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A energia elétrica é fundamental para o desenvolvimento econômico e social de um país, implicando a necessidade de estudo e de acompanhamento dos parâmetros operacionais. A sociedade atual demanda, de forma crescente, a continuidade do fornecimento de energia elétrica e a garantia de que a energia fornecida atenda a requisitos mínimos de qualidade. Com isto, existe uma área de estudo com o intuito de proteger o Sistema Elétrico de Potência (SEP) contra operações não normais do sistema.

A proteção de qualquer sistema elétrico é projetada com o objetivo de diminuir ou evitar risco de vida e danos materiais, quando ocorrer situações anormais durante a operação do mesmo. Geralmente, tais os sistemas elétricos são protegidos contra sobretensões (internas e descargas atmosféricas) e sobrecorrentes (curtos-circuitos).

Normalmente, a proteção contra curtos circuitos é feita utilizando equipamentos eletromecânicos, digitais ou eletrônicos, basicamente utiliza fusíveis e relés que acionam disjuntores. O equipamento fundamental para proteção contra sobretensões é o para-raios.

Funções básicas de um sistema de proteção

As principais funções de um sistema de proteção são:

• Salvaguardar a integridade física de operadores, usuários do sistema e animais;
• Evitar ou minimizar danos materiais;
• Retirar de serviço um equipamento ou parte do sistema que se apresente defeituoso;
• Melhorar a continuidade do serviço;
• Diminuir despesas com manutenção corretiva;
• Melhorar os índices DEC (duração de interrupção equivalente por consumidor) e FEC (frequência de
• interrupção equivalente por consumidor).

Definições usadas na proteção de sistemas

Confiabilidade: Definida como a probabilidade de funcionamento correto da proteção quando houver a necessidade de sua atuação.

Seletividade: o sistema de proteção que possui esta propriedade é capaz de reconhecer e selecionar as

condições que deve operar, a fim de evitar operações desnecessárias.

Sensibilidade: É a habilidade que um sistema tem de identificar uma situação de funcionamento anormal em que exceda o nível normal ou detectar o limiar em que a proteção deve atuar.

Velocidade: um sistema de proteção deve possibilitar o desligamento do trecho ou equipamento

defeituoso no menor tempo possível.

Níveis de atuação de um sistema de proteção

De modo geral, a atuação de um sistema de proteção se dá em três níveis:

Proteção principal: Em caso de falta dentro da zona protegida, é quem deverá atuar primeiro.

Proteção de retaguarda: aquela que só deverá atuar quando ocorrer falha da proteção principal.

Proteção auxiliar: é constituída por funções auxiliares das proteções principal e de retaguarda, cujos os objetivos são sinalização, alarme, temporização, intertravamento, etc.

Na figura abaixo é demostrado alguns níveis de proteção. As zonas de proteção (retângulos tracejados) podem funcionar como proteção principal ou de retaguarda, a depender da localização da falta.

Tipos de proteção elétrica

Entre os diversos tipos de proteção, temos alguns comumente usados:

Proteção diferencial (87): A proteção diferencial baseia-se na comparação entre duas correntes elétricas, operando quando a diferença entre essas duas corrente ultrapassa um valor predeterminado.

Proteção de sobrecorrente (50, 51): A proteção diferencial baseia-se na comparação entre duas correntes elétricas, operando quando a diferença entre essas duas corrente ultrapassa um valor predeterminado.

Proteção de distância (21): A proteção de distância é feita por relés de distância. O relé de distância é alimentado por duas grandezas de entrada, tensão (V) e corrente (I), amostradas por TPs e TCs conectados ao sistema elétrico. Sua operação é baseada na impedância aparente da rede que é medida pelo relé.

Referências

Volume-2-protecao-de-sistemas-aereos-de-distribuicao. Ed Campos / Eletrobrás.

The Art & Science Of Protective Relaying. C. Russell Mason.

Apostila de Proteção de Sistemas Elétricos. Prof. Marcos A. Dias de Almeida – Natal, fevereiro de 2000.

O que é energia eólica?

A energia eólica é um tipo de energia renovável e sustentável que vem se desenvolvendo e ganhando espaço nos últimos anos, principalmente depois da crise do petróleo entre 1970 e 1980.

De forma bem resumida e didática, a energia eólica é processo pelo qual o vento é convertido em energia cinética e, a partir dela em energia elétrica com a utilização de equipamentos específicos, como turbinas e aerogeradores.

É importante salientar que o processo de produção de energia eólica é muito semelhante aos processos de geração de energia a partir de outros fontes, pois o mecanismo e o processo físico são os mesmos, que é através de geradores que convertem energia mecânica em elétrica. Portanto, a produção de energia eólica está relacionada com fenômenos físicos, como o eletromagnetismo, diferenciando das demais energias apenas na utilização do vento para movimentar o rotor dos geradores.

Origem e história da energia eólica

A energia eólica, junto com a solar, é uma das fontes energéticas mais antiga utilizada pelo homem. Sua utilização, segundo registros históricos, começou com os egípcios que utilizavam embarcações a vela para navegar o Rio Nilo durante o primeiro império.

Depois das velas usadas nas embarcações, surgiram os primeiros moinhos de ventos localizados principalmente na Ásia e no Oriente Médio e tinha como funcionalidade o bombeamento de água e a moagem de grãos.

Origem e desenvolvimento da energia eólica no Brasil

A produção de energia eólica no Brasil é muito recente e teve início em 1922, quando foi instalado o primeiro aerogerador em Fernando de Noronha.

No entanto, foi a partir de 2005 que a capacidade instalada de projetos eólicos segue em crescimento. A Matriz atual conta com mais de 800 parques eólicos e mais de 9000 aerogeradores instalados em todo o país, fazendo com que essa fonte de energia fique em segundo lugar no que tange a produção de energia, e colocando o Brasil como o principal desenvolvedor de energia nesse setor na América Latina. É importante salientar que a grande maioria desses complexos estão localizados na região Nordeste, principalmente na Bahia, Rio Grande do Norte e Piauí.

Principais vantagens da utilização da energia eólica:

• Não emite gases que agravam as condições climáticas;
• É uma fonte de energia inesgotável, ou seja, é renovável;
• Aumenta a autonomia energética do país;
• Reduz a dependência de combustíveis fósseis;
• É uma fonte barata de energia se for considerado o investimento a longo prazo;

 Principais desvantagens da utilização da energia eólica

• Poluição sonora, as turbinas geram ruídos quando estão operando;
• Impacto sobre a migração das aves;
• Intermitência do vento e integração para a geração constante de energia;
• A instalação modifica a paisagem.

Como funciona uma turbina eólica?

Uma turbina eólica ou gerador eólico conta com uma enorme tecnologia para transformar os ventos em eletricidade, o processo de conversão é indireto, pois primeiro a turbina converte a energia dos ventos em energia mecânica e depois em elétrica.

As principais partes de uma turbina eólica são:

Pás

É a parte da turbina responsável por captar a energia cinética/movimento dos ventos e transferi-la para o rotor da turbina. Essas pás utilizam os mesmos perfis aerodinâmicos das asas de aviões e criam a força de sustentação necessária para realizar o movimento.

Rotor

É a parte localizada frontalmente na turbina e tem como finalidade fazer a conexão entre as pás e o aerogerador e, dependendo do tipo de turbina, pode pesar mais de 30 toneladas

Torre

É a estrutura que sustenta o rotor e as pás do aerogerador em uma altura ideal para a captação dos ventos. É importante mencionar, que o material utilizado na fabricação dessas torres, normalmente são o aço ou o concreto.

Anemômetro

O anemômetro é um dispositivo no topo do aerogerador que tem a finalidade de medir a intensidade e velocidade dos ventos.

Miniturbina e produção de energia eólica residencial

A imagem mais comum associada a em energia eólica são turbinas enormes em uma planície, mas já existem muitas opções de turbinas projetadas e dimensionadas para outros cenários, como centros urbanos e pequenas propriedades rurais.

Assim como a energia solar, a energia eólica já pode ser produzida por conta própria para as demandas internas e residenciais. Para a energia eólica existem os sistemas semelhantes ao off-grid ou autônomo (que tem como principal característica o funcionamento sem a conexão a rede elétrica) e o on-grid (sistema permanece conectado à rede elétrica) existente para a energia solar.

Funcionamento das mini turbinas eólicas

As mini turbinas usam a superfícies de um telhado qualquer em aclive para captar e concentrar o vento em maioria, para utilizar na geração de energia, aproveitando seu efeito de foco. Após isso, o vento capturado é forçado a percorrer sobre a superfície do telhado e formar um “gargalho” na crista do telhado, acelerando o ar constante por meio da mini turbina eólica.

É de grande valia salientar que as mini turbinas são planejadas e projetadas para serem instaladas no extremo de telhados independente de serem comerciais ou residenciais, a fim de gerar energia renovável. As mini turbinas eólicas garantem que a geração de energia elétrica limpa seja consistente até mesmo em condições de vento forte, imprevisíveis e inconsistente.

No entanto, a produção de energia eólica residencial através de miniturbinas ainda é muito pequena se comparado com a energia solar, principalmente pelo custo de instalação e pelo fato das miniturbinas gerar ruídos sonoros, o que dificulta sua instalação nos grandes centros. Ademais, o mercado ainda é incipiente em todo país para essa modalidade no que tange a produção de energia elétrica, isto é, a utilização de mini geradores para a geração distribuída de energia não é tão conhecido. É de grande valia mencionar que a produção de energia eólica em casa tem um funcionamento igual ao de grandes parques eólicos, contudo, com um tamanho reduzido.

Curiosidades sobre o tema:

• Os aerogeradores possuem mecanismos de segurança que controlam a velocidade do rotor e das pás mesmo em momentos de rajadas de ventos fortes;
• As turbinas eólicas possuem um sistema de freio que permite parar a sua rotação e, consequentemente, a geração de energia, quando for necessário;
• O Nordeste do Brasil é a região que possui o maior potencial de energia eólica no país;
• Foi na década de 70, devido a crise do petróleo, que a energia eólica adquiriu maior relevância.

Referências

CASTRO, Rui MG; RENOVÁVEIS, Energias; DESCENTRALIZADA, Produção. Introdução à energia eólica. Lisboa: Portugal: Universidade Técnica de Lisboa, 2004.

LAGE, Elisa Salomão; PROCESSI, Lucas Duarte. Panorama do setor de energia eólica. 2013.

PARIZOTTO, Roberson Roberto et al. Análise e viabilidade técnica de implantação de aerogeradores eólicos de pequeno porte em residências. Acta Iguazu, v. 1, n. 4, p. 55-64, 2012.

CUNHA, Eduardo Argou Aires et al. Aspectos históricos da energia eólica no Brasil e no mundo. Revista Brasileira de Energias Renováveis, v. 8, n. 4, 2019.

A Busca por Sustentabilidade

A busca por um setor energético mais sustentável já não é mais uma novidade. Em meio à crescente preocupação com a crise climática, cujas consequências já estão sendo sentidas nos dias de hoje, a tendência mundial de diversificação da matriz energética em favor das fontes renováveis está cada vez mais evidente. As energias solar e eólica, por exemplo, fazem parte cada vez maior da matriz energética de diversos países ao redor do mundo. E, dentre os diversos benefícios que a implementação dessas fontes de energia trazem para o meio ambiente, está a redução da emissão de gases de efeito estufa, como é o caso do CO₂. E é justamente aí que o hidrogênio verde aparece, como mais uma alternativa promissora para contribuir na redução da emissão desses gases na atmosfera.

As Cores do Hidrogênio

Ao contrário do que o seu nome pode fazer parecer, o que difere o hidrogênio verde dos outros tipos não é a cor do gás em si (que é incolor!), mas sim a forma com a qual ele é produzido.

Elemento mais abundante no universo e terceiro mais abundante na superfície do nosso planeta, o hidrogênio hoje é amplamente utilizado em diversas aplicações, nos mais diferentes setores industriais. Apesar de toda essa abundância, no entanto, o hidrogênio não ocorre na natureza de maneira isolada, sendo encontrado majoritariamente na forma molecular, como na água. Por isso, antes que possa ser de fato utilizado, ele precisa ser separado, e é o processo através do qual essa separação ocorre que determina a “cor” do hidrogênio resultante.

Existem diversas maneiras de se produzir o gás hidrogênio, com diferentes graus de impacto para o meio ambiente. Os tipos mais comuns presentes atualmente no mercado são:

• Hidrogênio Cinza: produzido através da técnica de reformação do vapor, tendo como principal matéria prima o gás natural. É o processo mais prejudicial para o meio ambiente e também o mais utilizado, sendo responsável por cerca de 90\% do hidrogênio produzido atualmente;
• Hidrogênio Azul: obtido pelos mesmos processos do hidrogênio cinza, com a diferença aqui estando na aplicação de técnicas para capturar e armazenar o CO₂ gerado no processo, reduzindo a liberação de gases estufa para a atmosfera;
• Hidrogênio Rosa: esse tipo de hidrogênio é produzido através da eletrólise da água, processo químico que separa os átomos de oxigênio e de hidrogênio das moléculas de água, sem que haja emissão de gases estufa. Nesse caso, o processo da eletrólise é realizado através da energia nuclear;
• Hidrogênio Verde: o hidrogênio mais próximo da verdadeira sustentabilidade, o seu processo de produção é o mesmo daquele para o hidrogênio rosa, a eletrólise da água. A diferença chave entre eles é que no caso do hidrogênio verde, a fonte de energia utilizada para viabilizar o processo é uma das consideradas renováveis, como a energia solar, eólica ou de biomassa, por exemplo.

Mas por que o Hidrogênio Verde é tão Importante?

Como mencionado anteriormente, o hidrogênio hoje é amplamente utilizado em diversos setores industriais, sendo as refinarias de petróleo e a indústria química os maiores consumidores do produto.

De acordo com o relatório Global Hydrogen Review 2021, publicado pela Agência Internacional de Energia (IEA – International Energy Agency), a demanda global de hidrogênio no ano de 2020 foi por volta de 90 megatoneladas, com a maior parte dessa demanda, aproximadamente 79%, sendo suprida pelo hidrogênio cinza: o tipo mais prejudicial para o meio ambiente, com as maiores taxas de emissão de gases estufa. Devido a essa alta participação de combustíveis fósseis no processo, a produção de hidrogênio em 2020 foi responsável pela emissão direta de quase 900 megatoneladas de CO₂ na atmosfera (correspondente a 2,5% das emissões nos setores energético e industrial), quantidade equivalente às emissões da Indonésia e do Reino Unido, combinadas.

Levando em conta o aumento da demanda de hidrogênio esperada para o futuro, a redução da contribuição do hidrogênio cinza na composição da produção anual mundial é essencial para a diminuir a emissão de gases estufa na atmosfera. De acordo com dados publicados pela IEA no relatório The Future of Hydrogen, estima-se que a demanda global de hidrogênio cresça para algo em torno de 500 a 680 megatoneladas em 2050. Nesse cenário, o hidrogênio verde é uma aposta promissora para um futuro descarbonizado.

Futuro do Hidrogênio

A Agência Internacional de Energia realizou um estudo com estimativas e possíveis medidas a serem tomadas para atingir um cenário de emissão líquida zero de carbono, o NZE (Net zero Emissions Scenario), no ano de 2050. O relatório, Net Zero by 2050 – A Roadmap for the Global Energy Sector, estima que em 2050 aproximadamente 60% do hidrogênio produzido globalmente seja verde, e cerca de 36% seja de hidrogênio azul.

Assim como acontece atualmente, uma grande parcela dessas modalidades mais sustentáveis de hidrogênio serão usadas para suprir as demandas de setores industrias, como a siderúrgica e química (principalmente na produção de amônio), substituindo o hidrogênio cinza amplamente usado hoje em dia.

Além disso, ancorando-se no crescente investimento em novas tecnologias, espera-se que o hidrogênio verde passe a contribuir muito mais para uma ampla gama de setores que possuem uma demanda relativamente baixa atualmente. Entre eles, pode-se destacar o segmento de transporte, que pode substituir combustíveis fósseis por combustíveis a base de hidrogênio para abastecer caminhões, navios e até mesmo aviões.

Em conjunto com células de combustível, o hidrogênio também pode ser usado como fonte de energia, seja para aplicação em automóveis leves ou até mesmo para uso doméstico. E ainda sobre aplicações domésticas, o hidrogênio verde pode também ser um substituto às redes de gás natural, provendo aquecimento e energia elétrica para residências sem a emissão de poluentes.

Referências

https://blogs.worldbank.org/ppps/green-hydrogen-key-investment-energy-transition

https://www.activesustainability.com/sustainable-development/what-is-green-hydrogen-used-for/

IEA (2021). Global Hydrogen Review 2021. International Energy Agency

IEA (2019).The Future of Hydrogen – Seizing Today´s Oportunities. International Energy Agency

IEA (2020). Net Zero by 2050 – A Road Map for the Global Energy Sector. International Energy Agency

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Este é um estudo de caso baseado no estudo realizado no capítulo 2 do livro Digital Control in Power Electronics escrito por Simone Buso (University of Padovia, Itália) e Paolo Mattavelli (Univerisity of Udina, Itália).

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Há algum tempo, o esgotamento das energias convencionais, que provém de combustíveis fósseis, e também a constante e crescente demanda de energia vem voltando atenção para que a sociedade se torne cada vez mais sustentável e busque cada vez mais a utilização de energias consideradas renováveis.

A geração de energia centralizada, que é o modelo tradicional e que, muitas vezes emprega combustíveis fosseis é um modelo de geração insustentável em logo prazo e, por isso, as fontes de energias renováveis, que são reabastecidas de maneira continua pela natureza, vem ganhando bastante destaque e muita notoriedade na área da pesquisa e também no mercado.

Por essas e outras razões, o modelo de geração distribuída, que se opõe ao modelo tradicional, uma vez que ele é caracterizado pelo uso de geradores descentralizados, ou seja, eles vão ser instalados mais próximo do dos locais de consumo e, no modelo tradicional, os geradores são construídos mais distantes dos consumidores, tem ganhado cada vez mais destaque no Brasil e no mundo.

Fontes renováveis, como a fotovoltaica e a eólica, utilizam recursos da natureza para gerar energia em corrente contínua e, para que essa energia seja utilizada pelo consumidor ou até injetada na rede, de uma forma adequada, é necessário que haja o seu condicionamento. O condicionamento nada mais é que a conversão do sinal de tensão CC obtido da fonte renovável, para uma forma de onda de tensão com características de fase, de amplitude, de distorção harmônica e de frequência que vão satisfazer a operação da rede elétrica.

Por esse e outros motivos, o tópico deste texto está relacionado com a eletrônica de potência, que irá desempenhar um papel fundamental no condicionamento da forma de onda. Através dela, controlando os conversores eletrônicos de potência, é possível alcançar algumas funcionalidades do sistema de geração distribuída.

Um inversor é um circuito que irá converter CC em CA, transferindo potência de uma fonte CC para uma carga CA. Neste estudo de caso, avaliaremos um inversor na topologia de ponte H completa para o qual determinaremos o diagrama de blocos do controle do inversor e definiremos os ganhos Kp e Ki para o controlador.

Como definir o ganho do PWM?

É possível fazer uma interpretação geométrica da relação entre a modulação (m), a portadora triangular e o duty cycle, tornando possível determinar o ganho do PWM. Neste processo, algumas considerações precisam ser feitas. Entre elas, o período da modulante (m) tem de ser muito maior que o período da portadora, uma vez que há a necessidade de considerar uma variação infinitesimal em um determinado espaço de tempo, possibilitando a aproximação da curva m(t) para uma reta.

Na figura 1, é possível observar a forma de onda da portadora triangular e da modulação (m) com um período T_s de tempo.

Em busca da obtenção de uma relação geométrica entre as duas formas de onda, considera-se Cpk como sendo a amplitude da portadora e que ϴ e α são ângulos complementares. Sendo assim;

Consequentemente, é possível determinar a relação do duty cycle com a modulante e, em seguida, perceber que o ganho do PWM será de 1/C_pk.

Como definir o delay associado ao PWM?

Pela natureza do PWM ser digital, existe um delay que deve ser considerado. Ao considerar um atraso de T_s/2, obtém-se a seguinte função de transferência para o delay:

Utilizando a aproximação de Padé, é possível obter:

Como chegar na função de transferência do controlador PI?

O controlador Proporcional Integral irá gerar um resultado, u(t) da combinação das saídas proporcional e integral. Dessa forma, tem-se:

Deve-se então definir a função de transferência do controlador PI. Para isso, é aplicada a transformada de Laplace, obtendo:

Sendo, E(s) e u(s), respectivamente, a entrada e a saída do sistema, pode-se determinar a função de transferência como (Ogata, 2003):

Como encontrar o ganho do inversor com ponte H completa?

Para obter o ganho nesta etapa, utilizaremos um inversor em ponte H completa, que está sendo representada, com suas respectivas variáveis, na figura 4. É válido lembrar que esta figura é apenas um modo de representação simplificado e esboçado no software PSIM e que, nela não estão representadas os labels, que são as saídas do PWM, cujo código deverá ser implementado através do bloco C, e que irão controlar a comutação dos IGBTs. A implementação do PWM no bloco C do PSIM será tópico futuro de outro texto neste blog.

Por conta da amplitude da modulação PWM, define-se que: 

Analisando o circuito, pode-se obter:

Sendo assim, é considerar três estados possíveis para a tensão Vab:

Como a modulação, neste caso, é unipolar, definimos :

Portanto, o ganho do inversor é dado por 2V_DC.

Como definir a função de transferência da carga associada ao sistema?

Ainda utilizando o modelo da Figura 4, para definir a função de transferência da carga do sistema, considera-se que Vg é constante, uma vez que se deve observar apenas a dinâmica entre Vab e a corrente ig. Então:

Sendo assim:

Pode-se então, definir a função de transferência da carga como sendo

Abaixo é possível observar o diagrama de blocos da malha de controle completa para o sistema em questão. Existe ainda, a necessidade de determinar os parâmetros Kp e Ki para o controlador do sistema, cuja dedução será detalhada em um texto futuro, mas que, para o sistema em questão, podem ser encontrados através do código do exemplo. A funções de Kp e Ki implementadas neste código do matlab são oriundas do próprio livro texto Digital Control in Power Electronics.

Exemplo

Como exemplo, Buso & Mattavelli sugerem em seu livro, um sistema com parâmetros (tensão do link DC, frequência de chaveamento, resistência e indutância da carga, entre outros) definidos. A partir deles, é possível encontrar os parâmetros Kp e Ki do controlador e definir a constante de tempo do controlador PI, executando o código abaixo no matlab.

clear all
close all
clc
 
%DADOS
Rs = 1; %phase resistence
Ls = 1.5e-3; %Phase inductance 

%fs = 125; % load frequency
Es = 100; %phase load voltage
w0 = 2*pi*125;
Vdc = 250; % DC link voltage 
fsw = 50e3;  %switching frequency / frequencia do PWM
wsw = 2*pi*fsw; %freq pwm em rad
Ts = 1/fsw; %periodo do chaveamento
Gti = 0.1; %current transducer gain
cpk = 4; % pwm carrier peak

%parametros de projeto
wCL = wsw/6;  % freq de cruzamento
phm = 60*pi/180;  % margem de fase


Kp = cpk*Rs*sqrt(1 + (wCL*Ls/Rs)^2)/(2*Vdc*Gti)

dKi = tan(-pi/2 + phm + 2*atan(wCL*Ts/4) + atan(wCL*Ls/Rs));
Ki = wCL*Kp/dKi


Ti = Kp/Ki  %constante de tempo do PI

Referências

BUSO, Simone; MATTAVELLI, Paolo. Digital control in power electronics. Synthesis Lectures on Power Electronics, v. 5, n. 1, p. 1-229, 2015.

OGATA, Katsuhiko. Engenharia de controle moderno, Ed. Sao Paulo: 4o, 2003.

HART, Daniel W. Eletrônica de potência: análise e projetos de circuitos. McGraw Hill Brasil, 2016.

Consumo de Energia

O uso da energia elétrica foi uma revolução na forma de se transmitir energia. Com ela, tornou-se possível que a fonte de energia esteja em um local e o consumidor esteja em outro com uma facilidade de transporte muito maior. Entretanto, o armazenamento de energia na forma de energia elétrica é custoso, por isso, na grande maioria dos casos a energia é produzida à medida que existe uma demanda para esta. Caso a demanda fosse fixa, este seria um problema bastante simples, todavia este não é o caso.

O consumo de energia elétrica varia consideravelmente ao longo do dia e, além disso, tende a crescer com o passar do tempo. Isto faz com que o planejamento seja uma tarefa complicada que demanda esforço constante de pesquisa, controle e expansão. Nesse contexto, os órgãos nacionais de energia dividem o planejamento do Sistema Elétrico Brasileiro (SEB) em dois: o planejamento da operação e o planejamento da expansão.

Planejamento da Expansão

O planejamento da expansão diz respeito às previsões de longo prazo num período de até 30 anos. De acordo com as pesquisas feitas pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) é feita uma projeção do aumento da carga. Junto a isso é feito o estudo da disponibilidade de recursos e da possibilidade de aumento da geração em cada tipo de fonte de energia e levam-se em conta os contratos já estabelecidos de construção de unidades geradoras de modo a produzir o Plano Decenal de Expansão de Energia (PDE).

Além do aumento na geração é preciso planejar a expansão do sistema de transmissão de energia, pois uma quantidade maior de energia sendo transmitida por vezes exige uma mudança nos equipamentos além de que áreas que antes não necessitavam de conexão com o sistema elétrico passam a consumir ao longo do tempo, tudo isso é tratado no Programa de Expansão da Transmissão / Plano de Expansão de Longo Prazo (PET/PELP).

Com isso, fica garantido que as demandas futuras poderão ser atendidas pelo SEB dada a existência de recursos para tal. Mas ainda faz-se necessário considerar o planejamento de curto e médio prazo, para isso existe o planejamento da operação.

Planejamento da Operação

O planejamento de operação determina como o sistema e as usinas irão operar, de modo a atender à variação, em curto prazo, da carga com o menor custo possível. Este planejamento é feito essencialmente considerando um sistema hidrotérmico que compreende a maior parte da geração de energia do país além de serem os tipos de geração dos quais se tem um controle maior.

O estudo leva em conta os conceitos de custo presente e custo futuro, isto porque, num cenário onde temos as instalações já feitas, as termelétricas demandam um custo maior para a geração da mesma quantidade de energia quando se compara com as hidrelétricas, o que é chamado de custo presente, entretanto não se pode usar a energia das hidrelétricas indiscriminadamente, pois os reservatórios acabarão vazios prejudicando a geração futura e ainda causando uma dificuldade no abastecimento de água para a população, o que é chamado de custo futuro.

Desta forma, caso se use a energia das hidrelétricas e em seguida houver um período de chuvas a decisão é correta, se houver um período de seca haverá déficit de energia, caso não se use a energia das hidrelétricas e em seguida houver um período de seca a decisão é correta, se houver um período de chuvas haverá vertimento (desperdício de energia). Este problema é chamado de dilema do operador e leva em conta as previsões meteorológicas futuras e os volumes presentes em cada reservatório.

O estudo considera ainda a demanda prevista e a média prevista para a geração das outras fontes, segundo o Programa Mensal de Operação (PMO) feito pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS). O ONS controla, ainda, a operação em tempo real. Por ter uma característica de controle mais imediato, o planejamento e controle de operação trabalha com horizontes temporais curtos, então requer informações mais detalhadas e precisas a respeito da disponibilidade de energia em cada fonte.

No que diz respeito às gerações renováveis, as fontes de energia variam de forma muito mais rápida e o controle é inviável, por isso ainda não entram no planejamento da operação, no entanto já existem diversos estudos na literatura que buscam maneiras de incorporar a geração renovável no planejamento através de modelos estatísticos ou de inteligência artificial para a previsão da disponibilidade de energia.

Referências

EPE (2021). Programa de Expansão da Transmissão (PET) / Plano de Expansão de Longo Prazo (PELP) Ciclo 2021 – 2º Semestre. Empresa de Pesquisa Energética, Brasília.

EPE (2022). Plano Decenal de Expansão de Energia 2031. Ministério de Minas e Energia/Empresa de Pesquisa Energética, Brasília.

ONS (2022). Sumário do Programa Mensal de Operação. Operador Nacional do Sistema Elétrico, Brasília.

As Mudanças no Setor de Distribuição

A modernização e a adaptação dos meios tecnológicos é algo inevitável no que se diz respeito a qualquer ferramenta ou ciência utilizada pela sociedade moderna. Dentro deste contexto, verifica-se que os Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEEs) passam por mudanças estruturais importantes, de modo a desempenhar plenamente o seu papel.

Deste modo, um dos principais aspectos que vêm exigindo tais adaptações nos SDEEs é o crescimento da implantação das unidades de geração distribuída (GDs) ao longo dos alimentadores. No Brasil, por exemplo, é esperado que até 2024 o número de consumidores residenciais e comerciais que possuam geração própria aumente em 833,25%, atingindo 3.208 MW de potência instalada.

Ressalta-se que além de atender a necessidade de distribuição homogênea da geração de energia elétrica, a GD permite a criação de um novo conceito de consumidor, definido por prosumidor (produtor + consumidor). Tal aspecto traz ainda mais destaque para os estudos, principalmente pelo fato de afetar diretamente aspectos financeiros, o que incentiva o uso da tecnologia entre os consumidores finais.

Além da vertente monetária, o modelo de geração distribuída traz diversos aspectos positivos, dentre eles, pode-se citar: a redução da emissão de gases poluentes através do uso de fontes renováveis; a possibilidade de diminuição das perdas técnicas no sistema de distribuição, pois as cargas estão mais próximas à geração; e, o aumento da eficiência energética. Por esses e outros motivos, faz-se necessário voltar à devida atenção ao tema, afinal, atrelados aos benefícios estão todos os desafios que requerem estudo com uma análise profunda e cuidadosa.

Microrredes

Define-se uma microrrede como um grupo de cargas e de recursos de energia distribuída interconectadas dentro de um limite elétrico claramente definido que atua como uma entidade controlável única com relação à rede. Uma microrrede pode conectar e desconectar-se da rede de modo que lhe permita operar integrada ou isolada da rede (“modo ilha”). Essa conexão com o sistema elétrico de potência da concessionária local é feita, normalmente, com o auxílio da eletrônica de potência.

Geralmente, porém não obrigatoriamente, as microfontes presentes na microrrede são do tipo renovável. Vale ressaltar que no Brasil, a principal fonte vem sendo a solar, devido à boa incidência em diversas partes do país durante o ano, facilidade de implementação em centros urbanos e interessante relação custo benefício.

Todavia, pode-se haver microfontes de cunho não renovável, como motogeradores movidos à diesel, mas que também podem trabalhar aproveitando subprodutos de outros processos (cogeração). Todo o dimensionamento do sistema pode ser projetado para cada necessidade especial, considerando aspectos como: a demanda, a confiabilidade no fornecimento de energia e a melhoria em índices da Qualidade da Energia Elétrica (QEE).

Impactos e Desafios da Geração Distribuída na Rede

Apesar dos benefícios serem proeminentes, o estudo do tema ainda é rodeado por diversos desafios e conflitos importantes. A inserção de GDs, por exemplo, pode causar consequências financeiras e técnicas na operação do sistema, devido ao aumento de conexões de fontes geradoras que podem provocar sobretensões, o que gera danos aos consumidores e prejudica a QEE.

Outro ponto crítico no estudo em questão é o fato de grande parte das microrredes possuírem fontes com comportamento intermitente, a exemplo dos painéis fotovoltaicos que dependem da irradiação solar durante o dia. Tal característica pode causar problemas operativos, destacando-se as variações de tensão em SDEEs, acarretando efeitos negativos, tais como: a violação dos limites de tensão normativos e o aumento do chaveamento de taps dos reguladores de tensão e de bancos de capacitores automáticos.

Ressalta-se que tais tipos de fonte são normalmente utilizadas em associação com alguma forma de armazenamento de energia, como banco de baterias, supercapacitores, células de combustíveis ou volantes de inércia (flywheels). Deste modo, há um aumento da dificuldade operacional e financeira de um projeto envolvendo esta tecnologia. Entretanto, tais dispositivos são vitais para garantir o equilíbrio carga/geração na microrrede e manter a frequência nos valores de operação ideais.

Por fim, um dos aspectos de maior destaque atualmente é a viabilidade de utilizar a GD como um investimento para retorno financeiro, já que é possível vender o excedente de energia para a concessionária, a depender do balanço geração/consumo. Todavia, a utilização deste recurso baseia-se na manipulação do fluxo de potência, ou seja, do caminho percorrido pelas potências ativa e reativa nos elementos da rede elétrica. Normalmente, quando um prosumidor está operando como consumidor, o fluxo de potência direciona-se da subestação abaixadora em direção à carga distribuída ao longo do alimentador. Porém, no modo produtor, o fluxo de potência é invertido e a energia passa a ser injetada na rede. Deste modo, apesar dos evidentes benefícios, tal inversão pode causar sobrecarga de transformadores, elevação das perdas e problemas na regulação de tensão, promovendo, assim, a necessidade em se estudar com profundidade a fim de se prever e contornar possíveis cenários indesejados.

Devido aos diversos desafios operacionais supracitados, a revisão dos estudos de coordenação da proteção e novos reforços e investimentos na rede secundária, mostra-se uma tarefa cada vez mais necessária.

Referências:

• LUCCHESE, F.C.; ANSELMINI, F.A.; MARTINS, C.C.; SPERANDIO, M.; Análise Do Impacto Da Geração Distribuída Fotovoltaica Na Rede Elétrica Da Universidade Federal De Santa Maria; VII Congresso Brasileiro de Energia Solar, Gramado, 2018.
• ANEEL,“Nota Técnica n° 0056/2017-SRD/ANEEL: Atualização das projeções de consumidores residenciais e comerciais com microgeração solar fotovoltaicos no horizonte 2017-2024”, 2017.
• I. Lampropoulos, G. M. A. Vanalme, and W. L. Kling, “A methodology for modeling the behavior of electricity prosumers within the smart grid”, in IEEE Innovative Smart Grid Technologies, 2010. pp. 1-8.
• RODRIGUES, Israel Resende Alves. Estudo de proteção elétrica de uma microrrede baseada na rede de 34 Barras do IEEE. 2017. Dissertação de Mestrado Pós – Graduação em Engenharia Elétrica – Universidade Federal de Minas Gerais, 2017.
• R.F. Coelho, “Concepção, análise e implementação de uma microrrede interligada à rede elétrica para alimentação ininterrupta de cargas CC a partir de fontes renováveis”, Universidade Federal de Santa Catarina, 2013.
• GRAINGER, J. J.; STEVENSON JR, W. D. Power System Analysis, McGraw-Hill, New York,
1994