Microredes em Corrente Contınua: Qualidade de Fornecimentoe Eficiencia em Futuras Redes de Distribuicao

Marcelo Lobo Heldwein, Dr. Sc.

Resumo—A corrente contınua ganha importancia nas instalacoes eletricas de redes de distribuicao gracasas experiencias positivas em transmissao HVDC e ao avanco da tecnologia de conversores estaticos. Estetrabalho faz uma analise crıtica da utilizacao de corrente contınua para aplicacao em futuras microredes, ouseja, pequenas redes com foco na qualidade e confiabilidade de energia apresentando um alto grau de insercaode fontes distribuıdas. Verifica-se que redes em corrente contınua oferecem vantagens em microredes comcargas alimentadas em corrente contınua e com fontes para cogeracao que necessitem conversao eletronica.Uma revisao aponta que muitos desafios nesta area ainda nao possuem solucao definitiva e mais estudos saonecessarios. Este trabalho compara microredes alimentadas em corrente contınua e alternada. Verifica-seque a configuracao da rede exerce impacto na eficiencia energetica de um sistema. Propoe-se uma arquiteturade microrede de distribuicao em corrente contınua utilizando uma linha bipolar de ±320 V. Outra propostado trabalho e o redistribuidor de correntes para linhas bipolares em corrente contınua, o qual equaliza ascorrentes nos alimentadores, minimizando as perdas de transmissao de energia. Conclui-se que as tecnologiaspara instalacoes eletricas comerciais, residenciais e remotas estao sofrendo mudancas importantes e criandonovos desafios para os profissionais da area.

Palavras-chave: Micro-redes, Distribuicao em corrente contınua, Protecao em corrente contınua,Redistribuidor de correntes.

1 Introducao

Varias pessoas ilustres visitaram a Exposicao Universal da Filadelfia, nos Estados Unidos daAmerica, em 1876. Dentre estes encontravam-se Thomas Alva Edison [1] e Dom Pedro II, o qualpassou a conhecer a eletricidade nesta feira. Em 8 de fevereiro de 1878 [2], o imperador autorizoua empresa de Thomas Edison a introduzir a “luz electrica” no Brasil. A inauguracao do primeirosistema de iluminacao eletrica deu-se em 1879, na atual Central do Brasil, entao estacao central daEstrada de Ferro D. Pedro II. O sistema de seis “velas” a arco inventadas pelo russo Paul Jabloch-koff era alimentado por dois dınamos inventados por Zenobe Gramme, ou seja, o primeira sistemade distribuicao de eletricidade no Brasil era alimentado em corrente contınua (CC) [3]. Porem,seguindo a tendencia mundial, os sistemas de geracao em corrente alternada (CA) comecaram aproliferar no paıs e os primeiros sistemas instalados no sul do Brasil [4], tais como o sistema ali-mentado pela hidreletrica de Maroim perto de Florianopolis, foram desta natureza e continuamassim ate hoje.

Dentro do contexto historico internacional, Thomas Edison e George Westinghouse travaram achamada “Guerra das correntes” [5], iniciada em 1886. Nesta disputa, o que estava em jogo era acriacao de um padrao para os sistemas de distribuicao e transmissao de energia eletrica. Edisondefendia arduamente a corrente contınua por ser mais segura para os seres vivos em geral, demons-trando publicamente em varias oportunidades que animais, inclusive um elefante, eram facilmentemortos ao se aplicar tensao alternada em seus corpos. Naquela epoca, Edison acabou derrotado pelasuperioridade tecnologica demonstrada pela transmissao de energia em CA no tocante as perdasgeradas na transmissao por longas distancia. A utilizacao de transformadores foi o grande diferen-cial nesta “guerra”, facilitando a elevacao de tensao e a consequente reducao da corrente eletricae das perdas de transmissao. Um outro ponto favoravel a corrente alternada e a maior facilidadepara interrompe-la, ja que esta se anula duas vezes por perıodo. Obviamente, ha muitos outros

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aspectos para analisar nesta comparacao e os avancos atingidos em varias tecnologias ao longo demais de um seculo de uso difundido da eletricidade alertam neste momento para uma reavaliacaodos padroes atuais de transmissao e distribuicao de energia eletrica. Esta reavaliacao ja esta emcurso em muitos trabalhos de pesquisa pelo mundo. Ha a consciencia de que e necessario melhorara utilizacao dos recursos naturais disponıveis no planeta e de que o crescimento populacional e oaumento dos padroes de consumo sao realidades sem perspectivas de mudanca no futuro proximo.A confluencia destes fatores tem forcado pesquisadores a buscar solucoes e, neste momento, ha aoportunidade de realizacao de mudancas estruturais importantes, mas que devem ser cuidadosa-mente avaliadas. Uma das alternativas propostas na literatura e a possibilidade de distribuicao deenergia eletrica em corrente contınua com todas suas implicacoes.

O aumento de utilizacao de equipamentos eletro-eletronicos, tais como computadores e equi-pamentos para escritorio, eletronicos para entretenimento, eletrodomesticos com melhor utilizacaoda energia eletrica, entre outros, e visıvel e pronunciado nao so no exterior como no Brasil. Astendencias atuais do consumo de energia eletrica pelos usuarios finais demonstra um crescimentorapido e irreversıvel de equipamentos alimentados em corrente contınua. Estes equipamentos saocomumente alimentados em CA, porem apresentam um retificador como interface com a rede dedistribuicao. Em geral, equipamentos de baixa potencia no Brasil possuem retificadores simples, osquais nao apresentam correcao do fator de potencia e que, portanto, alem de apresentarem perdasinerentes a conversao CA-CC, geram potencia reativa, principalmente sob a forma de conteudoharmonico de corrente. Esta potencia reativa deve tambem ser alimentada pelas redes de distri-buicao, gerando perdas desnecessarias em alimentadores e linhas de transmissao. Pelas peculiari-dades do sistema de energia de nosso paıs, a geracao de energia tem sido feita tipicamente longedos grandes centros de consumo, o que acarreta grandes perdas de transmissao no sistema. Emum cenario em que o consumo de energia eletrica aumenta rapidamente, como pode ser visto naFigura 1, o aumento de perdas gera uma demanda por mais fontes de energia implicando em custospara o paıs.

0

100

200

300

400

500

600

700

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Consum

o −

Brasil [G

Wh]

Outros Comercial Residencial Industrial

Figura 1: Previsao, por setor economico, do consumo de energia eletrica no Brasil para os proximos anos[6].

Outra caracterıstica da geracao de eletricidade no Brasil e que, ao longo dos ultimos anos, aautoproducao de energia eletrica tem obtido um crescimento mais acentuado que o consumo. Istopode ser verificado na Figura 2, aonde existe uma boa correlacao entre consumo total e crescimentodo PIB, porem se percebe claramente a tendencia maior de crescimento de unidades de geracaopara consumo proprio. Com isto, a previsao de aumento de carga, ou seja, consumo somado com

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perdas tem tido suas projecoes alteradas. O maior responsavel por este aumento da autoproducaoe o setor sucroalcooleiro que utiliza resıduos da producao como combustıvel para realizar cogeracaode energia eletrica, obtendo em muitos casos nıveis de energia excedente que sao injetados na redeeletrica. Boa parte deste tipo de cogeracao e realizada atraves de turbinas a gas. Alem deste tipode cogeracao, outras tecnologias deverao ter participacao na matriz de energia do paıs. Unidadesde cogeracao instaladas proximas ou junto aos consumidores finais formando redes de geracaodistribuıda de maior ou menor potencia sao vislumbradas como uma alternativa sustentavel e commenos impacto ambiental para o problema de expansao do consumo no mundo todo [7]. Estudosinternacionais [8] mostram que a geracao distribuıda de energia tem o potencial de fornecer ate 20%da capacidade total de geracao nas proximas duas decadas e, apesar de o Brasil ja possuir umamatriz energetica ambientalmente favoravel, a inclusao de redes com geracao distribuıda tambemdevera fazer parte do cenario energetico nacional. Neste contexto, pesquisadores em todo o planetatentam responder perguntas que incluem itens como: Quais avancos podem ser esperados na area desistemas de energia? Quais os nıveis desejaveis de insercao de geracao distribuıda e como inserı-las?Como fazer a inclusao de tecnologias mais eficientes no mercado consumidor? Quais os impactosdas mudancas propostas e se elas nao ocorrerem? Ha a possibilidade de se obter uma matrizenergetica totalmente limpa e qual seu custo?

Autoprodução

Consumo

PIB

300%

250%

200%

150%

100%

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

Figura 2: Crescimento do PIB, do consumo de energia eletrica e da autoproducao de energia eletrica noBrasil nos ultimos anos com relacao a 1992 [6].

Redes de distribuicao em CC parecem propiciar certas vantagens importantes sobre redes CA[9, 10, 11, 12] quando inseridas no contexto de geracao distribuıda. Algumas das vantagens sao:menor numero de conversoes CA-CC nas cargas; menor numero de conversoes CC-CA nas unida-des de fontes para cogeracao; maior capacidade de transmissao de energia para uma mesma linha;inexistencia de correntes reativas; necessidade de controle apenas do nıvel de tensao, sendo que ocontrole de frequencia e sincronismos nao se fazem necessarios; maior facilidade de interconexaode sistema de armazenamento de energia; flexibilidade quanto a expansao da rede; menores riscospara os seres humanos. Muitos topicos devem ser melhor avaliados, entre eles: a confiabilidadedas redes em CC; as tecnologias para a protecao de sistemas CC incluindo tecnicas de aterramentoapropriadas; a necessidade de fluxo bi-direcional de potencia em varios pontos das redes de dis-tribuicao e os efeitos de campos eletromagneticos gerados por correntes contınuas no ambiente de

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instalacoes eletricas. Ainda ha pontos com claras desvantagens para as redes em CC, entre os quaisos mais importantes sao: a maior dificuldade em se interromper uma corrente; a impossibilidadede aplicacao de transformadores e consequente necessidade de utilizacao de conversores CC-CCque elevam os custos iniciais da instalacao, neste momento, e apresentam confiabilidade reduzidaquando comparados aos transformadores, e a necessidade de substituicao de mais de um seculo detrabalho e instalacoes em CA. Esta ultima desvantagem deve ser cuidadosamente estudada, com oobjetivo de que, no caso de migracao de sistemas CA para sistemas CC, esta seja feita objetivandoo menor numero de mudancas possıvel. O uso de redes CC em aplicacoes rurais tambem parece seraltamente vantajoso, ja que e normalmente feito com um numero reduzido de condutores [13] e autilizacao de CC possibilita uma capacidade maior de transmissao [14].

Duas condicoes parecem constituir um dos possıveis cenarios para o futuro do fornecimentode energia. Quais sejam, o consumo final sendo dominado por equipamentos alimentados emcorrente contınua e a inclusao de fontes para cogeracao distribuıda de energia proximas aos centrosde consumo. Aliadas a estas, esta uma terceira, que e a possibilidade de utilizacao de cargase fontes “inteligentes” capazes de se comunicar com a rede de distribuicao para saberem quandopodem operar e quando devem ser desligadas. Contudo, antes destas definicoes, torna-se imperativoavaliar estas tecnologias sob todos os aspectos possıveis. Este trabalho pretende discutir algunsdos aspectos relativos a eficiencia, confiabilidade e desafios relativos a protecao de sistemas dedistribuicao em CC, bem como propor dispositivos que possam melhorar o desempenho de taissistemas. Primeiramente, traca-se uma projecao do perfil dos aparelhos mais utilizados no consumode energia eletrica, bem como das tendencias atuais para unidades de cogeracao e armazenamento deenergia. Todos estes serao componentes importantes das futuras redes de distribuicao. Em seguida,faz-se uma revisao e analise crıtica das tecnicas propostas na literatura na area de microredes comfoco nas arquiteturas de distribuicao e seu impacto na eficiencia energetica do sistema. Mostra-se uma comparacao entre microredes alimentadas em corrente contınua e microredes em correntealternada, buscando-se levantar os desafios para as tecnologias necessarias a ambas. Com base naspossibilidades identificadas na literatura, propoe-se uma arquitetura de microrede de distribuicaoem corrente contınua bem adaptada a redes de baixa tensao. Esta proposta baseia-se ainda nautilizacao de um novo equipamento, aqui nomeado redistribuidor de correntes, o qual tem comoprincipal objetivo a reducao nas perdas de transmissao de uma linha de alimentacao bipolar emcorrente contınua. Finalmente, mostra-se resultados de simulacao numerica ilustrando a operacaodo equipamento proposto em uma rede com cargas desbalanceadas.

2 Perfis de Consumo, Cogeracao e Armazenamento de Energia

Eletrica em Futuras Redes de Distribuicao

2.1 Consumo

O consumo de energia eletrica apresenta variacoes de perfil importantes dependendo da localizacaogeografica e da finalidade da instalacao. O maior responsavel pelo consumo de energia eletrica e oacionamento de motores, totalizando um consumo medio de 65% do total da energia eletrica con-sumida na industria. Na Uniao Europeia, 56% de toda energia eletrica e gasta em acionamentos,50% dos quais na industria [15]. Estudos atuais [15] calculam que, em 2000, 40% da energia para

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acionamento era provida por conversores estaticos. Contudo, este mesmo estudo [15] apresenta aestimativa de que mais de 80% da energia para acionamento sera provida por conversores estaticosem 2015. Esta medida vem ao encontro a busca por maior eficiencia energetica, ja que processosmecanicos que demandam controle da variacao de velocidade ou de torque podem ser muito be-neficiados pela inclusao de processamento eletronico no lugar de transmissoes variaveis ou outrostipos de controle com atuacao mecanica. Dependendo do processo envolvido, reducoes de ate 70%do consumo de energia podem ser obtidas. Atualmente ha apenas um conversor, fabricado pelaYaskawa, que converte diretamente CA para CA no mercado de acionamentos ate algumas dezenasde kW. Com isto, a grande maioria dos conversores estaticos utilizados em acionamentos de media ealta potencia necessitam de alimentacao em corrente contınua. Os fabricantes de eletrodomesticosque necessitam de motores de inducao ou similares, tais como refrigeradores, ar condicionados,maquinas de lavar roupa, entre outros, tem sofrido grande pressao para a obtencao de maioresnıveis de eficiencia. Com isto, os eletrodomesticos mais modernos tambem incorporam conversoresestaticos para controlar de forma mais economica os processos mecanicos.

O segundo maior consumidor mundial de energia eletrica e o aquecimento para processosquımicos ou fısicos. Nesta area, nao ha grandes restricoes quanto a utilizacao de CC ou CA,ja que as cargas resistivas necessitam somente de um certo valor eficaz de tensao. Porem, processosque utilizam aquecimento indutivo sao tipicamente alimentados por conversores estaticos ressonan-tes, os quais necessitam de alimentacao em CC. Contudo, o aquecimento indutivo responde apenaspor uma pequena parcela deste tipo de aplicacao.

A iluminacao esta em terceiro lugar no consumo de energia eletrica. Segundo a InternationalEnergy Agency (IEA), 19% do consumo mundial de eletricidade e utilizado em iluminacao. Apropria IEA afirma que 75% dos sistemas de iluminacao instalados sao ineficientes. Com isto,observa-se que ha um grande potencial de melhoria de rendimento ao se utilizar lampadas eficien-tes, controladas por reatores eletronicos e tambem com o desenvolvimento da iluminacao de estadosolido (LEDs – “Light Emitting Diodes”). Ambos, reatores eletronicos e LEDs sao alimentadospreferencialmente em corrente contınua. Lampadas de vapor de mercurio, de sodio e metalico,todas possuem mercurio e sao classificadas como resıduos perigosos (Classe 1) pela Norma ABNT10.004/04 [16]. Este mesmo estudo [16] propoe que sejam substituıdas as lampadas ineficientes(mercurio, incandescente, mista) por de vapor de sodio, com isto se reduziria, em 2004, de insta-lados 2.223 MW (3,23% do consumo de energia eletrica do Brasil) para 1.921 MW, produzindo-seuma economia de consumo de 25,1%. Esta economia e os impactos ambientais ainda podem sermelhorados com a utilizacao de LEDs [17].

O perfil de utilizacao residencial de energia eletrica na Alemanha e visto na Figura 3(a). Nota-se que mais de um quarto da energia eletrica e consumida com aquecimento, em equipamentosque podem ser alimentados tanto em CC quanto em CA. Aproximadamente 30% e consumidaem maquinas de lavar e refrigeracao, equipamentos que necessitam de motores eletricos, dos quaisa maior parte deve ser alimentada por conversores estaticos no futuro. As outras cargas sao ouserao alimentadas em CC, ate mesmo os motores universais, os quais podem ser indistintamentealimentados em CC ou CA [18].

No Brasil, o perfil medio de consumo de energia possui algumas diferencas com relacao a Eu-ropa. Isto pode ser observado na Figura 3(b), aonde se ve que a refrigeracao e o uso de chuveiro

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Lavação; 5%

Iluminação; 20%

Chuveiro elétrico; 25%

Geladeira/congelador; 30%

Ferro elétrico; 6%

Televisão; 10% Outros; 4%

Lavação; 9,9%

Iluminação; 8,8%

(a)

(b)

Água quente; 14,1%

Fogão/forno; 9,1%

Televisão; 6,5%

Aquecedores; 4,2%

Eletrodomésticos; 19,8%

Outros; 6,1%

Refrigeração; 21,5%

Figura 3: Distribuicao tıpica de consumo de energia eletrica em uma residencia: (a) na Alemanha [15], e;(b) no sul do Brasil [19].

eletrico representam mais da metade da energia consumida. Novamente, os equipamentos de refri-geracao muito provavelmente serao, cada vez mais, alimentados em CC por um conversor estatico.Quanto ao chuveiro eletrico, apesar de poder ser alimentado tanto em CC quanto em CA, este tipode equipamento e altamente ineficiente, apresentando-se como desperdıcio de energia e ha variasiniciativas para troca-los por equipamentos mais eficientes. Por exemplo, durante audiencia publicana Camara dos Deputados em marco de 2009, o relator da Comissao Especial de Fontes Renovaveisinformou que a liberacao de financiamento pela Caixa Economica Federal para construcao da casapropria podera ficar condicionada ao compromisso de incorporacao de aquecedores solares ao pro-jeto do imovel. Outra alternativa tambem mais eficiente que o chuveiro eletrico e a utilizacao de gasnatural ou outras fontes de calor. Com isto, ve-se que estes equipamentos poderao ou deverao tersua utilizacao cada vez mais restrita ate mesmo no Brasil. Estudos [20] mostram que em algumasareas do Brasil, ate 40% do consumo de energia pode se dar em aparelhos de ar condicionado,alertando para a necessidade de contrucao de predios mais eficientes, bem como para o aumentode rendimento dos aparelhos, o que pode tambem ser atingido pelo processamento eletronico daenergia para os compressores.

Considera-se como senso comum que, para enfrentar os desafios do setor de energia de uma formaeconomicamente eficiente, o primeiro passo e maximizar a utilizacao dos recursos existentes [21]

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melhorando as formas de consumo de eletricidade. Portanto, outro aspecto importante no futuroperfil das cargas e a tendencia [15] de impor nıveis mınimos de rendimento aos equipamentos eletro-eletronicos, como acontece na California [22]. Isto garante que fabricantes de equipamentos sejamcontinuamente pressionados para a melhoria contınua da eficiencia.

Locais dependentes da energia proveniente de paneis fotovoltaicos poderiam tambem ter be-nefıcios de cargas em CC, uma vez que todas as perdas associadas a conversao CC-CA seriameliminadas. Um exemplo de tal aplicacao e o projeto do Banco Mundial “Mitigating Global Cli-mate Change through the Development of a Quality Process Infrastructure for Renewable Energy(QuaP-PV)” [23], o qual preve a eletrificacao rural em corrente contınua baseada em geracao foto-voltaica em paıses em desenvolvimento, a maioria na Africa e na Asia. Um dos relatorios [23] desteprojeto mostra claramente que o inversor necessario para alimentar cargas em CA e um dos pontoscrıticos do projeto.

Em 2002 ja havia mais de 6 bilhoes de fontes chaveadas no mundo [24]. Para se ter uma ideiado crescimento mundial esperado na producao de fontes de alimentacao CC pode-se observar aFigura 4, aonde se ve a projecao da quantidade de fontes nos proximos anos por tipo de equipamentoa ser alimentado. Verifica-se que o numero total em 2010 ultrapassa os tres bilhoes de fontesvendidas por ano. Mais um dado importante e que equipamentos relacionados com as tecnologiasde comunicacao e informacao (ICT) consumiam cerca de 8% da eletricidade nos EUA em 1998 [25].Este consumo deve subir para algo em torno de 30% a 50% entre 2010 e 2020.

Iluminação

Milhões

de u

nid

ades

2006

0

400

800

1200

1600

2000

2007 2008 2009 2010 2011

Eletrônicos

Computadores

ComunicaçõesIndustrial

Figura 4: Projecao da quantidade de unidades de fontes de alimentacao produzidas no mundo agrupadaspor tipos de equipamentos [26]. Neste grafico nao estao contabilizadas as fontes para telefones celulares.

Outra carga que deve ser esperada no futuro e a armazenagem de energia para veıculos eletricos,os quais parecem ter um futuro promissor desde que seja resolvido o problema de carregamento debaterias ou quaisquer outros meios de armazenagem. Mais uma vez, cargas que necessitam CC.

Verifica-se portanto que, seguindo-se as tendencias atuais, a maior parte do consumo de energiatende a ser em corrente contınua. Tem-se portanto duas claras alternativas para a distribuicaode energia no futuro, realizar a distribuicao em CC ou faze-la em CA. Estes dois cenarios saovistos na Figura 5. Esta figura enfatiza que em caso de distribuicao em corrente alternada, ter-se-aque prover conversores CA-CC (retificadores) em um grande numero de cargas, causando perdas epotenciais problemas com o fator de potencia destas cargas. Estas desvantagens seriam eliminadascaso a eletricidade fosse disponibilizada em corrente contınua.

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Painéis fotovoltáicos

(a) (b)

LEDs

Refrigerador dealta eficiência

Distribuição CA

Lavadora dealta eficiência

LEDs

LaptopTV/Hifi

Lâmpada dealta eficiência

Painéis fotovoltáicos

LEDs

Refrigerador dealta eficiência

Distribuição CC

Lavadora dealta eficiência

LEDs

LaptopTV/Hifi

Lâmpada dealta eficiência

Figura 5: Projecao de dois cenarios para o consumo e cogeracao residencial: (a) equipamentos de altaeficiencia em uma residencia alimentada em corrente alternada, e; (b) equipamentos de alta eficiencia emuma residencia alimentada em corrente contınua.

2.2 Unidades de Cogeracao

Primeiramente, ha que se deixar claro o que cogeracao significa. Ha o sentido geral da palavracogeracao em um sistema eletrico, que e a geracao de energia eletrica independente dos grandesgeradores, na maior parte dos casos, geracao por um tıpico consumidor. Ha um significado maisrecente aplicado a esta palavra que e a geracao simultanea de eletricidade e calor atraves de equi-pamentos chamados CHP (“Combined Heat Power”) para se obter nıveis mais altos de eficienciaenergetica (tipicamente se reduz o consumo entre 10% e 30%), uma vez que parte das perdas nageracao de eletricidade sera aproveitada para aquecimento. Pode-se tambem utilizar o calor paramover turbinas e gerar eletricidade a partir de outros processos, tambem melhorando o aproveita-mento de energia. Neste trabalho, cogeracao sera entendida como a producao de energia eletricapor fontes proximas aos consumidores. Estas fontes podem, ou nao, ser sustentaveis, porem o maiorfoco da cogeracao e a partir de fontes renovaveis.

Alguns exemplos dos mais difundidos tipos de tecnologias para cogeracao sao listados na Ta-bela 1. Ve-se que a maior parte das aplicacoes nao gera energia nas frequencias tıpicas da rede,necessitando a utilizacao de conversores estaticos para obter as formas de onda e a sincronizacaonecessarias para transferir energia a rede eletrica. Ha dois inconvenientes com esta conversao: areducao do rendimento da geracao e a necessidade de sistemas de controle relativamente complexos.

2.3 Tecnologias de Armazenamento

Varias tecnologias de armazenamento estao sendo atualmente pesquisadas. Nenhuma destas tecno-logias atingiu um estado de maturidade e de grande insercao no mercado, seja por custos elevados,dimensoes exageradas, problemas ambientais ou falta de confiabilidade. Porem, com o objetivo deaumentar a confiabilidade do fornecimento de energia, solucoes nesta area deverao ser encontradas,uma vez que a inclusao de cogeracao nas redes de alimentacao levara a maiores flutuacoes e desvios

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Tabela 1: Exemplos de tecnologias de geradores utilizados em cogeracao e suas frequencias tıpicas.

Tecnologia Frequencia tıpica de saıdaMicroturbinas de alta velocidade 100’s Hz . . . kHz

Celula a combustıvel (CaC) CCFotovoltaicos CC

Geradores eolicos 10’s Hz / CCGeradores a combustao 10’s Hz / kHz

de tensao e frequencia [27]. A aplicacao de sistemas de armazenamento nas redes de distribuicaovem de encontro com a necessidade de balancear diferencas entre demanda e capacidade de trans-missao ou geracao por algum perıodo de tempo. Um exemplo claro e a utilizacao de geracao solar oueolica, as quais nao sao capazes de manter um fluxo constante de energia e dependem de condicoesmeteorologicas. Estas incertezas tendem a mudar as redes de distribucao com a necessidade deinclusao de sistemas de armazenamento ate em escala de sistemas de distribuicao. Nao se podenegligenciar o fato de que a inclusao de armazenamento tambem reduz a eficiencia do sistema e,portanto, deve-se buscar solucoes aonde sua utilizacao seja minimizada.

Um exemplo de tecnologia que ainda possui custos elevados sao as celulas a combustıvel (CaC).Estudos mostram que ja nao haveria barreiras tecnicas para algumas aplicacoes e, no entanto, estatecnologia ainda nao esta inserida no mercado. Aplicacoes residenciais de CaC como energia deemergencia, bem como “peak-shaver”, ou seja, fornecendo a potencia para cargas durante o picode demanda ja foram propostas [28], uma vez que a tendencia e que o consumo no pico seja custode tarifacao mais elevados. Ainda neste estudo, verificou-se que a integracao de CaC e geracaodistribuıda em edifıcios coletivos planejados pode ser mais eficiente, aonde se poderia utilizar ocalor excedente para aquecimento, por exemplo.

Os dados tıpicos de frequencia de operacao dos sistemas mais conhecidos de armazenamento po-dem ser vistos na Tabela 2. Novamente, a maioria dos equipamentos que utilizam estas tecnologiasnecessita de processamento eletronico para serem conectadas as redes em CA. Tipicamente, parauma melhoria do rendimento, tem-se um primeiro estagio de processamento responsavel por geraruma tensao CC e um segundo estagio que efetivamente faz uma conversao CC-CA em sincronismocom a tensao da rede.

3 Microredes e seus Principais Atributos

O sistema de energia atual nao foi projetado para acomodar geracao e armazenamento distribuıdos,uma vez opera baseado em armazenamento na geracao e fluxo unidirecional de potencia no sentidogeracao-consumidores. Porem, fontes distribuıdas apresentam vantagens consideraveis: aumento donıvel de confiabilidade; aumento da eficiencia do sistema pela reducao de perdas com transmissaoe aumento da eficiencia pela utilizacao de fontes de calor que, de outra forma, seriam perdidas.

A exigencia dos consumidores por mais qualidade na distribuicao de energia leva a necessidadede melhorias dos sistemas atuais [29]. Entre muitos projetos de pesquisa, o segundo em prioridadepara o “roadmap” para o fornecimento de energia apresentado em [30] e a busca por um novo

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Tabela 2: Exemplos de tecnologias de armazenamento e suas frequencias de operacao tıpicas.

Tecnologia Frequencia tıpica de saıdaHidrogenio (CaC) CC

agua bombeada 10’s HzVolantes de inercia (“flywheels”) CC / kHzAr comprimido (microturbinas) kHz / CC

Baterias CCSuper-capacitores CC

Super-condutividade CC / 10’s HzCalor (CHP) 10’s Hz – kHz

sistema de distribuicao de eletricidade. Neste documento estao contemplados os seguintes objetivosprincipais para o futuro das redes eletricas: (i) aumento de confiabilidade das redes; (ii) aumentode geracao distribuıda e (iii) adaptabilidade das redes. Estas necessidades levaram ao conceito demicroredes.

Microredes ou “microgrids” sao sistemas de distribuicao, tipicamente em baixa tensao, com altainsercao de fontes de energia distribuıdas e dispositivos que fazem o armazenamento de energia,e que operam com uma conexao a rede convencional [7]. Todavia, estas pequenas redes podemoperar isoladas da rede convencional em caso de faltas ou de nıveis de qualidade de energia abaixodos estipulados. Estes sistemas foram propostos justamente para acomodar a inclusao de unidadesde cogeracao na rede, uma vez que dentro de uma microrede o controle do fluxo de potencia paraa grande rede sera feito de forma hierarquica. A inclusao a esmo de geracao distribuıda poderiatrazer grandes problemas para o controle de sistemas de energia. As microredes tambem forampropostas com o objetivo de aumentar a confiabilidade das redes de distribuicao.

As microredes sao baseadas em controladores e equipamentos eletronicos para o condiciona-mento de potencia. Estes equipamentos tem a capacidade de, alem de controlar o fluxo de potencia,melhorar a qualidade das tensoes disponıveis na rede. Estes talvez sejam os maiores benefıcios deuma microrede para o usuario, ou seja, o potencial para melhorar a qualidade e a confiabilidadeda alimentacao de energia eletrica por seus maiores nıveis de redundancia na geracao. Contudo,esta capacidade de redundancia necessita infraestruturas sofisticadas de controle, comunicacao eprotecao para poder garantir a operacao em todos os modos requeridos. Como se pode prever,a implantacao de tais sistemas teria um custo inicial alto. Porem, uma vez instalado, a inclusaode novas cargas e fontes de energia ja teria toda a infraestrutura pronta e seria facilitada pelascaracterısticas do sistema.

O conceito de microredes pode ser concretizado com a aplicacao de diversas tecnologias recentes.Mais especificamente a adicao de inteligencia local as redes de distribuicao pode ser efetivadautilizando-se [31]:

• Comunicacoes integradas: importantes para realizar comunicacao bi-direcional em tempo reale operacao “plug-and-play” dos equipamentos conectados;

• Dispositivos avancados: conversores estaticos, super-condutividade e novos materiais sao ca-pazes de adicionar funcoes, confiabilidade e qualidade a rede;

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• Metodos de controle e diagnostico: novos metodos de controle estao sendo desenvolvidos paraenfrentar os desafios dos novos conceitos de sistemas de energia. Estes metodos aliados amonitoracao e ao diagnostico em tempo real tendem a conferir maior rapidez, confiabilidadee flexibilidade de operacao;

• Algoritmos de interface e suporte as decisoes: os sistemas modernos exigirao aplicacoes eferramentas que auxiliem as decisoes de operadores ou ate mesmo tomem estas decisoesem tempo real. Inicializacao de fontes de cogeracao, desligamento de cargas e atuacao dearmazenamento sao exemplos de decisoes que devem ser feitas em tempo real.

As microredes deverao ser desligadas da rede primaria assim que houver uma falha nestaou quando os nıveis de qualidade de fornecimento de tensao estiverem abaixo de nıveis pre-estabelecidos. Esta desconexao de uma microrede deve ser feita de forma segura e rapida atraves deinterruptores estaticos [7]. Outra aplicacao de interruptores estaticos e como disjuntores de rapidaatuacao capazes de limitar correntes de surto e de interconectar fontes distribuıdas na rede.

Uma outra questao importante e que a maior parte dos componentes de uma microrede teraconversores estaticos operando como interfaces com as redes de distribuicao primaria e a modelagemdestas interfaces e primordial para o bom funcionamento do sistema.

O estudo apresentado em [32] apresenta conceitos para casas inteligentes (“Smart Houses”) quepoderao interagir com redes inteligentes (“Smart Grids”) com o ojetivo de prover alimentacao deenergia de forma eficiente, confiavel, segura e sustentavel. Este projeto encontra-se em fase detestes iniciais em tres diferentes paıses e, com base nos resultados destes testes, sera definido um“roadmap” para esta tecnologia.

Para que o desenvolvimento em larga escala das microredes realmente aconteca, sera necessarioestabelecer normas tecnicas, regulamentacao economica e protocolos de comunicacao/controle paraque os componentes destes sistemas possuam as caracterısticas apresentadas. Porem, outra questaoque deve acompanhar todas as outras e: ja que se esta pensando em alteracoes profundas nas redesde distribuicao, por que nao verificar tambem as possıveis configuracoes para as futuras redes?Quais sao os nıveis de tensao mais adequados? Qual ou quais sao as frequencias de fornecimentomais bem adaptadas?

3.1 Microredes em Corrente Alternada

O conceito das microredes nasceu com seu foco em redes de distribuicao em corrente alternada.Muitas pesquisas e plantas piloto ja estao oferecendo resultados praticos desta iniciativa [7]. Umbom exemplo de implementacao de uma microrede em corrente alternada e apresentada em [29].Neste estudo, mostra-se a arquitetura do primeiro PPP “Premium Power Quality Park”, o qual eum sistema capaz de alimentar um barramento com altıssima confiabilidade e qualidade de energia.O sistema e alimentado com redundancia, atraves de dois alimentadores para aumentar a confiabi-lidade. A melhoria da qualidade de tensao e obtida utilizando-se varios dispositivos eletronicos, osquais ja demonstraram suas capacidades em aplicacoes especıficas e em separado. Os dispositivosincluıdos na microrede de [29] sao os seguintes: (i) DVR – “dynamic voltage restorer” ou restaura-dor dinamico de tensao, responsavel por compensar variacoes de tensao, harmonicos e balancear astensoes trifasicas; (ii) FASTRAN – chave estatica de transferencia de um barramento para outro,

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e; (iii) ASVC – “advanced static VAR compensator” ou compensador estatico de reativos. Estastres estruturas realizam suas funcoes atraves do processamento eletronico de energia.

Um dos principais diferenciais entre microredes e redes convencionais e que a relacao de im-pedancia nos alimentadores, ou seja, a relacao R/L tende a ser maior, o que dificulta o controle defluxo de potencia atraves do desacoplamento entre tensao e frequencia. Portanto, tecnicas de con-trole utilizando caracterısticas do tipo potencia ativa versus tensao (P×V) e potencia reativa versusfrequencia (Q×f) desacopladas deverao ser revistas e o controle deve tornar-se mais complexo [7].O resultado sera uma variacao maior de frequencia e isto podera tornar as teorias de potencia atu-almente utilizadas para controle e tarifacao de energia nao totalmente aplicaveis. Portanto, haveraa necessidade de estudos para analisar estes topicos. O controle de microredes, principalmente emilhamento, torna-se mais complexo para sistemas em corrente alternada.

Um estudo [13] mostra duas redes de distribuicao, uma em baixa tensao (BT) urbana e outraem media tensao (MT) rural, as quais sao utilizadas como modelos para estudos de penetracao degeracao distribuıda. Constata-se neste estudo que a inclusao de geracao distribuıda (GD) eleva operfil de tensao em alguns pontos da rede, porem em alguns casos ha uma elevacao a valores detensao fora das especificacoes do sistema. Isto ocorre porque as unidades de GD tem capacidadelimitada de geracao de reativos, sendo portanto incapazes de realizar a compensacao da tensao darede de forma controlada. Em um dos casos estudados, a tensao em um dos pontos cai a nıveisabaixo dos limites. A solucao para este problema seria a inclusao de compensadores de reativosna rede ou de transformadores com um maior numero de taps. Outro ponto importante alertadoem [13] e que nao se sabe como sera a atuacao de sistemas de protecao existentes na rede eletrica,uma vez que as protecoes atuais nao sao projetadas para um fluxo de potencia invertido, ou seja,geracao de energia proxima aos consumidores.

Uma outra preocupacao em distribuicao em corrente alternada e o fator de potencia das cargas.A correcao do fator de potencia tem grande potencial para reduzir perdas em alimentadores ecircuitos de distribuicao. Por exemplo, um sistema com uma fonte chaveada alimentada por umalimentador de 30 m pode ter suas perdas reduzidas em mais de 20% so pela utilizacao de correcaodo fator de potencia [33], o que adiciona custos as fontes. Alem disto, a correcao do fator de potenciade fontes chaveadas e de sistemas de acionamentos traz consigo uma reducao do rendimento da fonteem si. O rendimento de conversores para correcao do fator de potencia encontra-se tipicamenteentre 70% e 97% [33] para equipamentos com potencia entre 20 W e 10 kW. O rendimento de fonteschaveadas de potencia abaixo de 300 W fica entre 40% e 80%, em media. Para aumentar esta faixade rendimento para acima de 80%, estima-se um aumento de custo das fontes entre 10% e 30%.Porem, uma parte das perdas e dos custos encontra-se no circuito retificador.

As grandes vantagens da distribuicao em corrente alternada sao que esta tecnologia esta commais de cem anos de idade e que praticamente todas as redes de distribuicao atuais sao feitas destamaneira. Outros pontos positivos sao a maior facilidade em se interromper correntes ja que ascorrentes se anulam duas vezes por perıodo e o alto rendimento de equipamentos CA, pricipalmenteem media tensao.

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3.2 Microredes em Corrente Contınua

Sistemas de distribuicao em CC sao historicamente aplicados em sistemas de alimentacao paratelecomunicacoes e equipamentos de tecnologia da informacao, transmissao CC em alta tensao(HVDC), sistemas de distribuicao para alimentacao de acionamentos eletricos industriais e bar-ramentos em baixa tensao (BT) ou em media tensao (MT) alimentando conversores para tracaoe alimentacao auxiliar em trens. Estes sistemas sao ate mesmo mais antigos que os alimentadosem corrente alternada, mas tem a caracterıstica de fluxo unidirecional de energia. Contudo, sorecentemente cogitou-se de sua aplicacao para redes de distribuicao comerciais, principalmente emredes com alta insercao de geracao distribuıda [9, 10]. A aplicacao de sistemas CC em microredese, portanto, uma das alternativas para futuras redes de distribuicao. Todavia, a alimentacao emCC e mais eficiente em BT porque em MT o rendimento de transformadores e muito elevado [10].Portanto, distribuicao em MT ainda deve ser feita em CA, retificada e abaixada para os nıveisadequados e distribuıda em CC para os consumidores. Porem, em baixa tensao, equipamentos emCC sao tipicamente mais compactos que seus equivalentes em CA.

O estudo apresentado em [9] propoe uma serie de requisitos para um sistema CC. Sao eles:

a. Ser bem adaptado para operar com cargas atuais e futuras, possibilitando um alto grau decontrolabilidade de carga e fontes;

b. Ser expansıvel, isto e, novas cargas e fontes poderao ser conectadas sem alterar as unidades jaexistentes;

c. A comunicacao entre os conversores deve ser evitada, apenas podendo ser feita com baixa largurade banda para o controle supervisorio;

d. O grau de seguranca eletrica deve ser igual ou melhor que o atual.

Estes requisitos, se bem observados, estao bem alinhados com os objetivos das microredes emgeral.

O requisito (a) e avaliado em alguns estudos sobre a compatibilidade das cargas tıpicas atu-almente utilizadas com redes em corrente contınua. Em [18] varias cargas (lampadas, cafeteira,forno eletrico, lampadas com reator eletronico, computador e monitor) foram testadas e modeladaspara utilizacao em um sistema de distribuicao em CC. As medidas realizadas em [10] mostramque a maioria dos equipamentos em residencias atuais podem ser alimentados em CC. Ainda ha aobservacao de que uma grande parte destes equipamentos e capaz de operar em uma larga faixa detensao (100 – 300 V).

Quanto ao requisito (b), redes CC nao necessitam de sincronismo e tambem nao contemplamenergia reativa. Portanto, a interconexao de fontes e cargas e, em princıpio, facilitada neste tipode sistema.

Um requisito especıfico do trabalho [9] e evitar a comunicacao entre conversores (c). Porem,este ainda e um assunto aberto, ja que o grau de controlabilidade de cargas e fontes depende do tipode comunicacao utilizada. Quanto a comunicacao, nao ha limitacoes muito diferentes das existentesem redes CA.

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O grau de seguranca eletrica de uma rede depende de como a protecao desta rede e realizada.Segundo dados de estudos medicos, a corrente contınua apresenta menos riscos aos seres humanosno que se refere a tolerancia de circulacao de corrente no corpo (Tabela 3).

Tabela 3: Reacoes humanas a circulacao de corrente [34].

Efeito no CC CA CAcorpo (0 Hz) (60 Hz) (10 kHz)

Sensacao leve Homem = 1,0 mA 0,4 mA 7 mAna mao Mulher = 0,6 mA 0,3 mA 5 mA

Limite para Homem = 5,2 mA 1,1 mA 12 mApercepcao Mulher = 3,5 mA 0,7 mA 8 mA

Dor, porem com Homem = 62 mA 9 mA 55 mAcontrole voluntario Mulher = 41 mA 6 mA 37 mADor, sem controle Homem = 76 mA 16,0 mA 75 mA

muscular voluntario Mulher = 51 mA 10,5 mA 50 mADor severa, com Homem = 90 mA 23 mA 94 mA

dificuldade respiratoria Mulher = 60 mA 15 mA 63 mAPossıvel fibrilacao Homem = 500 mA 100 mAapos tres segundos Mulher = 500 mA 100 mA

Na opiniao de Thomas Edison:

“My personal desire would be to prohibit entirely the use of alternating currents. They areas unnecessary as they are dangerous. I can therefore see no justification for the introduction ofa system which has no element of permanency and every element of danger to life and property.”Thomas A. Edison, The Danger of Electric Lighting, North American Review, 149 (Nov. 1889),pp. 625-633.

Dependendo da forma como se realiza o aterramento do sistema, pode haver dificuldades paradetectar correntes de fuga quando o sistema nao e aterrado ou e aterrado com alta impedancia.Porem, uma vantagem do sistema em corrente contınua e que, em regime permanente, nao hacirculacao de corrente das linhas para a terra por capacitores, sejam eles para filtragem ou simples-mente capacitancias parasitas.

O estudo apresentado em [9] propoe um esquema de aterramento para distribuicao CC incluindoalgoritmos de deteccao de falhas e deteccao de curto-circuito. O sistema e aterrado atraves decapacitores em serie com resistores e a deteccao de faltas da-se pela integracao das correntes defalta. O sistema funciona mesmo para faltas com alta impedancia (3 kΩ – ser humano).

Outro estudo [35] propoe um sistema de aterramento com alta impedancia para um sistemade distribuicao industrial em corrente contınua. Este estudo mostra que, em um sistema nao-aterrado, as tensoes de neutro em cargas ou geradores CA e a tensao do barramento negativo saoproibitivamente altas. O sistema de aterramento e escolhido como um sistema de alta impedancia[36, 37] (sistema tipo IT) que possibilita a continuidade de fornecimento de energia em caso defalta a terra, causando apenas um aumento marginal da corrente no terminal que esteja curto-circuitado. Esta tecnica utiliza a redundancia de geradores para aumentar a confiabilidade dosistema. Cuidados especiais devem ser tomados em sistemas com grande insercao de acionamentos

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com conversores estaticos [38].Porem, para alimentacao residencial deve-se optar por sistemas de aterramento de baixa im-

pedancia a terra para assegurar baixas tensoes de toque. Na pratica, sao utilizados sistemas TTcom protecoes que devem garantir desligamento rapido em caso de falta ou fuga de corrente. Porem,reles diferenciais convencionais sao baseados na medicao de fluxo gerado em um enrolamento deum transformador de deteccao e isto nao funciona em CC, pois nao ha variacao de fluxo no tempo.Uma opcao seria medir a corrente nos condutores e calcular a diferenca. Contudo, isto geraria umacorrente muito menor que as que estao sendo medidas levando a erros [39]. Uma ideia razoavelseria a medicao de fluxo CC com sensores de efeito hall ou tecnologias similares. Outros metodosde aterramento em CC sao apresentados em [10].

Para manter a estabilidade e garantir fluxo de potencia em uma microrede em corrente contınuapode-se apenas atuar no nıvel de corrente CC injetada e drenada do sistema. Nao ha, portanto,a necessidade de controle de angulo ou de frequencia. Isto, em princıpio, torna o controle maissimples inclusive para as unidades de fontes distribuıdas.

Um metodo que tem sido bastante pesquisado e o controle das fontes CC via metodo “droop”e suas variacoes [9, 40], aonde nao ha a necessidade de comunicacao entre as unidades. A grandevantagem da tecnica apresentada em [40] e o uso da propria tensao do barramento como sinal decomunicacao, atraves de caracterısticas V×I com varios nıveis de tensao fazendo com que fontes earmazenamento cooperem para a estabilizacao e fornecimento de energia com qualidade.

O controle adaptativo tambem se mostrou eficiente no trabalho de [10], aonde uma microredeCC operou em dois modos distintos, ilhamento ou conectado a rede eletrica. O sistema utilizavacomo entradas o estado das fontes e o estado da rede eletrica primaria.

Outros metodos de controle sao os sistemas de compartilhamento ativo de corrente. Um metodocustoso e com o maior numero de conexoes para comunicacao e o “external controller”, aonde umcontrolador central comanda todos os conversores. Apesar de algumas desvantagens, utilizando-seredundancia do controlador central pode-se atingir um alto nıvel de desempenho e confiabilidade,aonde se pode aplicar, por exemplo, “interleaving” e os controladores locais seriam responsaveisapenas pelo comando e pela protecao [9]. Outro metodo e o controle baseado em agentes, que foiutilizado em [41, 42] como um sistema para controlar cargas, armazenamento e fontes.

O trabalho [43] propoe sistemas de controle especificamente para geradores eolicos a seremintegrados em uma rede em CC, demonstrando a efetividade do conceito e a reducao de perdascom o estagio de inversao e tambem com a transmissao de energia no caso de geracao concentradae longe da carga.

Pode-se inferir que as microredes em corrente contınua sao uma alternativa para o futuro dadistribuicao de energia por dois fatores principais: (i) conforme salientou a Secao 2, a maioriados equipamentos sera alimentada ou fornecera corrente contınua e isto pode ser benefico para oaumento da eficiencia e (ii) o controle e a interconexao de equipamentos eletro-eletronicos em CCe mais simples.

3.3 Comparacao entre Microredes

Alguns estudos comparam as alimentacoes em CC ou CA. Um destes estudos e apresentado em[44] e compara um Data Center alimentado em CC com o original em CA. Neste estudo ha uma

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economia substancial no consumo de energia atraves da reducao do numero de estagios de con-versao com a manutencao de toda a funcionalidade do sistema. Na comparacao do sistema CCcom um sistema CA utilizando conversores com rendimento “best in class”, que sao entre 0,3% e0,4% do total de equipamentos instalados hoje, obteve-se uma vantagem de 7,0% para o sistemaCC. Quando comparado com um sistema CA utilizando conversores com rendimento tıpico, estavantagem aumenta para 28,2%. Neste estudo, recomenda-se uma tensao de 380 V, uma vez queesta e a tensao de saıda da maioria dos retificadores com correcao do fator de potencia monofasicos.Varios desafios a serem resolvidos no futuro foram observados:

i. Nao ha equipamentos construıdos exclusivamente para CC com tensao mais elevada e umatensao de +48 V geraria correntes muito elevadas;

ii. Sao necessarios mais estudos sobre aterramento para distribuicao em CC;

iii. Sistemas CC sao, em teoria, mais confiaveis que CA, porem ainda nao ha informacoes consoli-dadas;

iv. Ainda nao ha uma cultura ou educacao para sistemas CC, principalmente na industria;

v. Falta desenvolver sistemas pilotos e normas para estes tipos de sistemas;

vi. Deve-se criar um mercado para sistemas CC;

vii. Ja existem conectores e cabos para CC 380 V, porem nao ha uniformizacao por parte dosfabricantes;

viii. Nao ha multiplicadores de conectores para CC 380 V e tambem sera necessario uniformiza-los;

ix. Disjuntores CC para 380 V existem, porem de poucos fabricantes e com custo mais elevado;

x. Nao ha estudo serios sobre os custos de implementacao de sistemas de distribuicao CC embaixa tensao.

A comparacao entre duas casas operando com paineis fotovoltaicos, uma alimentada em CAe outra em CC e realizada em [45]. Verifica-se que o melhor projeto das instalacoes eletricasdeveria colocar as maiores cargas mais proximas das fontes de energia para reduzir perdas emalimentadores. No caso de paineis fotovoltaicos na cobertura, deveria-se colocar salas e cozinha nosegundo pavimento, implicando em uma forte mudanca com relacao ao tıpico. O comprimento docabeamento devera sempre ser minimizado por causa da baixa tensao utilizada. Cargas alimentadasem CC tipicamente precisam de conversores CC-CC. A utilizacao de CC com tensao baixa, aumentamuito as perdas nos alimentadores, eliminando quaisquer possıveis vantagens.

Um outro estudo de caso e feito em [39], aonde uma casa tıpica e alimentada por dois sistemas,um em CC e outro em CA. O estudo faz uma modelagem de perdas e utiliza a informacao dadependencia da utilizacao de cargas com o tempo atraves de uma curva de demanda. No resultadodeste estudo o sistema CA apresenta aproximadamente o dobro de perdas, porem o artigo afirmaque isto pode estar mascarado pela utilizacao de mais condutores no sistema CC e que, portanto, adiferenca pode ser menor. Outras conclusoes do estudo sao que perdas pela circulacao de corrente

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por capacitores em CA, mesmo com cargas desconectadas, nao ocorrerao em CC e que hoje CCnao e economicamente viavel.

A avaliacao mais completa, ate o momento, com uma comparacao entre um sistema de distri-buicao em CC e outro em CA alimentando as mesmas cargas e apresentado em [14]. A conclusao eque a melhor eficiencia entre um ou outro depende do tipo de carga que estes sistemas alimentam,ou seja, um sistema com mais cargas em CC beneficia-se de uma distribuicao em corrente contınuae vice-versa. Ao final o rendimento dos conversores CC-CC, CC-CA, CA-CC ou CA-CC-CA e ograu de insercao de cargas CC ou CA e o que define se um sistema tem menos perda que o outro.Isto pode ser visto na Figura 6, aonde se ve as perdas dos sistemas em dependencia da relacao decargas CC e CA e a sensibilidade das curvas de perdas com relacao ao rendimento do processamentoeletronico em corrente contınua. O estudo propoe que um sistema de distribuicao misto poderiaser uma boa opcao para as cargas atuais. Uma adicao a esta ideia e incluir um unico retificadorde grande porte e alto rendimento proximo a um grupo de consumidores, ja que isto diminuiria asperdas de transmissao e um retificador de grande porte apresenta tipicamente maior rendimentoque um grupo de retificadores menores.

Perd

as

[kW

]

Percentual de cargas cc [%]

Somente cargas ca Somente cargas cc

Perdas em cc (rend.= 95%)

Perdas em cc (rend.= 97%)

Perdas em cc (rend.= 99%)

Perdas em ca

0

1000

500

1500

2000

2500

3000

3500

0 3010 20 40 50 60 70 80 90 100

Figura 6: Comparacao de perdas em um sistema de distribuicao CA e sistemas em CC considerandodiferentes valores de rendimento para os conversores CC-CC.

Outro ponto favoravel as microredes em corrente contınua e que as perdas de transmissao saomenores que as perdas em corrente alternada para um dado conjunto de cabos de alimentacao ecom os mesmos nıveis de tensao. A diferenca pode ficar entre duas e doze vezes [46] dependendoda configuracao de cabeamento da rede.

Microredes em corrente contınua ainda propiciam que desbalancos e distorcoes nas redes CAtrifasicas nao afetem as cargas. A qualidade de tensao nestas redes quase nao e influenciada porcorrentes de partida, cargas ou geradores monofasicos.

3.4 Alimentacao Remota de Energia

Uma rede de distribuicao autonoma em corrente contınua pode ser vantajosa para alimentacaoem lugares remotos e potencia entre 10 kW e 100 kW [47]. Isto se deve a algumas vantagensimportantes sobre sistemas em corrente alternada. Entre as quais estao: (i) o controle das fontese mais simples, ja que ha apenas controle de tensao, nao havendo necessidade de sincronismo

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e controle de frequencia; (ii) mudancas na geracao ou distribuicao podem ser compensadas comporcoes de energia na rede fornecidas por sistemas de armazenamento e (iii) custos e perdas saoreduzidas pela presenca de um unico inversor no sistema, quando necessario.

O trabalho apresentado em [48] propoe a alimentacao de pequenas comunidades a partir desistemas HVDC atraves de conversores CC-CC tipo Tap-HVDC. A utilizacao de retificacao diretaneste tipo de conexao tornaria a transmissao em CC factıvel e barata para a alimentacao decomunidades proximas a linha de transmissao.

As solucoes propostas para melhoria da qualidade no fornecimento de energia para comunida-des remotas, como no caso das microredes, tambem passa pela integracao de unidades de fontesdistribuıdas e armazenamento proximo aos consumidores. No entanto, precisa-se garantir que oacesso a rede primaria seja feito. O estudo apresentado em [46] mostra que a distribuicao emcorrente contınua tem uma capacidade muito maior para transmitir energia com os mesmos nıveisde tensao e isto faz com que a distribuicao em locais isolados seja especialmente beneficiada pelouso de corrente contınua.

4 Possıveis Configuracoes de Modernas Redes de Distribuicao

Varias configuracoes para microredes, incluindo unidades de cogeracao, armazenamento e condici-onamento, sao apresentadas na Figura 7 e na Figura 8. Estas configuracoes possibilitam diferentescombinacoes de nıveis de tensao e valores de frequencia e apresentam um numero variavel de estagiosde conversao estatica. As setas ao lado dos conversores estaticos representam as direcoes do fluxode potencia. As unidades de cogeracao compreendem: paineis fotovoltaicos (PV), microturbina agas (G.G.) e gerador eolico (G.E.). Ha uma unidade de armazenamento representada por um bancode baterias (Bat.).

Uma configuracao tıpica de microrede em corrente alternada e apresentada na Figura 7(a). Alemdas unidades ja comentadas, a rede CA contempla uma chave estatica para desligamento rapidoe suave da rede primaria, um condicionador de tensao (Cond. V) responsavel pela qualidade datensao da rede e um compensador estatico de reativos (Comp. VAr) que faz a compensacao depotencia reativa para evitar perdas na linha de transmissao. Ve-se que os conversores estaticosestao somente conectados as fontes distribuıdas e ao armazenamento, porem, sempre dois estagiosde conversao devem ser realizados, reduzindo a eficiencia da geracao distribuıda. O que nao estamostrado e que as cargas internas as residencias sao tipicamente em corrente contınua e apresentamos perfis indicados na Figura 5 da Secao 2. Com isto, a maioria das cargas necessitara de um estagiode conversao CA-CC que reduz o rendimento dos equipamentos.

Para os sistemas alimentados em corrente contınua, algumas diferencas estruturais e gerais seobservam. O papel da chave estatica e realizado pelo retificador localizado proximo ao transfor-mador principal. Nao ha necessidade de compensacao de potencia reativa. O condicionamento detensao e mais simples e pode ser feito tambem pelo retificador localizado proximo ao transformadorprincipal. Porem, esta tarefa pode ser distribuıda a todos os conversores estaticos presentes na rede.Ve-se que a interface entre a rede primaria (CA) e a microrede (CC) necessita de um retificadorcapaz de garantir fluxo bidirecional de energia. Algumas propostas para a implementacao destainterface foram apresentadas em [9, 10, 49]. A inclusao desta interface, ou seja, um retificador

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±750 V

Bat. G.E.PV

G.G.

PV

13,8 kV60 Hz

380 V60 Hz

380 V60 Hz

Bat.

Comp. VAr

Chaveestática

Cond. V

G.E.PV

G.G.

PV

13,8 kV60 Hz

380 V60 Hz

±380 V

Bat. G.E.PV

G.G.

PV

13,8 kV60 Hz

380 V60 Hz

230 V60 Hz

(a)

(b)

(c)

Figura 7: Algumas possıveis configuracoes para redes de distribuicao.

19

±380 V

Bat. G.E.PV

G.G.

PV

13,8 kV60 Hz

±320 V

Bat. G.E.PV

G.G.

PV

13,8 kV60 Hz

(a)

(b)

Figura 8: Possıveis configuracoes para redes de distribuicao.

bidirecional, elimina a caracterıstica de barramento infinito da rede, ou seja, a impedancia da redee aumentada pela inclusao de conversores estaticos e a dinamica do sistema e fortemente influen-ciada. O possıvel ganho em rendimento baseia-se fortemente neste retificador unico que deve serbem mais eficiente que as unidades de menor potencia.

A Figura 7(b) mostra uma microrede aonde uma linha bipolar de ±750 V faz a transmissaode energia em CC da subestacao principal ate proximo das unidades consumidoras. As vantagensdesta configuracao sao a reducao de cabos e perdas para a transmissao e a conexao das fontesdistribuıdas sem necessidade do estagio de conversao CC-CA. O nıvel elevado de tensao nao podeser utilizado diretamente para consumo e as cargas sao agrupadas e alimentadas por conversoresCC-CA e transformadores. Estes transformadores tem por funcao separar os circuitos de media ebaixa tensao e possibilitar o aterramento apropriado de ambos, rede e cargas. O nıvel de tensaode ±750 V e apresentado em [50] como sendo vantajoso para este tipo de aplicacao por causade normas europeias de sistemas de distribuicao. Nesta configuracao tambem se fornece correntealternada para os consumidores atraves de conversores CC-CA.

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As redes representadas na Figura 7(c) e na Figura 8(a) apresentam pouca diferenca entre si.Na Figura 7(c) a distribuicao e feita em CC com uma linha bipolar de ±380 V, a qual alimentaconversores CC-CA de medio porte instalados proximo de grupos de consumidores. Estes converso-res tipicamente apresentam rendimento superior aos conversores utilizados na Figura 8(a), os quaissao de menor potencia alimentando, cada um, uma unica unidade consumidora. A escolha por umou outro destes sistemas pode passar pela decisao de ter os conversores controlados pela empresade distribuicao de energia ou pelos consumidores.

Finalmente, tem-se na Figura 8(b) uma rede de distribuicao totalmente em corrente contınua.Ve-se que os nıveis de tensao da linha bipolar foram reduzidos para ±320 V de forma a possibilitarque um grande numero de equipamentos atualmente no mercado possam ter sua utilizacao continu-ada. Desta forma, as cargas sao alimentadas com uma tensao proxima ao pico da senoide das redesem corrente alternada atualmente utilizadas. Sao incluıdos blocos com conversores CC-CA em cadauma das unidades consumidoras para o caso em que haja cargas exclusivamente alimentadas emCA. Ve-se que esta rede e a que apresenta um menor numero de conversoes de energia desde quetornem-se verdadeiros os perfis tracados na Secao 2.

A escolha por uma destas configuracoes devera ser realizada com base em analises tecnico-economicas, pois as perdas sao fortemente dependentes de nıveis de tensao, rendimento de con-versores, grau de insercao de cargas CC, configuracao de alimentadores, quantidade de fontesdistribuıdas e distancias envolvidas. Alem destes topicos, protecao, aterramento, compatibilidadeeletromagnetica, disponibilidade de equipamentos compatıveis com CC, garantia de estabilidade,sao primordiais para a escolha da configuracao de futuras redes de distribuicao.

5 Proposta para uma Rede de Distribuicao em Corrente Contınua

5.1 Configuracao e Nıveis de Tensao

Em transmissao em corrente contınua em alta tensao (HVDC), a utilizacao de linhas bipolarestraz como principais vantagens o aumento da confiabilidade do sistema e a reducao das perdasde transmissao. A confiabilidade do sistema e aumentada porque no caso de falha em uma daslinhas, o condutor central, que em condicoes balanceadas nao conduz corrente, pode ser utilizadocomo retorno. As perdas de transmissao sao reduzidas pois as linhas conduzem apenas a metadeda corrente de uma linha monopolar. Portanto, o custo do segundo condutor e reduzido quandocomparado ao de uma linha monopolar. Esta configuracao tambem parece trazer benefıcios pararedes de distribuicao [12, 50]. O trabalho apresentado em [14] mostra claramente que a capacidadede transmissao de energia em uma rede de distribuicao tambem e aumentada quando comparadaa um sistema CA trifasico ou a um sistema CC monopolar. Com isto, adota-se aqui uma linhabipolar.

Resta entao definir os nıveis de tensao da rede. A proposta apresentada em [12] e de se utilizar±170 V, que e a tensao de saıda do retificador empregado no estudo.

O trabalho de [39] propoe mais nıveis de tensao, de forma que cargas que podem ser alimentadascom o pico da tensao da rede seriam servidas com +325 V, cargas resistivas com +230 V e aindahaveria a possibilidade de disponibilizacao de um nıvel de tensao baixo (+20 V) para equipamentoseletronicos. Sao observadas algumas desvantagens desta configuracao: (i) havera uma grande

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complexidade no cabeamento de predios com todos estes nıveis de tensao; (ii) serao necessariosdiferentes tipos de conectores, dispositivos contra sobre-corrente, medidores, entre outros; (iii) aideia de utilizar-se uma tensao CC de +230 V para alimentar as cargas resistivas atualmente nomercado nao parece ser viavel no Brasil, ja que a maior carga resistiva e o chuveiro eletrico, oqual possui contatos mecanicos que nao tem a capacidade de interromper ou comutar correntescontınuas.

Outra alternativa seria a utilizacao de tensoes mais elevadas (±750 V) como em [50]. Porem,verifica-se neste mesmo trabalho que este nıvel de tensao causa tensoes perigosas para seres humanosem caso de falta de um terminal a terra. Como solucao, [50] propoe um sistema do tipo IT, ou seja,aterrado por alta impedancia. No caso de aplicacoes residenciais, este tipo de aterramento podelevar a problemas de seguranca.

Segundo a norma ABNT NBR 5410:2004 [51], a maxima tensao segura em corrente contınua e120 V. Como a tensao de contato e somente uma parte, no maximo 50% da tensao de potencialde terra, isto significa que uma tensao de potencial de terra de ate 240 V e toleravel. Com isto,faz-se uso da mesma rede apresentada em [50] para computar qual a maxima tensao para cadabarramento de uma linha bipolar que limitaria o potencial de terra em 240 V. Os circuitos destarede estao desenhados na Figura 9, aonde se observa que a falta ocorre a 3,5 km do retificadorprincipal.

A Figura 9(b) mostra o circuito equivalente para uma falta de um dos terminais para a terra.Os resultados do potencial estacionario de terra estao apresentados na Figura 10 para quatro nıveisde tensao de barramento Vdc diferentes, incluindo ±750 V, ±170 V, ±320 V e ±320 V mais 25%.Desta figura verifica-se que nao se pode realizar aterramento com baixa impedancia para uma linhacom ±750 V, uma vez que o potencial de terra ultrapassa o limite de 240 V. Os outros nıveis detensao de barramento atendem o limite mesmo para resistencias de aterramento de ate 40 Ω. eimportante ressaltar que o limite e respeitado mesmo prevendo sobretensoes de 25% no caso delinhas com ±320 V. O valor de 320 V apresenta-se como proximo dos valores de tensao de pico das

±750 V

3,5 km

0,225 Ω ik2 mΩ 1,252 Ω

1,252 Ω

0,358 Ω 0,358 Ω

(b)

(a)

0,358 Ω

Rg

vg

Vdc 0,358 Ω

Figura 9: Rede utilizada para analise dos nıveis de tensao CC em funcao do potencial maximo de terra:(a) rede utilizada, e; (b) circuito equivalente para falta de um dos alimentadores a terra.

22

g V = 750 Vdc

V = 125% 320 Vdc

V = 320 Vdc

V = 170 Vdc

0 10 20 30 400

100

200

Limite = 240 V

Resistência de aterramento [Ω]

Pote

ncia

l de terr

a

v [V

]

300

400

Figura 10: Potencial de terra calculado no circuito da Figura 9(b) para quatro nıveis de tensao de barra-mento Vdc diferentes.

Chuveiro*

Máq. lavar

TV/Hifi

Aquecimento

320 V

+

0

_

RetificadorLaptop

320 V

Painéis fotovoltáicos

*Não desejável.

Figura 11: Exemplo de implementacao de uma rede de distribuicao em corrente contınua bipolar com ±320V.

redes convencionais de 220 V a 240 V e, segundo [10], muitos dos equipamentos eletro-eletronicosatuais sao capazes de operar diretamente com este nıvel de tensao. Um exemplo de implementacaoda rede proposta esta apresentado na Figura 11.

Observa-se que, ao escolher-se estes nıveis para a linha bipolar, atinge-se os seguintes objetivos:

• uma rede com alta confiabilidade;

• baixas perdas nos alimentadores;

• alta capacidade de transferencia de potencia;

• possibilidade de utilizacao de aterramento com baixa impedancia;

• transicao para CC com mınimos esforcos para equipamentos tradicionalmente alimentadosem CA.

5.2 Analise de Perdas para Cargas Desbalanceadas

A hipotese de mınimas perdas de transmissao e sua consequente maior capacidade de transmissaode energia apresentada na configuracao de rede apresentada na Secao 5.1 ocorre para tensoes de

23

barramento e cargas balanceadas. Esta secao apresenta uma analise de perdas para o caso em queas cargas estao desbalanceadas.

r+ i+

V+

V_

P+

P_

r0

r_i_

i 0

Figura 12: Circuito simplificado para analise de perdas sob cargas desbalanceadas.

Para analisar uma situacao de desbalanco entre as cargas dos dois barramentos utiliza-se oesquematico simplificado mostrado na Figura 12. Considera-se portanto duas cargas com carac-terıstica de potencia constante P+ e P− alimentadas por duas fontes de tensao V+ e V− atraves deum alimentador a tres fios com resistencias r+, r− e r0. O balanco de potencia do circuito leva a

V+ · I+ + V− · I− = P+ + P− + r+ · I2+ + r− · I2

− + r0 · I20 . (1)

A corrente I0 e definida por

I0 = I+ − I−, (2)

e as tensoes podem ser encontradas pela analise das duas malhas atraves de

V+ = r+ · I+ − r0 · I0 +P+

I+(3)

V− = r− · I− + r0 · I0 +P−I−

. (4)

Define-se ainda a potencia total de entrada como

Pin = V+ · I+ + V− · I−. (5)

Depois de algum algebrismo chega-se a expressao geral para a potencia total transferida pelasfontes

Pin = (r+ + r0) · I2+ + (r− + r0) · I2

− − 2 · r0 · I+ · I− + P+ + P−︸ ︷︷ ︸Po

, (6)

Pin = r+ · I2+ + r− · I2

− + r0 · (I+ − I−)2︸ ︷︷ ︸∆2

I

+Po. (7)

Ve-se na expressao da potencia que havera perdas na conexao central somente no caso de havercorrentes I+ e I− diferentes, aonde ∆I 6= 0. Considerando-se fontes equilibradas e alimentadoressimetricos, esta situacao se verificara somente em caso de cargas desbalanceadas em cada um dosbarramentos CC. Portanto, para uma dada potencia de carga total Po o ponto de menores perdasdar-se-a se esta potencia for dividida igualitariamente entre os dois barramentos.

24

5.3 Dispositivo para Reducao de Perdas nos Alimentadores

Na secao anterior observou-se que correntes equilibradas levam a uma reducao das perdas nos ali-mentadores do sistema bipolar CC. Com o objetivo de garantir esta condicao, pode-se utilizar umconversor estatico que processara apenas a diferenca ∆I das correntes, de tal forma que as corren-tes nos alimentadores sejam equilibradas e nao haja circulacao no condutor central 0. Diferentestopologias de conversores estaticos podem ser utilizadas, contudo, os detalhes da implementacaofogem ao escopo deste trabalho. Pretende-se aqui apenas propor esta funcao dentro de um sistemade distribuicao em CC, detalhando os princıpios de funcionamento que deverao nortear o desen-volvimento de um conversor. Chama-se a este equipamento de redistribuidor de correntes, umavez que esta e sua funcao principal no circuito. Sua operacao e fundamentalmente diferente daoperacao de um redistribuidor em corrente alternada [52], uma vez que sao conversores estaticosdiferentes aliados a estrategias de controle diferentes.

Um exemplo de implementacao do redistribuidor de correntes e proposto na Figura 13, aondeas grandezas que se quer interagir sao as correntes ic+, ic− e ic0. Portanto, parte-se do princıpioque o conversor estatico seja capaz de impor duas destas correntes quando conectado a rede dedistribuicao.

r+ i+

V+

V_

P+

P_

r0

r_ i_

i 0

io+

io–

ic– ic0ic+

–

i o0

C1

L+L

C2

S1+

S2+

S1–

S2–Redistribuidor

de correntes

CargasFontes

+

0

_

Figura 13: Conceito para a implementacao de um redistribuidor de correntes.

Para analisar o funcionamento deste dispositivo, considerar-se-a tensoes de entrada equilibradas,ou seja, V+ = V−. Das leis dos nos no circuito da Figura 13, chega-se a

i+ = ic+ + io+ (8)

i− = ic− + io− (9)

i0 = i+ − i−. (10)

Para mınimas perdas nos alimentadores, define-se o valor de referencia de corrente para adiferenca das correntes nas fontes de tensao como i∗0 = 0. E esta referencia torna-se a condicaopara a operacao do redistribuidor. Com isto,

25

i∗0 = 0 = ic+ − ic− + i+ − i−, (11)

e a condicao de operacao para o redistribuidor e

ic0 = io0. (12)

Portanto, verifica-se que apenas a imposicao da corrente ic0 e condicao suficiente para garantiri0 = 0. Todavia, o redistribuidor possui tres conexoes a rede e ao impor-se apenas a corrente em umadas conexoes faz com que possa haver uma indefinicao das correntes nos outros terminais. Deve-se,portanto, encontrar uma condicao que garanta nao so o equilıbrio das correntes nos alimentadores,como tambem os menores nıveis de corrente a serem processados no redistribuidor. Para tanto,parte-se da suposicao que tanto as tensoes quanto as correntes nos alimentadores sao equilibradas

i0 = 0 ⇒ i+ = i− = ieq (13)

V+ = V− = Veq (14)

Com isto, tem-se que

ieq = i+ + ic+ = i− + ic−, (15)

e, pela conservacao de potencia,

2 · ieq · Veq = i+ · Veq + i− · Veq ⇒ ieq =i+ + i−

2. (16)

Substituindo-se a eq. (16) na eq. (15), chega-se a duas condicoes para a correta operacao doredistribuidor

i∗c+ =i− − i+

2=−∆I

2(17)

i∗c− =i+ − i−

2=

∆I

2. (18)

Estas condicoes indicam que a operacao do redistribuidor deve ser feita pela medicao de ∆I

que gerara as duas referencias i∗c+ e i∗c− para as duas correntes ic+ e ic− do redistribuidor, ambasas quais deverao ser controladas em malha fechada.

Com base nestas definicoes, realizou-se uma simulacao numerica do circuito da Figura 13,substituindo-se as cargas com potencia constante P+ e P− por resistores. Uma linha bipolar de±320V alimenta as duas cargas. No barramento positivo, inicia-se a simulacao com aproximadamente 20kW e em 10 ms aplica-se um degrau de carga para 100 kW. No barramento negativo mantem-se umacarga de 100 kW durante toda a simulacao. Monitora-se a corrente no alimentador central (0), aqual utiliza-se como realimentacao para a redistribuicao de corrente. Utiliza-se dois controladoresextremamente simples para controlar as correntes ic+ e ic− do redistribuidor. A frequencia decomutacao utilizada e de 8 kHz. Os resultados desta simulacao estao apresentados na Figura 14,aonde se verifica que o redistribuidor e capaz de realizar sua funcao, mantendo a corrente noalimentador central (0) da linha bipolar com valor nulo, exceto durante um tempo menor que 10

26

ms que corresponde ao tempo que segue ao degrau de carga aplicado. O tempo deste transitoriovaria com a frequencia de comutacao utilizada, com os componentes passivos conectados a linha ecom a dinamica de outros conversores estaticos conectados a rede. Pode-se utilizar uma dinamicarazoavelmente lenta e bem amortecida para o projeto do sistema de controle do redistribuidor, jaque a dinamica de desligamento e conexao de cargas no sistema e tambem lenta.

Corr

ente

[A

]

0

-50

-100

-150-200

50100 Corrente no terminal

negativo do redistribuidor

Corrente no terminal

positivo do redistribuidor

Corr

ente

[A

]

0-100

100

200

300

400500

Degrau de carga no barramento positivo

Correntes nos alimentadores

positivo e negativo

Corrente no alimentador central (0)

Tempo [ms]20 30

Corr

ente

[A

]

0

100

200

300

400

Correntes nas cargas

0 10

Figura 14: Conceito para a implementacao de um redistribuidor de correntes.

Uma analise de estabilidade do sistema completo e muito importante para o correto funciona-mento do redistribuidor, porem foge ao escopo deste trabalho. Para realizar este estudo, pode-seseguir as metodologias de analise apresentadas em [9, 53, 54].

5.4 Adicionando Funcoes ao Redistribuidor de Correntes

A configuracao do conversor estatico da Figura 13 e capaz de emular impedancias diferentes atravesde estrategias de controle apropriadas. Esta capacidade fornece ao redistribuidor a possibilidadede ter mais funcoes adicionadas ao seu circuito. Pode-se pensar, por exemplo, que a funcao deredistribuicao de correntes atua em valores medios com grandes constantes de tempo, ou seja,assume-se que as potencias das cargas variam de forma lenta (< 1 Hz). Com isto, variacoesimpostas nas correntes do redistribuidor em alta frequencia nao afetariam esta funcao. Portanto,a operacao do equipamento em frequencias mais elevadas poderia ser utilizada para, alem de suafuncao de redistribuicao de correntes, impor amortecimento passivo ao sistema de distribuicao.Basicamente projetar-se-ia o dispositivo para emular um comportamento resistivo para alguma

27

faixa de frequencia definida. Isto pode ser feito com a utilizacao de filtros passa-alta para medir astensoes do barramento e, atraves de valores de ganho apropriados, atuar diretamente na modulacaodos semicondutores de potencia. Esta funcao seria muito bem utilizada em microredes, uma vezque a utilizacao de conversores estaticos requer a utilizacao de filtros passivos, os quais, junto aosseus circuitos de controle podem inserir ressonancias ao circuito e, com isto, a possibilidade deoscilacoes e ate mesmo instabilidades como o equipamento proposto no conversor apresentado em[55].

6 Conclusoes

Redes de distribuicao em CC sao conhecidas ha muito tempo, em equipamentos eletronicos, equipa-mentos auxiliares em tracao eletrica, telecomunicacoes e redes industriais. No entanto, a correntecontınua esta atualmente ganhando importancia na area de redes de distribuicao comerciais. Istose deve a experiencia em transmissao HVDC, a disponibilidade de conversores estaticos mais efici-entes e a maior insercao de acionamentos de maquinas com controle eletronico. Alem disto, variastecnologias para fontes distribuıdas e armazenamento de energia utilizam CC. Outro fator impor-tante e que o numero de aparelhos eletro-eletronicos alimentados em CC esta aumentando em altastaxas. A utilizacao de redes em CC traz benefıcios como: melhoria da confiabilidade, estabilidade,desempenho ou qualidade de fornecimento de energia, possibilidade de modularizacao, seguranca einexistencia de potencia reativa.

A utilizacao de corrente contınua pode ser vantajosa tambem em microredes, dependendo dainsercao de cargas alimentadas em CC e de fontes distribuıdas que necessitem conversao eletronica.Contudo, em acontecendo a mudanca para CC, e importante migrar com impactos mınimos. Umadas principais preocupacao em uma microrede e o condicionamento de tensao, o qual, em uma redeCC pode utilizar diretamente o retificador principal. Neste contexto, muitos pontos continuam semsolucoes definitivas, entre eles: os metodos de deteccao de falhas, a analise de curto-circuitos emCC, os diferentes tipos de protecao por haver conversores estaticos, diferentes frequencias e fluxobi-direcional de potencia na rede. Com todas estas mudancas, ainda ha trabalho por realizar nasnormas de instalacoes eletricas em CC. Tambem sera necessario tracar comparacoes de rendimentoentre transformadores de distribuicao CA e conversores CC-CC com a funcao de regulacao de tensaono sistema.

Este trabalho comparou, com base na literatura recente, microredes alimentadas em correntecontınua e microredes em corrente alternada, levantando varios desafios para as tecnologias ne-cessarias a ambas. Verificou-se que a configuracao de uma rede de distribuicao tem um forteimpacto na eficiencia energetica do sistema. Propos-se entao uma arquitetura de microrede dedistribuicao em corrente contınua bem adaptada a redes de baixa tensao. Esta configuracao utilizauma linha de distribuicao bipolar com tensoes de ±320 V. A rede proposta beneficia-se ainda de umnovo equipamento, aqui nomeado redistribuidor de correntes, o qual tem como principal objetivoa reducao nas perdas de transmissao de uma linha de alimentacao bipolar em corrente contınuaatraves da equalizacao das correntes nos alimentadores, garantindo que a corrente no condutor cen-tral seja minimizada. Mostrou-se tambem resultados de simulacao numerica ilustrando a operacaodo redistribuidor durante um transitorio de cargas em uma rede CC bipolar ±320 V.

28

Por fim, uma conclusao importante deste estudo e que a forma como se implementam, prote-gem e controlam as instalacoes eletricas comerciais, residenciais e remotas parece estar sofrendomudancas importantes. Este fato exigira um conhecimento multidisciplinar para os novos profissi-onais que efetivamente enfrentarao estes desafios.

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