrente de corpo em eventuais choques el´etricos na instala¸c˜ao c.c. e fugas de corrente;
m) Respeitar as curvas DBS, estabelecidas no n´ıvel prim´ario de controle da nanorrede. ´
E importante salientar que a confiabilidade do conversor BGIC deve ser elevada, uma vez que falhas no seu funcionamento, ou a necessidade de troca e/ou manuten¸c˜ao do equi- pamento ir˜ao impossibilitar a nanorrede de interagir com a rede el´etrica c.a., for¸cando uma opera¸c˜ao ilhada. Como nem sempre a gera¸c˜ao e armazenamento local s˜ao dimensionados para sustentar toda instala¸c˜ao por longos per´ıodos de tempo, problemas neste conversor podem levar `a desenergiza¸c˜ao de toda nanorrede. Com isso, al´em de se escolher uma topo- logia capaz de lidar com faltas e sobrecargas em ambos os lados c.a. e c.c. da nanorrede, o conversor dever´a ser munido de prote¸c˜oes que minimizem danos a seus componentes. Em situa¸c˜oes onde o intercˆambio de energia entre a nanorrede e a rede el´etrica ´e muito frequente, a eficiˆencia energ´etica do conversor tamb´em pode influenciar significativamente o rendimento de toda instala¸c˜ao, de modo que topologias com alta eficiˆencia devem ser preferidas.