e-poti: impacto da eletrônica de potência nas redes inteligentes
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Palestra do Prof. Dr. Fernando Antunes no E-potiTRANSCRIPT
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Jornada de Tecnologia do PiauíTeresina, 11 de setembro de 2014
Prof. Fernando Antunes,
Impacto da Eletrônica de Potência nas Redes Inteligentes
Fonte: (NIST, 2009)
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• Motivação:– Crise do petróleo em 1973– Sustentabilidade do meio ambiente para produção de energia elétrica– Crescimento de demanda por energia elétrica
• Novas tendências:– Fontes renováveis para geração de energia elétrica– Geração distribuída– Consumidor pro-ativo– Armazenamento do lado da carga (Mudança de paradigma).
• Não há uma única definição universalmente aceita para Redes Inteligentes (RI).
Histórico
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1979
Source: Stefan Rahmstorf, Potsdam Institute for Climate Impact Research
Foto do Polo Norte em 1979
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2007
Source: Stefan Rahmstorf, Potsdam Institute for Climate Impact Research
Foto do Polo Norte em 2007
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www.gpec.ufc.br 5Fonte: PIK 2007
Emissão de CO2
Crescimento na produção de CO2
Produção segura de CO2
Em
issã
o [G
tC]
Ano
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Combustíveis Fósseis x Fontes Renováveis na Produção de Energia Elétrica
Usinas a Combustívies Fósseis
Perdas
Renováveis EnergiaEnergia
Usinas Hidroelétricas, Eólicas e SolaresCombustív
el
38 % Rendimento 100 % Rendimento
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
Fraunhofer IWES
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De Combustívies fósseis para renováveis.De Carro com motor à combustão interna para carro elétrico.
Tendência na Produção de Energia
Renew. Power
Renew. Power
20 % Efficiency 80 % Efficiency
Today Tomorrow
FuelGasoline, Diesel, Natural
Gas
Fuel
Combustion Motor
Electro Motor
Losses
Drive Power
Losses
Drive Power
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
Fraunhofer IWES
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Mudança de Conceito
•Cada kWh do sol, vento ou hidro substitui: •2,5 kWh de energia primária do carvão•3,0 kWh de energia primária de combustíveis nucleares •2,5 kWh de energia primária de combustível para mobilidade•1,0 kg CO2 das usinas elétricas•0,4 kg CO2 usinas elétricas a ciclo combinado
Perdas
Energia elétrica
Perdas
Energia útil
Usinas
A carvão
Veículos•P
rimar
y en
erg
y
Solar, eólica e hidro
Perdas em baterias
Energia útil
• 60 %
• 40 %
• 80 %
• 20 %
•P
rimar
y en
erg
y
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
Fraunhofer IWES
Solar, eólica e hidro
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Potencial de Uso das Fontes Renováveis de Energia
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
Fraunhofer IWES
Consumo de EnergiaHidráulica
Biomassa
Eólica
Solar
Soma das Renováveis
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Potencial para desenvolvimento e redução de custo das renováveis
Proporção do consumo mundial de energia:
Solar Thermal Power Plants
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
Fraunhofer IWES
Energia elétrica produzida no Brasil em 2012 498 TWh
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• Hoje:
Geração Cetralizada
Dimensionado paracarga máxima
Tarifa Fixa
Rejeição de carga
Rede sem comunicação
Sistema limitado parageração distribuída
Grandes reservas para cargas não esperadas ou falha no sistema
Controle Unidirecional
Estrutura Predominante dos Sistemas de Energia Elétrica
coal nuclear hydro
Rede dealta tensão
Rede demédia tensão
Rede debaixa tensão
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
Fraunhofer IWES
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Geração distribuída com fontes renováveis de energiaIntermitência das fontes renováveis
Incerteza de suprimento na hora do consumo
Necessidade de reservas reduzidas
Comunicação bi-direcional com grande fluxo de informação
Informação on-line das tarifas variáveisLimite de potência variável, dependendo da carga
Parqueeólico
FCPV Wind FCPV CHP
carvão nuclear hidro Gás e vapor
Mudança nos Sistemas de Energia Elétrica
Armazenamento no lado da carga
Fonte: Prof. Dr. J. Schmid
Fraunhofer IWES
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Redes Inteligentes
Rede Tradicional Rede Inteligente
Geração CentralizadaFluxo de Potência UnidirecionalConsumidor PassivoComportamento Previsível
Geração DistribuídaFluxo de Potência BidirecionalConsumidor AtivoComportamento estocástico
Fonte:IEEE Power & Energy Magazine March/April 2010 pp.13
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As mudanças nos sistemas de energia elétrica, a necessidade de controle da intermitência das fontes renováveis de energia, do armazenamento no lado da carga levaram ao desenvolvmento do conceito das redes inteligentes.
Como defini-las?
O Que há por trás da expressão REDE INTELIGENTE?
O termo rede inteligente descreve a conectividade entre infra-estruturas, que até agora eram operadas independentes umas das outras: a rede elétrica, medidores de energia e a informação da rede. A combinação deles torna uma rede comum numa rede "inteligente”.
Redes Inteligentes
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Rede Elétrica
Infra-estrutura de “inteligência”
Fonte: Tom Oh, Rochester Institute of Technology
Como defini-las?
Redes Inteligentes
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• Próxima geração de redes de distribuição serão caracterizadas pelo uso de novas tecnologias:– Lado da geração
• Geração distribuída baseadas em fontes renováveis• Gerenciamento de micro-redes e de plantas de
geração virtual– Lado do consumidor
• Cargas controláveis• Micro-geração com interface eletrônica• Carros elétricos
– Operação de rede• Dispositivos de rede interligados por rede de
comunicação
Redes Inteligentes
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• Representam a modernização dos sistemas de energia elétrica na direção de protegê-los e monitorá-los na operação dos seus diversos componentes:– Geração centralizada e geração distribuída conectadas
pelas redes de alta e de baixa tensão.– Distribuição em corrente contínua.– Automação predial.– Sistemas de armazenamento de energia e usuários.– Veículos elétricos– Eletrodomésticos.
• É a interconexão entre os sistemas de energia elétrica, TI e telecom.
Redes Inteligentes
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Necessidade de interface apropriada Conversores Estáticos
Geração Distribuída
Fonte ?????
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• As RI contribuem para:– Otimizar a operação dos sistemas de potência– Melhorar a qualidade da energia– Aumentar a segurança e eficiência das redes elétricas – Aumentar a eficiência do uso dos equipamentos – Diminuir perdas nos sistemas de distribuição – Reduzir custos com manutenção e reparo de equipamentos– Criar novos serviços para aumento de receita– Vender mais energia pelo aumento da disponibilidade de
serviço– Reduzir a demanda elétrica global – Alcançar as metas ambientais– Outros ...
Redes Inteligentes
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Infraestrutura para Micro-rede
• Medidores digitais: com medição em quatro quadrantes, bidirecional, classe 0,2%, com memória de massa, firmware atualizável, atendendo requerimentos da Aneel.
• Religadores inteligentes:
– capaz de medir e armazenar corrente e tensão em ambos lados da chave, capaz de proteção bidirecional: detecta direção de corrente de falta, controle micro-processado, e múltiplos protocolos de comunicação.
• Dispositivos Eletrônicos Inteligentes: relés numéricos, PMUs
• Chaves elétricas com sensores de tensão e corrente em ambos lados da chave
• Fontes de diferentes tecnologias: PV, Eólica, FC, CHP, PCH.
• Conversores estáticos
• Dispositivos de armazenamento de energia: Baterias, Supercapacitores.
• Cargas eletrônicas programáveis
• Sistema de comunicação
– Fibra ótica
– RF Mesh
– PLC
• FACTS/UPFC
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Iniciativas Internacionais• Segundo o relatório Accelerating Successful Smart Grid Pilots em 2010
já existiam cerca de 90 projetos pilotos de redes inteligentes no mundo.• De acordo com Energy Retail Association mais de 250 projetos
relacionados RI no mundo.
Fonte: (ENERGY UK, 2012).
Redes Inteligentes
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Redes Inteligentes
Experiências no Brasil
Fonte: Próprio autor com base nos dados da ANEEL.
Região Custos (R$ mi)
Norte 28.11
Nordeste 43.37
Centro-Oeste 3.16
Sudeste 292.52
Sul 44.13
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• No Brasil concessionárias com projetos em redes inteligentes:– Light – uso de Medidores Inteligentes e Tomada
Inteligente.– EDP –projeto na cidade de Aparecida do Norte (SP)
em parceria com a USP atuando em medição inteligente (Grupo EDP + Ecil tiveram 1º medidor inteligente nacional homologado pelo Inmetro) e Geração Distribuída.
– CPFL – Telemedição do Grupo A e Mobilidade para otimização da equipe de campo, implementados com consultoria da IBM.
– Copel – Cidade Digital (Curitiba-PR)
Redes Inteligentes
Experiências no Brasil
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Objetivo:
Desenvolvimento junto a GPEC de sistema de geração distribuída – Planta piloto para rede inteligente.
Pesquisa e Desenvolvimento para Implantação de um Piloto de Redes Inteligentes (SmartGrid) para
Automação do Sistema Elétrico
ANEEL/COELCE Programa de P&D
Redes Inteligentes
Experiências no Ceará
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Objetivo:
Estudo teórico e experimental do gerenciamento e controle de uma micro-rede baseada em fontes renováveis e sistema de armazenamento de energia, com comunicação operando em modo interligado à rede de dsitribuição.
GERENCIAMENTO E CONTROLE DE MICRO-REDE INTELIGENTE
Edital MCT/CNPq/CTENRG Nº 04/2010
Redes Inteligentes
Experiências na UFC
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Micro-Rede da UFC em Execução
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Projetos em Execução
Objetivo:
Este trabalho tem por objetivo o estudo teórico e experimental da interação de sistemas de geração baseados em fontes renováveis de energia (células a combustível, aerogeradores e painéis fotovoltaicos) com a rede elétrica e em sistemas autônomos.
DESENVOLVIMENTO DE TÉCNICAS PARA MELHORIA DA CONTROLABILIDADE E SUPORTABILIDADE A FALTAS DE
SISTEMAS DE GERAÇÃO BASEADOS EM FONTES RENOVÁVEIS DE ENERGIA, INTERLIGADOS E
AUTÔNOMOSEdital MCT/CNPq/CTENRG Nº 04/2010
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Concepção Proposta
PMSG 75 kW
DFIG 12 kW
PV 2 kWp
FC 1,5 kWp
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Nova Concepção na Integração de Sistemas Fotovoltaicos Interligados à Rede Elétrica
Micro-Rede CC e CA
REDE CA (380V L-L)
=
~
=
=
CONVERSOR CC-CA
BATERIAS
CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL
600 Vcc
311 VccCARGA
=
=
=
=
=
=
CC-CC CONVERSOR (MPPT)
=
=
48 Vcc
CONVERSOR BOOST
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Transformadores de Estado Sólido
Novas Concepções
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Topologia da Micro-rede GPEC31
AC -DC-AC
DFIG
AC
Ponto de Conexão
AC-DC
DC-DC DC-DC DC-DC
PV FC
DC-AC
PVPMGS
AC-DC-AC
DC
M M M M M M
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• A tecnologia fotovoltaica mudou a forma de como pensamos sobre energia.
• Desde 1970, foi demonstrado que se pode obter uma considerável parte da energia elétrica sem queimar combustíveis fósseis ou utilizar fissão nuclear.
• A conversão fotovoltaica pode ser utilizada em inúmeras aplicações, escalas, climas e localidades geográficas.
• Possibilita o acesso à eletricidade para localidades remotas, evitando o uso de geradores a diesel, e o transporte deste combustível.
• Pode ajudar um sistema elétrico a fornecer picos de consumo, especialmente onde o uso de ar condicionado é extensivo.
Energia Solar
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Energia Solar
• Sistemas Fotovoltaicos (Foto=Luz e voltaica= Produz tensão)- Convertem energia solar diretamente em eletricidade usando semicondutores (rendimento ≈ 12-19%).
• Sistemas Térmicos – Produzem calor a partir da radiação solar (rendimento ≈ 45%).
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Os fotons incidentes da luz solar alcançam as camadas dopadas (p e n) formando cargas positivas e negativas que alcançam os contatos metálicos externos devido à existência de um campo elétrico na camada de depleção. Como resultado há uma diferença de potencial entre os contatos metálicos externos. Quando estão conectados a uma carga, surge uma corrente elétrica.
Conversão fotovoltaica
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0,00
0,50
1,00
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4,00
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70
Voltage V [V]
Cu
rre
nt
I [A
]
1000 W/m² 800 W/m² 600 W/m² 400 W/m² 200 W/m²
Influência da radiação solar na curva v x i
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0,00
0,50
1,00
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4,00
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0
Voltage V [V]
Cu
rren
t I [A
]
1000 W/m² 600 W/m² 200 W/m² Load
P 1
P 2
P' 1
Importância da Operação no Ponto de Máxima Potência
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Painel Fotovoltaico
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Carga ccPainel fotovoltaico
Conversor cc-cc
Porque o Conversor Eletrônico?
- Permitem o controle da carga da bateria e ao mesmo tempo permitem a implementação de algorítimos para a operação do painel fotovoltaico no ponto de máxima potência, o que não é possível com os controladores de carga mostrados.
0,00
0,50
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3,50
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0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0
Voltage V [V]
Cu
rren
t I [A
]
1000 W/m² 600 W/m² 200 W/m² Load
P 1
P 2
P' 1
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Inverter
DDP
DC Bus
Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Sistema PV cc/ca
Inversor
Consumidor em ca
Painel fotovoltaico
Regulador de carga
Bateria
Barramento CC
Barramento CA
Consumidor em cc
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Parceiro: Eletrobrás Piauí
Sistema PV para Alimentação de Escola Rural em CC
PV
CONTROLADOR
BANCO DE BATERIAS
CONVERSOR
DE CARGA
CC
Lâmpadas
CARGAS AC
ELEVADOR
Econômicas
CarregadorCelular
COM RETIFICADORNA ENTRADA
Aparelho deSom Portátil
24 Vcc
CONTROLE311 Vcc
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• Sistema Fotovoltaico para Consumidor Rural em CC
• Eletrobras Piaui- CEPISA (PI) - Programa de P&D.
Sistema PV para Alimentação de Escola Rural em CC
Parceiro: Eletrobrás Piauí
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Carga
=
~
=
~
=
~
=
~
Sistemas Híbridos com Barramento CA
Inversor
Inversor
Inversor
Gerador diesel
Banco de bateria
Célula combustível
Painel fotovoltaico
BA
RR
AM
EN
TO
EM
CA
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Energia Eólica
– S – Área total varrida pelas pás (m2) – V – velicidade do vento(m/s)– ρ - air density (kg/m3)
31
2m pP C S V
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Rede/Carga
Energia Cinética
Energia Mecânica
Energia Elétrica
Conversor
Sistema de Conversão Eólio-ElétricaHardware, regulamentação e controle
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G
RedeLC-FilterP,Qn,T DC-link N1/N2
Gerador Conversor do lado da máquina
Conversor do lado da rede
Filtro Trafo
Requisitos para Integração à Rede Elétrica
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Gerador Síncrono de Íma PermanentePMSG
Conversor Inversor
Aerogerador Conectado à Rede Elétrica
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Controle de torque e velocidade do gerador para máxima transferência de potência.
Transferência de energia para rede, controle de potências ativa e reativa e qualidade de energia (harmônicas de corrente).
Controle de tensão no elo cc
Conversor Processando Plena Potência
Fonte: Leonowicz, Z “Power-Electronic Systems for the Grid Integration of Renewable Energy Sources”.
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www.gpec.ufc.brConversor de 2 nívies (esquerda) e de 3 níveis (direita)
Conversores Estáticos - Exemplos
0 0.005 0.01 0.015 0.02
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
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Time /s
Am
plitu
de
0 0.005 0.01 0.015 0.02
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Time /s
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I
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+
-
+
-
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D D D
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+
-
+
-
iaia1
ia2
DDD
DDD
DDD+
-
Vo2
R
R
850km
50Hz 60Hz
Conversores em um sistema de transmissão em CC
1200 kVcc+-
750 kVrms 750 kVrms
Controla o nível de tensão da linha CC
Controla a magnitude da corrente na linha CC
Sistema HVDC
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Transmissão Extra Alta Tensão em CC
Conversores para HVDC
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Sistema Elétrico Integrado Nacional
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OBRIGADO!
GPEC – DEE – UFCCaixa Postal 6001 – Campus do Pici
60.455-760 - Fortaleza – Ceará - BrasilTel.: +55 85 3366 9586 Fax +55 85 3366 9574
E-mail: [email protected]
Contato